新农村规划建设中的污水生态处理模式研究——适合湖南地区的人工湿地模式

新农村规划建设中的污水生态处理模式研究——适合湖南地区的人工湿地模式

夏邵刚

湖南省农林工业勘察设计研究总院湖南省长沙市410007

摘要：随着新农村建设的加快，农村污水处理已成为我国新农村建设中的一个重大问题，并日益突出。在新农村规划建设中选择合适的污水处理方式，不仅可以改善农村生活环境，而且可以控制流域水污染，同时缓解农业用水的短缺。因此，研究新农村的污水处理系统，提出适合我国国情的多元化的农村污水处理模式是当务之急。

关键词：农村污水处理人工湿地湿地植物

党的十八大，提出了让我们激情澎湃而且充满诗意名词——美丽中国。美丽中国，是中华民族伟大复兴的形象概括。美丽乡村是美丽中国重要的组成部分。由于地域差异及城乡二元结构体系等因素，使美丽乡村成为美丽中国重点与难点。全国农村90%以上的生活污水直接排放，水环境受到严重污染。许多清澈见底溪流已浑浊不堪，鱼虾已无踪无影，溪边浣衣洗菜场景已不再现，实现“看得见山，望得见水，记得住乡愁！”愿景任重道远!

1、适合农村污水处理工艺介绍

由于城乡生活方式的差异，使得农村生活污水的水质、水量及污染程度与城市生活污水差异较大。农村生活污水主要由包括人、畜粪尿、洗涤、洗浴和厨房废水等构成。污水中主要包含有机物、氮、磷、细菌、病毒及寄生虫等，一般不包含有毒物质[1]。各污染物排放浓度一般为：COD为250～400mg/L，NH3-N为40～60mg/L，TP为2.5～5mg/L。

我国农村分散和人口不集中的问题对治理技术提出了新的要求，由于农村污水量少，日变化系数大，日变化系数分散，难以收集利用，使得分散处理和直接利用成为农村污水处理技术的主要研究方向。低成本、易维护、效果好、多样化是农村污水处理的四大原则。

1.1、土壤渗滤处理技术

土壤渗滤处理技术是利用土壤作为处理载体和排放载体的自然处理系统，其主要处理原理是污水进入人工土层，污水在重力、水流冲量和土壤毛细吸力的作用下，向下和向前运动，向周围区域扩散。在移动过程中，污水主要处于兼氧状态，在土壤吸附、微生物分解和植物吸收的综合作用下，达到了净化的目的。另外，污水可通过配水管铺设在人工土层上，在重力和土的毛细吸力作用下可扩散和向下移动；污水在移动过程中主要处于好氧状态，可分为土壤渗透净化。沟渠、土壤毛细渗透系统与天然和人工土壤净化相结合。

系统主要由固液分离设备（如沼气池、化粪池、沉淀池等），水质净化设备（地下渗滤系统）及辅助设备组成。污水经预处理设备进行简单物理处理，然后经混凝土管自流至渗滤沟，在配水系统的控制下，经布水管分配到每条渗滤沟床中；渗滤沟中的污水通过砾石层的再分布，在土壤毛细管的作用下上升至植物根区，通过土壤的物理化学、微生物及植物根系作用等使污水得到净化[2]。

1.2、生物滤池处理技术

生物滤池是在土壤自净原理的基础上，结合污水灌溉的实际情况，由原有的间歇式砂滤池和接触式砂滤池共同发展而成的一种人工生物处理技术。废水由砾石或塑料填料组成，与填料表面生长的微生物膜接触，净化废水。

系统组成：生物滤池由曝气层、透水滤层、多介质滤层、集水槽组成。从上至下分别是曝气层，曝气层内布置布水管和曝气材料（聚氨酯微生物固定化材料），曝气层往下是有多介质滤料层和透水滤层组成的“砖墙式”滤料层。滤料层下面是集水槽，集水槽底是防渗池底。

污水处理流程：污水通过分配管均匀地分布在滴流曝气层中，污水经滴流曝气层进入多媒体过滤层。一些污水渗入到多媒体过滤材料中，并被深度净化。一些不能穿透多媒体滤料的污水和流经多媒体滤料的水流通过渗透滤料过滤到下一层多媒体滤料或渗透水。物料再分配，直到最后一阶段的多介质过滤器或透水滤料模块，在通风管周围插入多介质过滤器，将形成明显的厌氧、缺氧、好氧生态功能区。污水在厌氧、缺氧、好氧交替流动时，在不同功能微生物的作用下，能有效去除氮、磷和有机物。污水可以净化。经多介质过滤层净化后的水收集在汇水室中，经出口管道排放或作为资源利用。

1.3、生物接触氧化处理技术

生物接触氧化法是一种好氧生物膜废水处理方法，主要利用附着在载体上的生物膜（俗称填料）对有机废水进行净化。同时具有活性污泥法的特点，以及活性污泥法和生物膜法的优点。在可生物降解条件下，工业废水、水产养殖废水和生活污水处理取得了良好的经济效益[3]。

污水处理流程：

污水首先进入水解调节池。在调节水量的同时，通过挡板去除污泥、浮油和大颗粒泥砂，减少后续处理构筑物的负荷。污水随后流入生物接触氧化池。生物接触池完成生物氧化过程，分解有机物，部分去除N、P，进一步净化废水，然后流入斜管沉淀池，污泥分离后上清液达到排放标准。d.该工艺为全埋式地下工艺，对环境无影响，占地少。曝气方式为水下喷射式，无噪声污染，污泥回流，污泥消化，长期减量，机械设备少，维护管理方便，运行成本低。调节池内的污泥、泥、砂等固体废弃物定期由环卫车清理。

1.4、生活污水净化沼气池

生活污水净化沼气池是厌氧发酵技术与兼性生物过滤技术相结合的产物。在厌氧兼性厌氧条件下，将生活污水中的有机物分解为CH4、CO2和水，达到净化和处理生活污水的目的。

生活污水沼气净化池在全国大部分地区得到推广。其优点是：不耗电，运行稳定，管理简单，剩余污泥少，能量回收（沼气），内置绿化或地下蔬菜，不占地，每户投资700-900元。然而，从目前推广使用的角度来看，生活污水净化沼气池存在一些技术问题。主要是：污水停留时间长，部分出水指标达不到排放标准。生活污水净化沼气处理技术，不易发生堵塞，也不会产生运行费，虽然存在一些缺陷，但总体上技术是成熟的，通过进一步的技术改造其处理效果会更加好。

1.5、高效藻类塘

美国伯克利加利福尼亚大学的Oswald教授提出并开发了高效藻类池，实验过程如图1所示。高效藻池中细菌与藻类的共生系统使池内溶解氧浓度较高（保持好氧状态），而pH值周期性变化，COD平均去除率可达70%，氨氮主要通过硝化去除。去除率90%以上，磷酸盐主要通过沉淀去除，去除率50%。

与传统稳定塘相比，高效藻类塘不仅具有运行成本低、维护管理简单等优点，而且克服了传统稳定塘停留时间长、面积大等缺点。在农村和小城镇污水处理中具有广阔的应用前景。目前，太湖地区已建立了一套高效的藻类池塘系统，用于处理农村生活污水。[4]。

1.6、人工湿地处理工艺

人工湿地主要是在模拟自然湿地环境前提下建立的人工生态系统，但是当前的人工湿地当中存有污水，因此，需要采取相应的污水处理技术。在当前人工湿地污水处理技术实际运行管理过程当中，要探究河道所具备的自我净化能力，使用不一样的沉水植物在各个区域当中实现污水净化的重要作用，并且找出河道以及湿地所具备的自我污水净化能力，使用各种沉水植物在水质以及水量不一样的情况下发挥出净化的具体作用，明确河道、湿地以及湿塘实际拥有的自我生态修复能力，进而提高人工湿地的水质达标情况。人工湿地污水处理技术的实际发展空间也非常宽广。根据相应的统计表明，我国众多工业废水以及生活污水当中，只有4％的污水能够经过回收之后被净化，剩下的污水便会直接进行排放。

人工湿地系统在欧美国家广泛应用于农村和小社区污水的处理，取得了显著的效果。人工湿地作为一种新型的生态污水处理技术，具有投资和运行成本低、抗冲击负荷能力强、处理效果稳定、水质好、水生植物具有一定的经济价值等优点。人工湿地处理工艺流程图见图3。

1.7、各种农村污水处理方法的比较及优缺点

（1）与传统的稳定塘相比，高效藻塘的停留时间短，面积小，施工维护方便，资金投入少，运行成本低，BOD5、氨氮、病原菌去除效率高，但易受环境影响，如温度和酸碱度。

（2）生物滤池，BAF抗冲击负荷能力强，耐低温，无污泥膨胀，可避免微生物损失，保持微生物生物量高，日常操作管理简单，处理效果稳定。工艺简单，基建成本低，温度影响小。由于BAF为半封闭或全封闭结构，其生化反应受外界温度影响较小，适合北方寒冷地区。

（3）人工湿地，人工湿地系统在污水处理方面具有一系列显著的优势。适用于不同处理规模，基建成本低。治理结构由各种自然生态系统或简单的建设组成。它没有复杂的机械设备，易于操作、维护和管理。表面流人工湿地的成熟期较短，仅需3～4个月。地表径流型人工湿地通常由天然湿地、废弃河流和其他洼地改造而成，建设成本较低。根据当地地形落差，采用组合式污水处理系统，池体采用砖混结构，可减少占地面积，节约成本。

（4）UUAR无动力埋地生活污水处理厂，无日运行费用，适合农村生活污水处理。响应系统对大量水的影响较为敏感，暴雨对其影响较大。北方建设项目需要考虑防冻，增加投资成本。

（5）土壤入渗系统的污水处理技术，利用土壤的自然净化能力，具有投资少、运行成本低、操作管理简单的优点，还可以利用污水中的水和肥料资源，将污水处理厂与污水处理厂结合起来。t具有绿化、美化和改善区域生态环境，特别适合中国。

2、以人工湿地为主体的组合处理技术

在湖南地区，村落多位于山区，由于受到资金有维护等因素，一般情况下不采用污水处理主体设备集一体。可以因地制宜，利用村落的水塘，采用组合工艺和高效藻类稳定塘，如厌氧发酵—人工湿地组合。适合湖南地区的工艺宜采用：厌氧发酵—人工湿地生活污水处理技术。

经优化设计将一、二级厌氧发酵池与人工湿地床组合为一个整体处理设施，厌氧发酵串联人工湿地生活污水处理设施不需要建居住区外的排水管道，投资较省。

厌氧发酵—人工湿地工艺流程为：

2.1、生活污水排放量的确定

生活污水排放量随生活环境、生活水平、生活习惯和水资源的变化而变化较大。1989年制定的《农村生活饮用水卫生标准》（GB11730-89）中，三类有洗脸池、洗脸池、淋浴设备的地区人均日最大用水量为60-100L。结合湖南省经济发展和农村生活水平，进行了农村生活污水排放量的计算。建议人均日用水量：100L/人•日。

2.2、格栅池有效容积

格栅池停留时间60分钟，其计算公式为：

0.6（或0.5）—潜流湿地床面积负荷为0.5～0.6m3/m2•日。

（2）径流时间：人工湿地床内污水径流时间不小于26小时，可作为有效面积校核。

一、二级厌氧发酵与人工湿地污水处理过程总的水力停留时间为76－80小时。

（3）人工湿地床：垂直流湿地床通常串联使用。地形有利于垂直流湿地床和水平流湿地床的结合。也可以采用垂直流湿地床和水平流湿地床相结合的方式。垂直流湿地床系列一般为4-5级。为了使湿地床的水流均匀，减少死角，可以看到湿地床的总面积，湿地床可以分为组、平行和多级串联床。

（4）人工湿地床填料（粒径、级配、厚度、材质）

一级湿地床填料粒径φ10～40mm，厚度0.83m；

二级湿地床填料粒径φ10～30mm，厚度0.81m；

三级湿地床填料粒径φ7～20mm，厚度0.79m；

四级湿地床填料粒径φ5～15mm，厚度0.77m；

五级湿地床填料粒径φ1～3mm，厚度0.75m。

污水在填料表面3cm以下流动，防止蚊蝇滋生。它被称为水面以上的保护层。保护层可由石头、煤、沙或复合土制成。

人工湿地地下水流总长3.08m，地下水流停留时间约31小时，径流速度约9.9-12cm/h。

2.5、人工湿地水生植物的选用

（1）选用原则

在选择净化水污染的水生植物时，应根据其特殊性，制定相应的选用原则：

经济性：尽可能选择本地水生植物。农村经济发展相对比较落后，对水污染处理应本着经济实用的原则，选择乡土水生植物，既能降低成本，又能保证好的成活率。

自然性：农村景观上不同于城市，有其独特性，经过长期的发展，形成了一种自然朴素的美，水生植物不要精心打理，也无需特意配置，按照自然的规律有序地生长着。

文化性：农村一些风俗习惯经常会用到某些水生植物，代表着不同的象征意义，如端午节的将菖蒲悬挂在门窗之上，让人心旷神怡。

季节性：要注意冬季常绿水生植物的使用。

（2）植物搭配

农村污水处理中，植物的应用应因地制宜，总体要求是耐水、根系发达、多年生、耐寒，具有大量的氮磷吸收，既美观又经济。植物在处理系统中的作用在很大程度上决定着物种的选择。在以植物吸收为主去除农村污水中的氮、磷、重金属和部分有机物时，必须选择富集吸收能力好、生长速度快的物种。目前，芦苇、香蕉、风车、香蒲、竹子、葱、米草、蕨类、灯心草等都是常用的植物。

漂浮植物如水葫芦、水芹菜、浮萍等生长周期短，对N的需求量高而常用做水污染处理，但有些生长繁衍特别迅速，也可能会成为水中一害。睡莲、荷花、荸荠、芋、泽泻、菱角、芡实等根茎的形成对P元素的需求较多，因此，磷吸收量大，但适合生长环境的水深一般在40-100cm左右。例如，狐尾藻等植物不仅能够在沉积物干燥之后作为肥料以及饲料等添加剂还可以对TNT进行吸收和转换，减少水体缺氧的现象[6]。

（3）湖南地区的搭配组合推荐以下几种：

由于农田排灌水一般COD较低，重点就是N、P含量较高，因此建议种植一些去氮除磷效果较好的植物和一些经济作物。如：芦苇+再力花+水生美人蕉+旱伞草+皇竹草+茭草+席草+荸荠。农家乐废水与一般生活废水区别主要是含有油，因此，芦苇对油的处理非常重要，如：芦苇+再力花+德国鸢尾+花菖蒲+芡实+荷花等。养殖池塘废水浓度较低，植物种植可以直接或间接的作为鱼类饲料如：浮萍+水葫芦+皇竹草+芡实+荇菜+菱。

参考文献：

[1]詹金星，支崇远，夏品华.农村生活污水新型处理技术的研究现状与对策[J].安徽农业科学，2010，（22）：11941-11942，12031.

[2]李仰斌，张国华，谢崇宝.我国农村生活排水现状及处理对策建议[J].中国水利，2008，（3）：51-53.

[4]张京震，刘建红.农村生活污水资源化处理技术的选择及经济实用性比较[J].科技情报开发与经济，2009，（24）：149-151.

[5]李静，姜冰冰.北京市杨镇一中人工湿地设计及污水处理效果[J].湿地科学，2012，（1）：102-108.

[6]贺锋，吴振斌.水生植物在污水处理和水质改善中的应用[J].植物学通报，2003，（6）：641-647.