邢 欢，武毛妮，白露露，石春萌，陈 瑞，杨涵玉
(西京学院电子信息学院，陕西 西安 710123)
近年来，随着 “社会主义新农村建设”、“提升村容村貌”、“建设美丽乡村”等农村环保政策的推进，我国农村环境问题得到了一定程度的改善。据统计，村级污水处理率达43.24%，镇级污水处理率达56.76%，但是与“十三五”规划中农村污水处理率大于60%的目标还有一定的差距。
所以，开发一套适合城镇化程度低、经济水平低、住户稀疏的偏远落后农村污水处理设施是推进新农村建设的当务之急，满足污水处理需求的同时，还要满足运行费用低，符合美丽乡村建设的要求。
湿地作为“地球之肾”，有净化和处理自然水体的功能。人工湿地是与沼泽地类似，模拟天然湿地而人工建造的湿地，人工湿地以其独特的优越性受到了越来越多的关注与发展[1-2]。人工湿地在农村区域的作用效果较好，它是应用生物技术进行污水净化，处理效果好，运行费用低，同时具有特色的生态景观效应[3-6]。然而传统的人工湿地在后期运行过程中，随着污染物沉积过量导致湿地堵塞现象普遍存在[7-8]，有研究表明，模块化人工湿地可以提高水力效率，缓解堵塞问题[9]。对于农村地区，非常适合利用人工湿地进行生活污水处理工艺，采用工厂预制模块化人工湿地，现场安装调试，运行中遇到问题，可快速更换人工湿地模块，恢复其处理功能。模块化人工湿地具有安装方便，出水水质稳定，无运行费用，同时兼具景观效应。
对于污水管网未覆盖或者管网成本较高的农村，分散式污水处理方式比较受欢迎。一般是单个家庭或者相邻几个家庭为处理规模，利用生物接触氧化、A2O、净化槽、稳定塘、人工湿地、膜生物反应器等较成熟的处理工艺。这些工艺中除了人工湿地、净化槽、稳定塘外，其他的都需要动力设施，不仅成本高，而且后期运行费用(主要是电费)难以承受。净化槽安装运行费用过高，并且运行维护存在一定的困难，稳定塘后期的维护同样比较困难，同时稳定塘存在安全隐患，不适合农村家庭单独建造使用。相比于其他污水处理技术，人工湿地对污水的净化处理、运行和维护成本极低。人工湿地技术可以去除悬浮物质，内部布设的湿地基质、微生物及植物有脱氮除磷的效果，湿地植物可以增加景观效应。
然而人工湿地对进水水质有一定的要求，污水需进行初级处理之后，人工湿地技术作为深度处理工艺。污水资源化是污水处理的理想去处，农村污水通过生态(人工湿地)处理技术就地利用，污水中的营养物质返回到农田中，形成农村环境良性的循环发展。综合考虑，农村污水处理，尤其是偏远，经济落后农村的污水处理，需要简单而经济的处理设备，技术成熟的厌氧生物池结合人工湿地技术，出水可达农田灌溉水质标准，就地资源化。
独立式农村污水处理设备是基于人工湿地技术，用于农村住户的污水处理及回收利用的装置。工艺流程图如图1所示，由厌氧生物池、人工湿地系统、集水池等构成，厌氧生物池投加厌氧菌对污水初级生物处理，人工湿地采用快速渗滤湿地过滤杂质后进入模块化潜流人工湿地中，出水暂存在集水池中，供住户浇灌喷洒使用。
图1 污水处理工艺流程图Fig.1 Process flow chart of wastewater treatment
如图2所示，厌氧生物池由三格池组成，第一格进水进行自然沉降，上清液自流入第二格，厌氧生物菌对污水进行生物降解，由底部过水孔流入第三格，穿过碎石带，自流入快速渗滤湿地，进一步去除水中杂质，随后流入一、二级潜流人工湿地，通过上部植物作用及内部的基质及碎石共同作用，达到污染物去除作用，符合再生水利用标准。整个污水处理工艺流程无动力设施，水流均为自流。
图2 厌氧生物池示意图Fig.2 Schematic diagram of anaerobic biological pool
图3为快速渗滤湿地的剖面图，主要目的是过滤厌氧生物池中的固体悬浮物，避免堵塞后续的人工湿地系统，通过沸石及碎石的过滤及吸附作用去除污染物质。
图3 快速渗滤湿地示意图Fig.3 Schematic diagram of rapid percolation wetlands
图4为模块化人工湿地示意图，湿地类型为潜流式，尺寸为2.0 m×2.0 m×1.2 m。模块化人工湿地通过湿地介质、湿地微生物及湿地植物的共同作用去除水中的污染物质，使出水达标排放。
图4 模块化人工湿地示意图Fig.4 Schematic diagram of modular constructed wetland
图5 水质监测结果图Fig.5 The water quality monitoring results
本设备的开发是以一个农村住户为单位，以家庭成员5口人为例，设计污水处理量为1 m3/d，如表1所示。污水来源主要为居民生活污水，本设计出水执行《农田灌溉水质标准(GB 5084-2021)》中的各项指标。
表1 生活污水量预测Table 1 Domestic wastewater quantity prediction
独立式农村污水处理设备由四部分组成，分别是厌氧生物池，快速渗滤湿地、模块化垂直潜流人工湿地及集水池。设备的四部分均为玻璃钢材质，为工厂预制生产，现场安装调试后试运行。
3.1 厌氧生物池
水力停留时间为24 h，有效容积为1 m3，厌氧填料Φ50 mm。如图2所示，厌氧生物池由三格池组成，体积比为3∶3∶2。有效水深0.5 m，尺寸为1.0 m×2.0 m×1.0 m。厌氧生物池是污水的初级处理阶段，通过沉淀、生物降解及碎石过滤的作用去除污水中的污染物质。
3.2 快速渗滤湿地
设计尺寸为1.0 m×1.0 m×0.6 m，湿地类型为垂直流式，水力负荷为1m3/m2·d。填料级配参数如图3所示。快速渗滤湿地主要通过沸石及碎石过滤水中的悬浮固体物，保障人工湿地系统的正常运行。
3.3 模块化垂直潜流人工湿地
设计规模为2.0 m×2.0 m×1.2 m，数量为1块，水力负荷为0.25 m3/m2·d，水力停留时间为1.52 d，基质高度0.95 m，填料孔隙率40%，超高0.25 m。湿地植物为芦苇、水烛、茭白、美人蕉、千屈菜、菖蒲、鸢尾等，种植密度为9株/m2，根据个人喜好选择种植。人工湿地系统在去除污染物的同时，增加了景观效应。
3.4 集水池
设计尺寸1.0 m×1.0 m×1.0 m。玻璃钢材质，工厂生产，预留管孔，现场安装。集水池主要收集出水供农村随时使用。
独立式农村污水处理设备，以人工湿地技术为核心，实现农村污水的独立式处理，成本低廉、处理效果好，达到经济效益、环境效益及社会效益，三效合一。
4.1 功能分析
厌氧生物池结合人工湿地技术可以满足农村污水处理要求，设备运行半年时间，出水水质稳定，CODCr含量在88.83～83.60 mg/L之间，BOD5含量在39.84～36.18 mg/L，SS含量在58.45～53.27 mg/L，出水水质达到《再生水水质标准》(SL368-2006)中《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)。
4.2 成本分析
设备池均采用预制玻璃钢，现场安装，设备成本低廉，运行过程中，人工定期清理厌氧池，农户居民即可完成，无需额外费用支出。
以1 m3/d的污水处理量为例，设备费为1 222元，其中厌氧生物池60元，快速渗滤湿地60元，模块化人工湿地400元，集水井50元；
土方开挖需172元；
土工布300元，管材管件150元，湿地植物需30元。设备运行中无需人员看护，定期清理厌氧池，利用集水池中的出水喷洒浇灌，运行费用为0元/m3。
4.3 效益分析
独立式农村污水处理设备的开发与利用实现经济效益、环境效益及社会效益。经济效益，人工湿地出水就地利用实现污水资源化，可浇灌花草树木，亦可灌溉农田，营养物质N、P等可被植物所吸收利用；
环境效益，人工湿地中的植物可以提升农村景观，实现家家有花园，提升村民的幸福感；
社会效益，项目建成后，农村环境面貌大大改善，可逐渐提高村民的环保意识，对建设和谐社会、美丽乡村及新农村建设做出贡献。
设备实施可以实现环境效益、经济效益及社会效益，三效合一，对于改善农村村容村貌、新农村建设有着较大的推动作用。
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