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摘 要：论述了地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直流人工湿地净化的机理以及设计方法，通过广西北海市平阳镇生活污水工程实践证明，采用该方法处理农村污水具有投资省、处理效率好、维护简便、出水水质稳定达标排放等诸多优点，可作为农村污水处理的优选方案。
关键词：地埋式；复合垂直流；人工湿地；农村污水
引言
我区属于低纬度地区、亚热带季风气候，农村具有以中小型为主、地域广、多山地、居住分散、基础设施相对落后等特点，加上大量农药化肥的使用效率低和农村生活污水的无序排放，造成我区农村很多河流和湖泊都出现了不同程度的水质恶化，甚至有些水体已出富营养化。解决好面源污染为主的农村污水处理问题是当前我区建设新农村的一项重要任务，寻找一种经济可行的农村污水处理工艺是急待解决的问题。
人工湿地系统是上世纪七十年代发展起来的污水处理新技术之一，由于具有高效的去除水体中的氮磷营养及有机物的能力，出水水质可达到或超过常规一级处理水平，且基建投资及日常运行费用比常规一级处理厂低得多，因而逐步被广泛应用于城镇污水、畜牧业、食品业和矿山等工农业废水的处理。
经实地调查，我区农村（村级）污水放排量基本为1000m3/d以内，属小型排污项目，建设市政管网将农村污水统一收集处理难度高、费用大，适合采用规模小、投资及处理成本低、无需专业人员值守、维护方便、可分散建设且占地面积小的污水处理设施。
1 工艺技术来源
预处理工段采用改良型地埋式无动力污水处理技术，依靠“厌氧发酵+生物滤池”工艺，用进出口的合理落差维持整套设施的连续运行，不需动力设备，大幅降低投资费用，几乎不产生维护费用，整个系统埋于地下，不占用地表面积，排放污水中除氮、磷稍高外，其他指标达到GB8978-1996《污水综合排放标准》一级标准，非常适合农村地区无人值守的污水设施前段预处理。
后处理阶段采用的技术为近年发展起来的复合垂直流（下行流+上行流）人工湿地，相对于普通垂直流人工湿地，它能明显提高脱氮、除磷效果，进一步提高出水水质，达到GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，可直接排入附近河流或湖泊，作为景观或农业灌溉用水。
2 工艺技术原理
2.1 预处理工艺
预处理采用改良型地埋式无动力生活污水处理技术属于低温厌氧工艺，其调节池、厌氧发酵池、软填料生物滤池、硬填料生物滤池的水利停留时间分别为8小时、10小时、4小时、2小时。
2.1.1污水厌氧发酵工艺
污水厌氧消化反应由以下二个阶段组成：
1）水解阶段：在水解和发酵细菌的作用下，大分子物质如碳水化合物、蛋白质与脂肪水解和发酵转化为小分子物质如单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳等，大分子物质水解为可溶性物质。
2）厌氧阶段：在甲烷菌、产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化为甲烷、二氧化碳和乙酸。
污水中大部分COD及SS将在预处理工段去除，保证进入人工湿地系统废水稳定达到《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）复合垂直流人工湿地进水水质規定值，在很大程度上降低后续的人工湿地堵塞的风险。厌氧发酵属于低温厌氧工艺，甲烷菌的活性不高，产生量少，释放缓慢，厌氧处理所产生的少量气体可用导气管排出，只要场地通风，不存在臭气问题和燃烧爆炸的危险。
2.2 人工湿地系统工艺
人工湿地污水处理技术是模拟了天然湿地的结构，是由人工建造、监督和控制的，它充分利用湿地系统净化污水能力的特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地发展经历了：表面流人工湿地(SFW) 、水平潜流人工湿地(SSFW)和垂直潜流人工湿地 (VFW)。不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同：表面流湿地投资低，但占地大，处理负荷较低，易产生恶臭、蚊蝇等二次污染，低温时尚需进行独特的处理，目前已很少采用。水平潜流湿地供氧较差，适于去除SS和BOD，但氨氮的去除效果较差。垂直潜流人工湿地系统是由下行池和上行池组成，经沉淀预处理的污水首先流入位于下行池填料表面的多孔布水管，使进水均匀分布在池中的填料层，污水自流进入上行池底部；水流自动淹没填料层，经池面水生植物的根系形成的生物膜的吸附和降解作用后，再由位于填料层表面的多孔集水管均匀收集后排出，供氧好，占地小，适于去除有机物、氨氮和磷。
针对预处理后的水质特征，后处理阶段采用复合垂直流人工湿地。保证了废水中的氮、磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统可通过更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
2.2.1垂直潜流人工湿地设计
垂直潜流人工湿地的设计主要包括依据日处理污水量进行面积设计、集配水管网设计、填料方式设计、植物物种的选择、防渗设计、透气设计。
1）面积设计
场地尽量选择有自然坡度的洼地或长期闲置的荒地。设计长度为10～15m，湿地的长宽最佳比率为2:1～3:1。湿地面积设计应考虑最大污染负荷和水力负荷，分别按人口当量表面积、COD负荷和水力负荷进行计算，取三种计算结果中的最大值[1]。
2）集配水管网设计
湿地的集配水管网重点保证配水、集水的均匀性，尽量减少短流和堵塞现象。可采用穿孔管大阻力配水系统。预处理系统出水口应比湿地床面高出0.3m左右，以防床面淤泥和杂草堆积而影响配水。进水流量可通过阀门或闸板调节，并设置水量紧急变化的溢流池、分流池，并在必要部位设置控制阀和放空阀。湿地床底部采用0.4％的坡度，污水从下行池自流进入上行池，使流态接近推流。在下行池出水口设置可旋转的弯头，便于调节出水水位。
3）填料方式设计
垂直流湿地填料的选用通常考虑以下几个因素：
① 具有良好的吸附性能和离子交换性能。填料在磷的去除过程中主要是通过一些物理和化学（吸收、吸附、离子交换、络合反应等）作用实现， 因而选择合适的填料对磷的去除率有着重要的影响。
② 填料的粒径不宜过大或过小，粒径太小，填料的水力传导率较小，容易造成堵塞，形成地表漫流；粒径太大，单位体积内微生物可附着的面积较小。
③ 有利于生物膜的形成和更新，有利于提高有机物和氮的去除效率。
④ 价格低廉[2]。
根据以上填料配置原则，在具体工程中采用如下填料配置：
① 下行池分别由100mm厚的粗砂、300mm厚φ100～300mm的球形砾石、200mm厚φ8～15mm的球形砾石、100mm厚φ3～6mm的改性硅藻土陶粒滤料组成；
② 上行池分别采用100mm厚的粗砂、300mm厚φ100～300mm的球形砾石、200mm厚φ8～15mm的球形
砾石（加入10％～20％的均匀石灰石）、100mm厚φ3～6mm的改性硅藻土陶粒滤料。填料中的改性硅藻土陶粒滤料能有效地去除氮、磷等污染物，上行池中添加的石灰石可进一步去除水中的磷，使湿地总体达到良好的有机物和氮、磷的去除效果，保证出水稳定达标排放。
4）植物物种的选择
植物选择上尽可能满足生物的多样性和景观的要求。在满足当地气候条件的前提下，设计时对植物的选择应遵循如下原则：
① 植物群落景观具有稳定性，维护管理方便；
② 水质净化功能强，耐污性、生长适应能力强及根系的发达程度高[3]；
③ 在当地；
④ 具有较高的观赏价值。常选择的植物有芦苇、菖蒲、香蒲、黄莒蒲、灯心草等，插植密度可为3～5株/m2。
5）防渗设计和透气设计
人工湿地污水处理系统必须防止污染湿地外的土壤和地下水，湿地床底部应铺设防渗系统。防渗层应达到1.0×10-7m/s的防渗系数，实际工程中可用厚度为2mm的HDPE膜或根据实际采用其他材料，同时在防渗膜上预铺砂子防止膜被损坏。当施工场地的地下水位较高时需设置地下水导排系统，采用主盲沟与次盲沟相结合的方式收排地下水，降低床层的地下水位，防止因地下水位升高对湿地床体防渗膜造成损坏。
3 广西北海平阳镇工程案例
北海市银海区平阳镇店塘村生活污水处理设施的建成并投入使用，是“地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直流人工湿地”技术实际应用的一次成功案例。项目生活污水产生量59 m3/d，设计处理能力60 m3/d。污水经处理后用于农田灌溉，按环保要求需进行处理后达到《农田灌溉水质标准》（GB5084-92），因属示范工程，执行更严格的《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B标准。
3.1 主要技术参数
地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直潜流人工湿地排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B标准，详见表-1。
表-1 污水排放标准（GB18918-2002） 单位：mg/L
污染物 CODCr BOD5 SS 氨氮 总磷 粪大肠菌群数（个/L）
排放标准 60 20 20 15 1 10000
最新颁布的《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）复合垂直流人工湿地进水水质应满足表－2中的规定值。
表-2 复合垂直流人工湿地系统进水水质要求
编号 污染物质 进水水质 单位
1 SS ≤80 mg/L
2 CODCr ≤200 mg/L
3 BOD5 ≤80 mg/L
4 NH3-N ≤25 mg/L
5 TP ≤5 mg/L
结合我区农村生活污水排放现状对全区村庄随机的污水水质进行调研，及地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直潜流人工湿地实际处理效果的基础上得到可承受进水水质范围，详见表-3。
表-3 地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直潜流人工湿地水处理系统可承受进水水质范围
编号 污染物质 污水原水水质 单位
1 SS 80～300 mg/L
2 CODCr 200～500 mg/L
3 BOD5 80～300 mg/L
4 NH3-N ≤50 mg/L
5 TP ≤5 mg/L
6 PH 6～9
7 细菌总数 ＞16000 个/L
污水处理系统中复合垂直流人工湿地单元处理效率可满足《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）。
3.2工艺流程
污水处理工艺流程图
其中湿地占地为300m2，工程总投资约60万元，运行成本0.02元/ m3。
4 小结与探讨
1）地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直流人工湿地污水处理设施前段预处理和后段人工湿地可分开布置，适合各种地形，只要进出水有1米高差就可实施；预处理设施埋于地下，不占地表面积，可结合绿化带、停车场等建设。
2）预处理工段可以去除大部分COD及SS，解决了人工湿地易堵塞的难题，缩短人工濕地废水停留时间。
3）本工艺污泥产生量很小，污泥是发酵过的，可直接作为农田的肥料；收割的植物量也不大，可作为饲草；不会产生二次污染。而且能有效的和景观相结合，在防治污染的同时建造了一片绿洲，切实美化农村环境。
4）植物对恶劣气候抵御能力弱，但多年实践证明，前段预处理——地埋式无动力厌氧发酵工段对恶劣气候抵御能力强，在恶劣气候条件下比单纯的人工湿地更能保证出水水质。本工艺通过合理选择植物可适应整个华南区域。
参考文献：
[1] 李文奇、曾平、孙亚东,人工湿地处理污水技术[J].中国水利水电出版社，2009.12：109。
[2] 吴振斌，复合垂直流人工湿地[J].科学出版社，2008.10：209-210。
[3] 崔理华、卢少勇，污水处理的人工湿地构建技术[J].北京：化学工业出版社，2009.4：224-226。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地埋式；复合垂直流；人工湿地；农村污水
引言
我区属于低纬度地区、亚热带季风气候，农村具有以中小型为主、地域广、多山地、居住分散、基础设施相对落后等特点，加上大量农药化肥的使用效率低和农村生活污水的无序排放，造成我区农村很多河流和湖泊都出现了不同程度的水质恶化，甚至有些水体已出富营养化。解决好面源污染为主的农村污水处理问题是当前我区建设新农村的一项重要任务，寻找一种经济可行的农村污水处理工艺是急待解决的问题。
人工湿地系统是上世纪七十年代发展起来的污水处理新技术之一，由于具有高效的去除水体中的氮磷营养及有机物的能力，出水水质可达到或超过常规一级处理水平，且基建投资及日常运行费用比常规一级处理厂低得多，因而逐步被广泛应用于城镇污水、畜牧业、食品业和矿山等工农业废水的处理。
经实地调查，我区农村（村级）污水放排量基本为1000m3/d以内，属小型排污项目，建设市政管网将农村污水统一收集处理难度高、费用大，适合采用规模小、投资及处理成本低、无需专业人员值守、维护方便、可分散建设且占地面积小的污水处理设施。
1 工艺技术来源
预处理工段采用改良型地埋式无动力污水处理技术，依靠“厌氧发酵+生物滤池”工艺，用进出口的合理落差维持整套设施的连续运行，不需动力设备，大幅降低投资费用，几乎不产生维护费用，整个系统埋于地下，不占用地表面积，排放污水中除氮、磷稍高外，其他指标达到GB8978-1996《污水综合排放标准》一级标准，非常适合农村地区无人值守的污水设施前段预处理。
后处理阶段采用的技术为近年发展起来的复合垂直流（下行流+上行流）人工湿地，相对于普通垂直流人工湿地，它能明显提高脱氮、除磷效果，进一步提高出水水质，达到GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，可直接排入附近河流或湖泊，作为景观或农业灌溉用水。
2 工艺技术原理
2.1 预处理工艺
预处理采用改良型地埋式无动力生活污水处理技术属于低温厌氧工艺，其调节池、厌氧发酵池、软填料生物滤池、硬填料生物滤池的水利停留时间分别为8小时、10小时、4小时、2小时。
2.1.1污水厌氧发酵工艺
污水厌氧消化反应由以下二个阶段组成：
1）水解阶段：在水解和发酵细菌的作用下，大分子物质如碳水化合物、蛋白质与脂肪水解和发酵转化为小分子物质如单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳等，大分子物质水解为可溶性物质。
2）厌氧阶段：在甲烷菌、产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化为甲烷、二氧化碳和乙酸。
污水中大部分COD及SS将在预处理工段去除，保证进入人工湿地系统废水稳定达到《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）复合垂直流人工湿地进水水质規定值，在很大程度上降低后续的人工湿地堵塞的风险。厌氧发酵属于低温厌氧工艺，甲烷菌的活性不高，产生量少，释放缓慢，厌氧处理所产生的少量气体可用导气管排出，只要场地通风，不存在臭气问题和燃烧爆炸的危险。
2.2 人工湿地系统工艺
人工湿地污水处理技术是模拟了天然湿地的结构，是由人工建造、监督和控制的，它充分利用湿地系统净化污水能力的特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地发展经历了：表面流人工湿地(SFW) 、水平潜流人工湿地(SSFW)和垂直潜流人工湿地 (VFW)。不同类型人工湿地对特征污染物的去除效果不同：表面流湿地投资低，但占地大，处理负荷较低，易产生恶臭、蚊蝇等二次污染，低温时尚需进行独特的处理，目前已很少采用。水平潜流湿地供氧较差，适于去除SS和BOD，但氨氮的去除效果较差。垂直潜流人工湿地系统是由下行池和上行池组成，经沉淀预处理的污水首先流入位于下行池填料表面的多孔布水管，使进水均匀分布在池中的填料层，污水自流进入上行池底部；水流自动淹没填料层，经池面水生植物的根系形成的生物膜的吸附和降解作用后，再由位于填料层表面的多孔集水管均匀收集后排出，供氧好，占地小，适于去除有机物、氨氮和磷。
针对预处理后的水质特征，后处理阶段采用复合垂直流人工湿地。保证了废水中的氮、磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统可通过更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
2.2.1垂直潜流人工湿地设计
垂直潜流人工湿地的设计主要包括依据日处理污水量进行面积设计、集配水管网设计、填料方式设计、植物物种的选择、防渗设计、透气设计。
1）面积设计
场地尽量选择有自然坡度的洼地或长期闲置的荒地。设计长度为10～15m，湿地的长宽最佳比率为2:1～3:1。湿地面积设计应考虑最大污染负荷和水力负荷，分别按人口当量表面积、COD负荷和水力负荷进行计算，取三种计算结果中的最大值[1]。
2）集配水管网设计
湿地的集配水管网重点保证配水、集水的均匀性，尽量减少短流和堵塞现象。可采用穿孔管大阻力配水系统。预处理系统出水口应比湿地床面高出0.3m左右，以防床面淤泥和杂草堆积而影响配水。进水流量可通过阀门或闸板调节，并设置水量紧急变化的溢流池、分流池，并在必要部位设置控制阀和放空阀。湿地床底部采用0.4％的坡度，污水从下行池自流进入上行池，使流态接近推流。在下行池出水口设置可旋转的弯头，便于调节出水水位。
3）填料方式设计
垂直流湿地填料的选用通常考虑以下几个因素：
① 具有良好的吸附性能和离子交换性能。填料在磷的去除过程中主要是通过一些物理和化学（吸收、吸附、离子交换、络合反应等）作用实现， 因而选择合适的填料对磷的去除率有着重要的影响。
② 填料的粒径不宜过大或过小，粒径太小，填料的水力传导率较小，容易造成堵塞，形成地表漫流；粒径太大，单位体积内微生物可附着的面积较小。
③ 有利于生物膜的形成和更新，有利于提高有机物和氮的去除效率。
④ 价格低廉[2]。
根据以上填料配置原则，在具体工程中采用如下填料配置：
① 下行池分别由100mm厚的粗砂、300mm厚φ100～300mm的球形砾石、200mm厚φ8～15mm的球形砾石、100mm厚φ3～6mm的改性硅藻土陶粒滤料组成；
② 上行池分别采用100mm厚的粗砂、300mm厚φ100～300mm的球形砾石、200mm厚φ8～15mm的球形
砾石（加入10％～20％的均匀石灰石）、100mm厚φ3～6mm的改性硅藻土陶粒滤料。填料中的改性硅藻土陶粒滤料能有效地去除氮、磷等污染物，上行池中添加的石灰石可进一步去除水中的磷，使湿地总体达到良好的有机物和氮、磷的去除效果，保证出水稳定达标排放。
4）植物物种的选择
植物选择上尽可能满足生物的多样性和景观的要求。在满足当地气候条件的前提下，设计时对植物的选择应遵循如下原则：
① 植物群落景观具有稳定性，维护管理方便；
② 水质净化功能强，耐污性、生长适应能力强及根系的发达程度高[3]；
③ 在当地；
④ 具有较高的观赏价值。常选择的植物有芦苇、菖蒲、香蒲、黄莒蒲、灯心草等，插植密度可为3～5株/m2。
5）防渗设计和透气设计
人工湿地污水处理系统必须防止污染湿地外的土壤和地下水，湿地床底部应铺设防渗系统。防渗层应达到1.0×10-7m/s的防渗系数，实际工程中可用厚度为2mm的HDPE膜或根据实际采用其他材料，同时在防渗膜上预铺砂子防止膜被损坏。当施工场地的地下水位较高时需设置地下水导排系统，采用主盲沟与次盲沟相结合的方式收排地下水，降低床层的地下水位，防止因地下水位升高对湿地床体防渗膜造成损坏。
3 广西北海平阳镇工程案例
北海市银海区平阳镇店塘村生活污水处理设施的建成并投入使用，是“地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直流人工湿地”技术实际应用的一次成功案例。项目生活污水产生量59 m3/d，设计处理能力60 m3/d。污水经处理后用于农田灌溉，按环保要求需进行处理后达到《农田灌溉水质标准》（GB5084-92），因属示范工程，执行更严格的《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B标准。
3.1 主要技术参数
地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直潜流人工湿地排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B标准，详见表-1。
表-1 污水排放标准（GB18918-2002） 单位：mg/L
污染物 CODCr BOD5 SS 氨氮 总磷 粪大肠菌群数（个/L）
排放标准 60 20 20 15 1 10000
最新颁布的《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）复合垂直流人工湿地进水水质应满足表－2中的规定值。
表-2 复合垂直流人工湿地系统进水水质要求
编号 污染物质 进水水质 单位
1 SS ≤80 mg/L
2 CODCr ≤200 mg/L
3 BOD5 ≤80 mg/L
4 NH3-N ≤25 mg/L
5 TP ≤5 mg/L
结合我区农村生活污水排放现状对全区村庄随机的污水水质进行调研，及地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直潜流人工湿地实际处理效果的基础上得到可承受进水水质范围，详见表-3。
表-3 地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直潜流人工湿地水处理系统可承受进水水质范围
编号 污染物质 污水原水水质 单位
1 SS 80～300 mg/L
2 CODCr 200～500 mg/L
3 BOD5 80～300 mg/L
4 NH3-N ≤50 mg/L
5 TP ≤5 mg/L
6 PH 6～9
7 细菌总数 ＞16000 个/L
污水处理系统中复合垂直流人工湿地单元处理效率可满足《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）。
3.2工艺流程
污水处理工艺流程图
其中湿地占地为300m2，工程总投资约60万元，运行成本0.02元/ m3。
4 小结与探讨
1）地埋式无动力厌氧发酵+复合垂直流人工湿地污水处理设施前段预处理和后段人工湿地可分开布置，适合各种地形，只要进出水有1米高差就可实施；预处理设施埋于地下，不占地表面积，可结合绿化带、停车场等建设。
2）预处理工段可以去除大部分COD及SS，解决了人工湿地易堵塞的难题，缩短人工濕地废水停留时间。
3）本工艺污泥产生量很小，污泥是发酵过的，可直接作为农田的肥料；收割的植物量也不大，可作为饲草；不会产生二次污染。而且能有效的和景观相结合，在防治污染的同时建造了一片绿洲，切实美化农村环境。
4）植物对恶劣气候抵御能力弱，但多年实践证明，前段预处理——地埋式无动力厌氧发酵工段对恶劣气候抵御能力强，在恶劣气候条件下比单纯的人工湿地更能保证出水水质。本工艺通过合理选择植物可适应整个华南区域。
参考文献：
[1] 李文奇、曾平、孙亚东,人工湿地处理污水技术[J].中国水利水电出版社，2009.12：109。
[2] 吴振斌，复合垂直流人工湿地[J].科学出版社，2008.10：209-210。
[3] 崔理华、卢少勇，污水处理的人工湿地构建技术[J].北京：化学工业出版社，2009.4：224-226。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。