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藤县永平小流域农村污水处理人工湿地设计

发表时间：2021/6/7 来源：《基层建设》2021年第2期作者：邓文龙

[导读] 摘要：本文介绍了藤县永平小流域污水处理设计基本情况，通过处理模式的选择、处理规模的确定、人工湿地的布置、工艺选择、结构设计、植物选择等论述了农村污水处理人工湿地的设计，对工程的实施及类似工程的设计具有借鉴意义。

        广西桂禹工程咨询有限公司广西南宁 530023
        摘要：本文介绍了藤县永平小流域污水处理设计基本情况，通过处理模式的选择、处理规模的确定、人工湿地的布置、工艺选择、结构设计、植物选择等论述了农村污水处理人工湿地的设计，对工程的实施及类似工程的设计具有借鉴意义。
        关键词：农村污水；人工湿地；污水处理
        前言：目前，农村经济发展迅速，农民生活水平大为提高，但是农村环境建设与经济发展不同步，其中水环境污染问题尤为严重。未经处理的生活污水随意排放，导致沟渠、池塘的水质发黑变臭，蚊虫滋生，影响农村人居环境及威胁居民的身体健康，同时会造成饮用水水源污染以及湖泊、水库的富营养化。
        1 农村生活污水的特征
        水量小、排放分散、水质复杂。农村地区的居民日常生活较为简单，农村居民人均用水量远低于城市居民，农村地区生活污水的人均排放量也远低于城市生活污水的排放量。农村地区房屋具有较大的随意性，缺乏合理的总体布局规划，导致农村的生活污水排放变得极为分散。农村地区缺乏垃圾收集、处理设施，农村生活污水除了居民的家庭活动用水外，还混有垃圾堆放产生的污水和高浊度的雨水径流等，汇集的污水水质成分复杂。
        2 藤县永平小流域农村污水处理设计
        2.1 污水收集处理模式
        根据《西南地区农村生活污水处理技术指南》、《村镇污水处理适用技术》和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）。适合农村特点的污水处理模式主要为集中处理模式和分散处理模式两种。
        （1）集中污水处理模式
        集中处理模式是将农户产生的污水进行统一收集，集中建站处理。集中处理模式的优点主要有占地面积小、抗冲击能力强、便于管理、出水水质好等，缺点是连接管线长，埋深大，管网投资高。集中式污水处理系统要有完善的管网收集系统。该种模式适用于农村布局相对集中、人口较多、规模较大、经济条件较好的单村或联村污水处理。
        （2）分散污水处理模式
        分散污水处理模式主要适用于分散居居住农户的生活污水处理。在人口密度较小的农村，几户、几十户村民相对集中住在一起，与周围村落相距较远，宜采用就地分散处理模式。分散污水处理模式的优点：灵活、施工简单、管线短、埋深浅。缺点是建站多、管理不方便、建站投资大。适用于布局分散、规模较小、地形条件复杂、污水不易集中收集的地区。
        根据流域内村小组人口及生活污水规模，确定分散污水处理模式更适合永平小流域内村庄分部特点。因此，藤县永平小流域生活污水处理设计采用分散式污水处理模式。
        （3）污水收集系统
        根据现场调查，设计针对村庄内村民生活污水（厨房污水、洗涤污水）和牲畜污水进行全面收集，按照流域内村庄实际情况，新建排污主沟道。
        在排污管污水收集系统中，将排污沟分为2类：Ⅰ级排污沟、Ⅱ级排污沟，其中Ⅱ级排污管主要用于收集农户出户污水；Ⅰ级排污沟为连接各农户出水的沟道，是村内主要排污管网，用于收集Ⅱ级排污沟内污水，将其汇集至人工湿地进行处理。在Ⅱ级排污沟与Ⅰ级排污沟交汇处设置污水收集井。
        2.2 污水处理设计规模
        污水量计算：根据农村生活污水现状情况分析及计算，计算的永平小流域内日排污水总量为414.83m3，高滩屯日排污水总量为120.9m3，人均排污量为75L/p.d。
        根据污水收集沟渠完善的情况及污水回流区域，取污水收集率为80%，则永平小流域高滩屯总污水排放量96.72m3/d，地下水渗入量按生活污水量的15%计算，则最终测算污水量为82.21m³/d。
        2.3 污水处理技术选择
        （1）选择原则
        ① 农村污水处理宜根据排水要求选择技术及其适宜的组合工艺。
        ② 农村污水治理按规模可分为散户（单户或多户）和村庄污水治理，在进行技术选择时宜根据污水处理规模选择适宜的技术。
        ③ 对于便于统一收集污水的村落，经技术经济和环境评价后，宜采用村落集中处理污水。
        ④ 按污水处理目的，可按以去除COD为目的污水处理设施和污水站以及以去处氮、磷为目的污水处理设施和污水站进行分类。
        ⑤ 污水处理工程控制措施不仅要满足村民对水质改善的需求，而且还要注重景观美化。
        ⑥ 宜利用地形，污水采用重力自流和跌水充氧，节省运行费用。
        （2）农村生活污水处理技术选择
        根据《西南地区农村生活污水处理技术指南》以及广西区内农村生活污水处理成功经验，结合流域内村庄实际情况，通过对几种污水处理技术的适用范围、工艺、占地面积、工程造价、运行费用和污水处理量等方面进行比较分析，并根据村庄所处区位、人口规模、集聚程度、地形地貌、排水特点及排放要求、经济承受能力等具体情况，再结合村屯特点，选择适宜的污水处理技术。确定高滩屯污水处理技术为：
        污水按地势分片区汇流收集后，在排水出口新建人工湿地进行污水处理。污水经人工湿地处理满足排放要求后，经沉沙池汇入下游河沟。
        2.4 污水处理人工湿地单项设计
        （1）厌氧池
        为提高处理效果，在污水进入湿地前，通过厌氧池进行预处理，在厌氧池内发生沉淀、水解、酸化、发酵等作用，减少污水中的固体废弃物、悬浮物、有机物大分子、COD，减轻湿地处理负担，提高污水处理效率。
        根据污水处理模式，设计在村屯排污管出口处布置厌氧池1口。厌氧池设计规格为：长×宽=3.0m×1.5m，深2.0m，上部加混凝土盖板，采用浆砌砖砌筑，底板采用C20砼浇注20cm。并配套设置检查井，检查井的尺寸为50×50×50cm，共设置检查井1个。
        （2）人工湿地
        根据污水处理设计规模及处理技术模式，设计按照流域内地势分布情况，在各污水出口设置分别湿地1处。具体设计如下：
        ① 湿地选址
        根据地势走向与可用地情况，本项目经实地踏勘，与村委会、村小组代表进行协商，最终确定了人工湿地的选址，即高滩屯现有的3处水塘。
        ② 水质目标
        设计进水水质：本项目主要处理村落生活污水和初期雨水，总体污水浓度不高，通过类比其他地区村落污水水质，综合确定进水水质。
        设计出水水质：该村污水处理水排入河流，根据下游河流水功能区划确定生活污水经处理后出水水质目标为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标。
        ③ 工艺流程
        针对村屯特点，采取生态措施对生活污水进行处理，充分考虑地形特征，兼顾区域的生态恢复功能，同时起到美化环境作用，采用强化预处理+高效垂直流人工湿地工艺对生活污水进行处理。
        工艺流程为：村落污水由排污管收集后，进入厌氧池，污水经沉淀、重力作用、拦截、水解、酸化、吸附、絮凝等作用去除悬浮态污染物后，进入集水槽，使得污水均匀进入湿地，由潜流湿地沉降和吸附，污水重新布水经过表流湿地，通过生物助凝、吸附、周丛生物（包括微生物）降解、植物营养盐吸收、微生物同化等机制净化污水，大大提高对污染物处理负荷，并利用根部形成的高生物量的生物膜、内部小生态系统和植物自身吸收作用等去除污水中的有机污染物及N、P 营养物质，最后出水进入蒙江。
        植物残体收集后堆放于系统旁的单室沤肥池，进行简易堆肥处理后施于附近农田；打捞沉砂、淤泥、垃圾运至垃圾收集房清运处理。
        ④ 工艺参数确定
        根据《人工湿地污水处理技术导则》（RISN-TG006-2009）、《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005-2010），设计按照25m3/d进行设计，对其参数进行确定。
        人工湿地面积：按5日生化需氧量表面有机负荷确定，同时应满足水力负荷要求，按下公式计算。
        As=（Q×（lnCo－lnCe））/（Kt×d×n）（公式5.4）
               式中：As—湿地表面积（m2）
        Q---处理流量（m3/d），本工程取值为25m3/d。
        Co为进水BOD（mg/l），为50mg/l。
        Ce为出水BOD（mg/l），为8mg/l。
        Kt为与温度相关的速率常数，Kt＝1.014×（1.06）（T－20），T假定为25，则Kt=1.357。
        d为介质床的有效深度，一般从0.2－0.8m不等，项目取0.3m。
        n为介质的孔隙度，一般从10－40％不等，项目取20%。
        经计算，25m3/d规模对应的湿地面积为560m2。分四级水池，每个水池平均面积取140m2。
        水力停留时间：计算公式：t=v×ε/Q
        式中 t：水力停留时间（d）
        v：池子的容积（m3）（按各池平均值取即140m3）
        ε：湿地孔隙度，湿地中填料的空隙所占池子容积的比值，需实验测定；本项目按20%计，
        Q：平均流量（m3/d）
        则：各规模水力停留时间（d）=1.12d=26.88h。
        水力负荷计算：按公式 HLR=Q/As 计算。则HLR=0.179m3/m2.d。
        ⑤ 平面布置设计
        工程进水分别经过厌氧池－布水槽－一级潜流湿地－二级潜流湿地－一级表流湿地－二级表流湿地。工程区内以漂浮植物与挺水植物相结合，既净化污水，又通过植物的季节变化营造景观特色。
        ⑥ 高程设计
        高程设计包括场地高程及运行水位高程，运行水位高程的确定与进水标高及接纳水体水位有关。根据现场勘察情况，确定场地高程设计见表1，运行水位高程见表2。
        表1 湿地各组成场地高程设计表单位：m

表2 湿地各组成场地运行水位高程设计表单位：m

        ⑦ 结构设计
        进出水系统的布置：湿地床的进水系统应保证配水的均匀性，一般采用多孔管和三角堰等配水装置。进水管应比湿地床高出0.2m。湿地的出水系统一般根据对床中水位调节的要求，出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门以调节床内的水位。
        填料的设置：水平表面流湿地床由两层组成，表层土层，厚0.4m，砾石层铺设厚度0.2m，总厚度0.6m；潜流湿地床由三层组成表层土层、中层砾石、下层小豆石（碎石），钙含量在2~2.5kg/100kg为好；土层0.4m，砾石层铺设厚度0.5m。下层铺设厚度0.3m，总厚度1.2m，人工湿地填料主要组成、厚度及粒径分布见下表。
        表3 人工湿地填料分析表

        ⑧ 植物选择
        选择原则：植物应具有良好的生态适应能力和生态营建功能，筛选净化能力强、抗逆性相仿、生长量较小的植物，减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多困难，一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物；植物应选择具有很强的生命力，具有抗冻、抗热、抗病虫害能力，对周围环境的适应力强，具有较强的耐污染能力的水生植物；所选择的植物不对当地的生态环境构成威胁，具有生态安全性，具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值。
        根据植物的原生环境分析，原生于实土环境的植物如美人蕉、芦苇、灯心草、旱伞竹、皇竹草、芦竹、薏米等，其根系生长有向土性，可配置于表面流湿地系统和潜流湿地土壤中；水葱、野茭、山姜、藨草、香蒲、菖蒲等，由于其生长已经适应了无土环境，因此更适宜配置于潜流式人工湿地。
        根据植物对养分的需求情况分析，由于潜流式人工湿地系统填料之间的空隙大，植物根系与水体养分接触的面积要较表流式人工湿地广，因此对于营养需求旺盛、植株生物量大、一年有数个萌发高峰的植物如香蒲、菖蒲、水葱、水莎草等植物适宜栽种于潜流湿地；而对于营养生长与生殖生长并存，生长缓慢，一年只有一个萌发高峰期的一些植物如芦苇、茭草等则配置于表面流湿地系统。
        按照人工湿地植物配置方式，结合流域所处地区实际和适生植物分析，确定植被配置及规格为：湿地总体植物布置方式为：集水槽布置漂浮植物水白菜、水芹菜，表流湿地布置马蹄莲、萍逢草、慈姑等；高效垂直流湿地布置美人蕉、千屈菜、香蒲和风车草；湿地外侧布置柳树与杜鹃。
        结语：
        本项目通过对污水来源、分布的分析，确定了适合藤县永平小流域的污水收集处理模式，通过对污水量的计算、村屯实际情况分析确定了污水处理设计规模和处理技术，并结合以上内容进行人工湿地工艺、参数、布置、结构等的设计。
        参考文献：
        [1]西南地区农村生活污水处理技术指南（试行）[S].
        [2]GB 18918-2002，城镇污水处理厂污染物排放标准[S].
        [3]RISN-TG006-2009，人工湿地污水处理技术导则[S].
        [4]HJ 2005-2010，人工湿地污水处理工程技术规范[S].