云南建筑/本期特稿/YUNNAN ARCHITECTURE/SPECIAL ARTICLES 2023.6
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抗疫战之后乡村振兴的发展离不开污水整治，现阶段，人工湿地技术发展日趋成熟，参考以往云南农村地区人工湿地工程设计案例，建设性提出讨论一种适用于地势高差大零运行成本的农村地区无动力人工湿地处理模式，其工艺流程为”人工格栅—沉砂池—厌氧调节池—跌水曝气台—垂直下行流一级人工湿地—垂直上行流二级人工湿地—出水渠”，该处理系统模式利用重力流处理污水，可做到全程无动力，零运行成本，对解决因运行成本无来源，导致污水处理设施空置无效问题，具有一定指导意义。希望针对地势高差大的农村地区的污水处理，能够提供一些帮助。
坡地 农村 人工湿地 无动力
2020年11月23日，贵州省宣布所有贫困县全部脱贫摘帽后，标志着全国范围内的脱贫攻坚目标任务已经完成。经历三年艰难抗疫，现阶段要实现乡村振兴，稳定和谐发展，则需要农村基础设施的完善，而其中关于农村风貌的一环，最关键的就是农村污水的整治。由于当前很多农村地区缺乏适宜的污水处理设施，该类污水成为了主要的农村面源污染源，对周边水环境造成了严重威胁[1]。针对农村污水排放量较少、水质水量波动较大、且有很大不确定性的特点，行业内发展了较多的污水处理技术，其中人工湿地因其低耗高效、易操作维护以及景观价值高[2] 、且有一定的经济价值，十分适用于我国农村生活污水的处理。人工湿地的类型较多，包括表面流人工湿地（SFCW）、水平潜流人工湿地（HFCW）、垂直人工湿地（VFCW）、波形潜流人工湿地（W-SF⁃CW）、潮汐流人工湿地（TFCW）、复合垂直流人工湿地（IVFCW） 等类型[3-5] 。最为常见的单级人工湿地技术是SFCW、HFCW、VFCW[23] 。每种技术各有缺点：表面流人工湿地（SFCW）占地面积很大，污水处理效果不佳，卫生条件较差，易产生臭味，容易受到环境气候影响，适用场景少；水平潜流人工湿地（HFCW）控制相对复杂，占地面积大，对污水的氨氮硝化和除磷效果不及垂直流人工湿地；垂直流人工湿地（VFCW）应用最为广泛，垂直流人工湿地可分为垂直上行流人工湿地和垂直下行流人工湿地，垂直上行流人工湿地复氧能力较差，有机物的去除效果较差，易出现氨臭现象，垂直下行流人工湿地容易导致积水，有机物去除效果较差。经过行业的发展和研究，垂直流人工湿地被广泛认为是较为可靠的人工湿地技术，但是单级的CWs系统对污水的净化能力有限，难以满足高效去除多种污染物的现实需求[6-7] 。研究工作过程中，往往需要结合各种人工湿地技术的优缺点，组合多种人工湿地系统，发挥其优点，减少缺点的影响。本研究参考以往云南地势高差大的农村某地人工湿地工程设计案例，提出一种适用于地势高差大的农村无动力人工湿地处理系统。该系统采用了A/O法结合独特垂直流人工湿地的工艺，预计能达到比工程设计案例更好的处理效果。系统可通过物理（沉积和挥发）、化学（基质吸附）和生物（植物吸收与微生物作用）等多种途径的协同作用去除水体中的污染物[8] 。1 进出水水质
农村生活污水主要包括了洗涤淋浴废水、厨房废水、厕所污水。云贵川地势高差大的农村地区的居住人口密度低，作息时间规律，污水的污染负荷低、可生化性强、水量集中在早中晚饭时间。进水水质参考云南省农村生活污水治理模式及技术指南（试行）的取值，设计进出水水质见表1[9]。![]()
根据实际情况，设计出水水质需要同时满足云南省地方标准《农村生活污水处理设施污染物排放标准》（DB53/T953-2019）三级标准和《农田灌溉水质标准》（GB5084-2021）。2 处理工艺流程
根据以往云南地势高差大的农村某地人工湿地工程设计案例，结合国内农村污水处理实际状况[10-15]，改进案例中的工艺流程，提出一种无动力，零运行成本的工艺方案参考。处理工艺为人工格栅—缺氧沉砂池—厌氧调节池—跌水曝气台—垂直下行流一级人工湿地—垂直上行流二级人工湿地—出水渠。工艺流程图见图1。图1 人工湿地处理工艺流程图
3 处理技术
3.1 组成
本技术主要部分有：1）钢混盖板；3）人工格栅井；5） 缺氧沉砂池；6） 厌氧调节池；7） 跌水曝气台；9） 垂直下行流一级人工湿地；10） 垂直上行流二级人工湿地；13）出水井。3.2 技术原理
处理过程：污水经过污水管网收集后，排至3（人工格栅井），经过2 （5mm 不锈钢格栅） 过滤大型垃圾，漂浮物等，过滤后，污水进入5（沉砂池），经5（沉砂池）沉淀大颗粒污染物后，进入6（厌氧调节池），厌氧处理后，污染物部分降解，厌氧菌大量繁殖，有利于反硝化菌进行反硝化作用，降低部分TN。污水经过6（厌氧调节池）后，接7（跌水曝气台），跌水曝气增加水中溶解氧气后，好氧菌大量繁殖，有利于聚磷菌过剩摄取TP，降低污水部分TP。经过8 （配水孔管） 进行均匀配水后，进入9（垂直下行流人工湿地）和10（垂直上行流人工湿地），经过9（垂直下行流人工湿地）和10（垂直上行流人工湿地）物理、化学、生物多重作用处理，水质达到农田灌溉标准后，通过12（出水管）回用灌溉农田。运维、反冲洗过程：反冲洗可采用高处山溪引来的清水，需要冲洗时，通过控制14（阀门），山溪经过11（阀门）进入人工湿地。当发生污水大量排放的事故时，通过控制14 （阀门），污水经15（超越管） 后临时排放。农村污水量一般不大，但当污泥量过多时，通过控制14（阀门），污泥经16（人工排泥管） 排至预定位置进行堆肥处理后可农业回用。针对地势高差大的农村地区可做到全程重力处理，零运行成本。技术原理图见图2。图2 人工湿地技术原理图
3.3 可替换部分
1）种植水生植物17可采取轮作方式，春季可以是芦苇、香蒲、菖蒲、旱伞草、美人蕉、灯芯草、茭白等，冬季可种植黑麦草、水芹、水葱等耐低温植物[24] ，可以选择适宜的各类水生植物混合种植。另外也可采用其他适宜的水生植物类经济作物，增加农村居民的收入。2）滤层18可以是各种具有透水性的基质分层布置，垂直流人工湿地一般随水流方向分为排水层、过度层和滤料层，排水层粒径为8mm ~16mm 的砾石构成，厚度为200mm ~300mm ；过渡层由4mm~8mm的滤料组成，厚度为100mm~300mm ；滤料层一般由粒径0.2mm ~2mm 之间的粗砂构成，厚度为500mm ~800mm 。滤层填料可由相同粒径的石灰石、矿渣、蛭石、沸石、高炉渣、页岩、碎砖瓦、加工筛选后的混凝土等材料进行替换。3）含磷废水（如洗衣废水）浓度过高时，可在人工湿地的中端或末端换上级配相同的吸磷填料（如含钙含镁较多的石膏、粉煤灰陶粒、蛭石、石灰石等）。4 讨论与分析
实际上流入的污水经过了三次污水处理，第一段是格栅池和沉砂池的物理过滤沉淀，去除大型垃圾和大颗粒污染物；第二段A/O法，去除一部分有机物并加强脱氮除磷；第三段人工湿地，具有物理、化学、生物三种作用，比单一人工湿地更有效去除污染物。传统的单级垂直流人工湿地（VFCW） 对COD的去除率为59.8%，对TN和NH4+-N的去除率为44.6%、66.2%，对TP和PO43 --P的去除率为49.1%、34.8%[16-20] 。采用传统的单级垂直流人工湿地，对COD、TN、TP的去除率很难达到要求。工艺利用坡地高差优势，垂直下行流人工湿地末端用配水主管和支管引导水流至垂直上行流人工湿地的底部，采用独特的结合方式，将两者连接在一起，可在一定程度上解决下行流人工湿地容易堵塞填料缝隙，导致积水的问题和上行流人工湿地复氧能力较差，造成水中溶解氧浓度低，去除效果差的问题。根据设计进出水水质对比，SS去除率需达到72%，COD去除率需达到60%，TN去除率需达到50%，TP去除率需达到50%。单独采用人工湿地处理技术，TN和TP不易达到出水水质要求，仍有TN约5.4%，TP约0.9%的去除率空缺。工艺采用A/O法结合垂直下行流和上行流人工湿地的方法，加强脱氮除磷效果，据相关文献表明[21-22] ，A/O法对TN去除率约为49%到70%之间，对TP去除率约为60%到85%之间，但由于工艺实现全程重力流处理，污泥回流比只能为0，脱氮除磷效果不如正常的A/O法，不过TN、TP的去除率空缺较少，工艺的TN、TP的去除率预计能够达标。对于本工艺的经济性方面，可以做到全程无动力，重力自流完成污水处理，只需定期进行格栅、沉砂池、厌氧池人工控制阀门排泥或清掏以及定期的用山溪自流水进行反冲洗，运行简单，成本低，可操作性强，易于达到预期效果。工艺运行可靠村民轮流检查清理，做到了零运行成本。另外人工湿地种植植物可采用适宜的水生植物类经济作物，增加农村居民的收入。为防止污染地下水，人工湿地及其构筑物底部应增设土工布进行隔绝，钢混池壁和池底应做好防水层。剩余污泥和处理的尾水均可农业回用，是一种健康的污水处理模式，有利于降低污染物对环境的危害，改善农村周边水环境质量，提升农村人居环境质量。5 结语
现阶段，农村采用人工湿地技术日趋成熟，工艺组合层出不穷。云南农村地区多高山，在污水处理方面具有天然的高差优势，针对该地貌特点，结合以往云南地区人工湿地工程设计案例，提出一种全程处理无动力，零运行成本的人工湿地处理工艺模式，在地势高差大的农村地区实现该工艺，有利于抗疫战之后乡村振兴的快速发展。有效避免了以往工程经验中因运行成本无来源，导致污水处理设施空置无效，造成浪费还无法解决实际问题的现象。该工艺无动力、零运行成本的可持续性健康发展模式，有利于响应国家大力推广”双碳”发展战略，有助于美丽乡村、智慧乡村、低碳乡村的建设，实现经济效益、环境效益、社会效益和谐统一。[1] 戚韩英，金建，蔡建华，等.中国农村生活污水处理技术现状分析及评价[J].环境与发展，2019，31（4）：82，84.
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【作者信息】
王少华，云南省设计院集团有限公司，高级工程师
朱家廷，云南省设计院集团有限公司，助理工程师
黄 啸， 云南省设计院集团有限公司，高级工程师
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