移动式污水处理设施在农村面源废水处理中的应用

蒋 雅 蒋宏国

（1.湖南省永州生态环境监测中心，湖南 永州 425002；2.永州市生态环境局，湖南 永州 425002）

1 研究背景

村民乱排放污水，不仅破坏了农村环境，而且对流经的河流造成了严重的污染。目前，大部分乡村的沟塘、水库富营养化现象严重，全国各地水污染事件不断发生。尽管近年来国家在水污染治理上投入了大量的财力、物力，取得了一些较好的成绩，但区域性的水环境问题依然较为严重。《2020 年中国生态环境状况公报》显示，在开展营养状态监测的110 个重要湖泊（水库）中，贫营养状态湖泊（水库）占9.1%，中营养状态湖泊（水库）占61.8%，轻度富营养状态湖泊（水库）占23.6%，中度富营养状态湖泊（水库）占4.5%，重度富营养状态湖泊（水库）占0.9%，其中太湖、巢湖、滇池均属于污染型湖泊。对太湖、巢湖、滇池富营养化的成因进行分析，发现造成水体富营养化的污染源主要来自生活污水和农田的氮、磷流失，工业废水对总氮（TN）、总磷（TP）的贡献率占10%～16%。大部分水源地、生态保护区、风景名胜区等需要重点保护的水环境敏感目标在郊区，农村水环境质量状况对这些重要区域影响巨大。因此，整治农村水环境至关重要。

目前，我国主要湖泊90%以上已处于中营养和富营养状态，而氮磷污染已成为一些重要湖泊的主要污染问题［1-2］。广大农村区域的水污染主要是面源污染，具有点多面广、收集困难、雨污分流困难、总体上化学需氧量（COD）浓度偏低及以有机污染为主等特点，而城镇污水具有相对集中、COD 浓度相对较高、收集相对容易等特点。对农村污水的处理不能照搬城镇污水治理的思维方式和技术，需探索出与处理农村污水相匹配的技术和方法。

2 我国农村水污染处理设施发展现状

在我国农村经济发展过程中，大量的工业废物、生活废物、畜禽养殖排放废物等对农村生态环境造成了严重破坏。其中，水体污染在农村环境污染中显得尤为突出，水污染事故时有发生，不仅导致粮食减产，而且直接威胁着广大农村地区农民的身体健康，制约了农村经济的发展。因此，对于农村水污染问题必须高度重视，并采取有效的治理措施。如何有效解决广大农村区域以有机物为主的分散型污染问题，成为“十四五”期间乃至今后几年十分重要的课题。

广大农村地区的水环境污染问题已引起相关部门的高度重视，湖南省已将农村污水的治理作为污染防治攻坚战中“夏季攻势”的重要内容。为了指导农村污水治理，原中华人民共和国环境保护部于2013年11 月11 日发布了《农村生活污水处理项目建设与投资技术指南》等指导性文件，用于指导全国农村污水治理。近年来,各地治理农村污水的积极性很高，在农村污水治理方面做了大量的工作，配备了许多污水处理设施。但许多地方对该文件理解不透，没有进行深入研究，只是照搬我国城镇污水处理厂的做法，建成了许多乡镇级及村级的集中式污水处理厂，并建设长距离的污水收集管网，把污水引到污水处理厂进行处理。同时，多采用投资较高的生化处理方法，如传统活性污泥法（包括A/O、A2/O）、氧化沟法、生物接触氧化法等。而多年的实践表明，当前我国集中式的污水处理厂存在投资大、运转费用高等问题［3］。调查显示，在乡镇及村级建设集中式的传统生化处理厂，出现了以下5 种问题。一是由于管网建设费用高，污水处理厂虽已建成，但管网不配套，致使污水难以收集到污水处理厂处理，从而出现了许多“晒太阳”工程。二是即使投入大量的资金建设了相当长距离的污水收集管网，但因管线长，经过的农村地区地形、地质结构复杂，由于垮塌、泥石流等地质灾害导致管网毁损严重，维护困难，后期难以正常运行。三是由于农村区域辽阔，在现有财力状况下，难以同时建设雨水管网和污水管网（农村区域往往雨污合流），加之农村区域污水管网容易破损等，导致雨污分流困难，污水处理厂进水的COD 浓度偏低，污水处理厂的生化处理系统运行不畅。四是农村区域土地多是农田保护区，往往为了选一个集中式的污水处理厂地址大伤脑筋。据调查，为了避开农田保护区，往往要铺设本不必要的污水收集管道，从而增加不必要的投资和运维费用。五是集中式的传统生化处理厂建设不仅不能产生经济效益，而且运维费用较高，从而导致污水处理厂运行困难。因此，必须因地制宜，分地施策，采用切实可行的乡村污水处理思路和技术方法。

3 移动式污水处理设施在农村废水处理中的应用

3.1 移动式污水处理设施简介

所谓移动式污水处理设施，是相对于传统地址固定的污水处理设施而言的。移动式污水处理设施指的是可以移动的污水处理设施，具有体积小、可以组合分拆等特点，其所采用的处理工艺可根据地形、污水特点、水量和处理目标等条件进行设计、制作，且这种设施在一个地方使用后可以移到其他地方直接使用或做改动后继续使用，可以根据需要确定处理规模。移动式污水处理设施的表现形式多种多样，不论采用何种处理工艺，只要可以根据需要进行移动（小一些的可用人工移动，大一点可用机械移动），都可归于这一类。在广大农村地区常见的一种移动式污水处理设施为人工生态浮场。近年来，利用人工浮床栽种湿生植物治理富营养化水体的研究屡见报道［4］。采用可浮于水面的轻质材料，与植物、微生物菌膜、水体等形成人工生态浮场，通过吸附、吸收、转化、物理化学反应等过程处理废水。其处理废水的原理与人工湿地相似，可根据需要选用适宜的轻质材料与植物，还可根据需要驯化适宜的微生物菌团［5］。与城镇固定式的污水处理厂相比，移动式污水处理设施具有搬移方便、组合灵活、形式多样、循环利用、投资节省、容易维护和效益明显等特点。下面重点介绍的人工移动生态浮场是众多移动式污水处理设施中的一种。

3.2 人工移动浮床的试验

试验在湘南地区某农村的2 个污水池塘内进行，A 池塘面积约800 m2，A 池塘除下雨补水外，没有污水进塘，也没有污水流出，平均水深约1.4 m；B 池塘面积约800 m2，平均水深1.5 m，B 池塘每天有农业面源污水流入和流出，水位基本控制不变，水体处于流动状态。试验在2020 年6—8 月进行，每个池塘人工生态综合场栽培总面积约600 m2。试验期间气温高（日平均温度26 ℃以上），降水量较大，日照充足（每年平均的夏季日照时间达677.5 h），正是该地植物生长的最佳时期。

选用100 cm×100 cm×6 cm 的平板泡沫，将泡沫浸水面制成多孔蜂窝状，泡沫背水面按间距5 cm、孔径2 cm 打孔，植物栽种前60 d 将泡沫的浸水面浸在污水厂的兼性塘里，当蜂窝状的孔内挂满菌膜后开始栽种植物。在多年研究的基础上，选种水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹和狐尾藻6 种植物进行试验，20 d 后检测成活率，70 d 后收获植株，测定其生物量、池塘水质变化以及植物内的氮、磷含量等，试验结果见表1。

表1 植物的成活率及生长量

试验结果表明，所栽种的6种植物成活率均较高，水稻、美人蕉、空心菜、水芹和狐尾藻的成活率接近100%；处于流动状态池塘的植物成活率和生长量稍高；不同植物之间，水稻和空心菜的成活率较高，空心菜和水芹的生长量较大。在A 池塘中水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹和狐尾藻从水中吸收的总氮量分别为 7.047、2.090、4.891、4.352、6.654、5.626 kg，水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹和狐尾藻从水中吸收的总磷分别为0.856、0.200、0.693、1.091、0.823、0.627 kg。在B 池塘中，水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹及狐尾藻从水中吸收的总氮量分别为7.946、2.738、5.696、14.898、7.182、6.143 kg，6 种植物从水中共吸收总氮量44.603 kg；从水中吸收总磷量分别为 1.092、0.280、0.707、1.638、0.974、0.718 kg。

这几种南方常见植物对氮、磷的吸收量较大，同时对水体中的COD、生化需氧量（BOD5）等均有较大的降解作用。考虑到水体富营养化的主要限制因子是磷，因此以总磷量的净化效果来看，这6 种植物中芦苇、水稻、水芹的净化效果较佳。

3.3 人工移动生态浮场的实际应用

从环境角度来看，水体富营养化是由于水体中氮、磷等营养元素过度富集而导致水生生态系统初级生产力增加的一种异常现象；但从资源角度来看，水体营养也是一种农业资源。如何有效利用这些资源既是一种挑战，也是一种机遇。人工生态浮场栽培农作物的水上农业资源化治理富营养化水体模式是一种很好的选择。目前，人工生态浮场主要用于以下方面：一是直接应用于农村中低污染的面源处理，如富营养化的池塘、水沟、小河等；二是与其他方法结合，作为深度处理农村污染源一种有效技术，如利用狐尾藻生态场对养猪污水进行深度处理，利用空心菜生态场对牛蛙养殖污水进行深度处理，利用水芹菜生态场对小河污水进行处理等。

但在利用单一人工生态浮场时，发现了一些不足，如单一人工生态浮场难以将较差的水质（如劣V类水体等）在短时内处理达到Ⅲ类水体。在未来的研究中，需要从以下方面进一步提高这一技术的有效性：①强化研究的针对性，筛选出针对不同污染类别的特征植物，高效处理不同的污染水体，如目前的研究结果认为狐尾藻可作为养猪污水深度处理的首选植物；②研究植物与浮床菌团的共生、协同作用，利用不同的菌团匹配不同的植物，既要筛选出相匹配的植物和菌团，又要研究出支撑植物和菌团的浮床材料，如目前直接用塑料网（代替浮床）作为狐尾藻的支撑架，将植物和菌团固定在水面，减少了投资成本；③研究生态浮床与其他污水处理工程的结合方式，如将生态浮床与农村景观建设相结合；④研究这些植物作为食品或饲料的安全性，以进一步提高处理效果和实用价值。

4 结语

水体污染，特别是农村水域污染问题，是当今世界面临的最主要的环境问题之一，加强农村水环境治理十分重要。利用移动式污水处理设施对农村面源废水开展相关试验，结果表明许多植物对特定的污染物有不同的净化作用，而净化效率与浮床的材质、制作方式、培养的菌团、地理位置、气象条件、水体中的污染物类别及浓度等有关。在实际工程应用中可因地制宜，将污水处理、植物生产、景观建设等有机结合起来。未来应针对不同地区、不同类型的污水，研究出灵活多样的高效移动式污水处理设施，并通过不断实践，总结出每种设施的最佳工艺参数，高效解决农村的水污染问题，以取得较好的环境效益、生态效益和经济效益。