人工濕地處理農村污水的探討

虞啟義 全曉泉

近年來，農村經濟的快速發展，農村污水排放量迅猛增加，而據統計，截至2006年，我國96%的農村沒有污水處理設施，基本處于空白［1，2］，這些加劇了我國水體污染和富營養化。目前，城鎮污水處理主要依賴于傳統模式的集中式或點式水處理工藝，但對于廣大農村地區，由于經濟實力及技術手段的欠缺，位置偏僻，缺乏公共的排水管網，顯然無法照搬城鎮的污水處理系統。

人工濕地污水處理系統因其建設費用少，運行成本低，操作簡便，易于管理等優點，很適合在我國廣大農村應用，特別對當前我國正開展新農村建設具有重要的現實意義［3-5］。

1 人工濕地概念及處理機理

1． 1 人工濕地概念

人工濕地(Constructed Wetland，簡稱CW)處理系統源于對自然濕地的模擬，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的凈化處理［6］。

人工濕地根據水流方式可以分為3類:表面流濕地、水平潛流濕地、垂直流濕地。具體的特征和優缺點見表1。

表1 不同類別人工濕地的特點

1． 2 人工濕地的處理機理

人工濕地利用自然生態系統中基質—微生物—植物的物理、化學和生物的三重協同作用，通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解，及硝化和反硝化作用實現廢水的凈化［7］。1)有機物的去除。廢水中的有機物可分為可溶性有機物和不溶性有機物。對于不溶性的有機物，人工濕地主要是通過沉淀、過濾作用而被截留在濕地中;可溶性的有機物則通過植物根系生物膜或微生物的吸附、吸收及生物降解代謝被分解去除，最終轉化為生物的自身結構成分或通過有氧呼吸分解為CO2與H2O。2)氮的去除。人工濕地對氮的去除作用包括基質的吸附、過濾、沉積，其主要是通過植物吸收、微生物硝化和反硝化作用。廢水中的氮以無機氮和有機氮兩種形式存在，有研究表明無機氮僅占總氮量的8%～16%［8-10］，這些無機氮被人工濕地中的植物直接吸收，合成植物蛋白質。大部分的有機氮則需要通過微生物的硝化和反硝化作用得以去除，這基于濕地系統中的植物根系的輸氧及對氧的釋放，使得床體內部存在許多好氧、缺氧和厭氧區，這相當于許多串聯或并聯的A2/O單元，使得硝化和反硝化同時進行。其過程可以人總結國內研究人工濕地治理各種含氮的污水［8］，發現人工濕地的TN去除率可達64%～98%。研究還發現人工濕地除氮效率，與濕地系統的設計、植物種類、植物根部環境的化學性質、植物攝取量、可利用碳源、pH及基底材料類型有關［11］。3)人工濕地對磷的去除。人工濕地對磷的去除作用包括吸收、化學沉積、植物和藻類吸收。研究表明［8］:植物在人工濕地P的去除中起的作用很少，而主要是通過基底材料中鈣、鎂與磷作用形成沉淀得以去除;但當隨著時間的推移，Ca，Al，Fe和土壤顆粒沉淀反應的飽和及泥炭累積，植物將起到最大的除磷作用，但系統整體除磷效果將會明顯下降［8，12］。因此為了加強濕地的除磷能力，在濕地建造中盡可能的選擇含鈣、鎂和鐵豐富的材料作為基底。據資料顯示，人工濕地對污水中TP的去除率可達48．0%～97．2%［8］。

2 國內外研究狀況

人工濕地凈化污水始于1953年德國的Max Planck研究所，到了20世紀70年代末期大面積開展試驗應用［16］。隨著研究不斷深入，污染物凈化機理逐漸清晰，工藝參數愈加優化，技術日趨完善，人工濕地逐漸發展成為一種獨具特色的新型污水處理技術［13-17］。在歐洲，如瑞典，自1996年到2002年間，在農業流域建設了超過2 350 hm2濕地;丹麥也建造了大約3 200 hm2濕地。在美國，目前有數百處人工濕地工程用于各類廢水處理［16］。我國，人工濕地起步于20世紀90年代，在深圳白泥坑建立起中國第一個人工濕地污水實驗基地。近年來，人工濕地得到長足的發展，已在城鎮污水處理、農田徑流廢水處理、工業廢水處理、養殖廢水處理等方面得到了相關應用［18-20］。劉亞瓊等人研究總結國內有關人工濕地處理生活污水成果［8］，指出人工濕地凈化生活污水，在進水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD的去除率可達85%～95%，對COD的去除率可大于80%，經濕地處理后出水BOD的濃度一般在10 mg/L左右，SS＜20 mg/L。楊俊等人總結并綜合我國有關人工濕地處理農村生活污水的研究和工程實踐，提出人工濕地處理農村生活污水的典型水力負荷及典型村莊人工濕地占地面積估算(見表2，表3)(以潛流濕地為例)［20］。

表2 水力負荷

表3 典型村莊人工濕地工程估算

3 人工濕地技術在農村應用的優勢

3． 1 投資處理費用低

對于我國農村地區，因經濟實力和技術手段偏低，投資運行費用已直接成為影響是否需要污水處理的重要因素。表面流和潛流人工濕地因無需大量人工構筑物和機電設備，無需曝氣、投加藥劑和回流污泥，也沒有剩余污泥產生，大大節省投資和運行費用。為此，潘寧［3］對人工濕地技術與傳統處理工藝投資及運行成本進行比較，具體見表4。

表4 二級污水處理廠與人工濕地處理系統投資及運行費用比較 元/t

由表4不難發現人工濕地的運行、建設成本均比傳統二級污水處理遠低，這對現階段我國農村污水處理，經濟上說明了比較切實可行。

3． 2 維護管理技術要求低

人工濕地技術基本上不需要機電設備，無剩余污泥處理的困擾;維護上僅做清理渠道及作物的管理，而這些往往是農村人員的長處，故日常管理一般人員完全可以承擔，僅需個別專業人員定期檢查。故維護技術管理低，十分適合農村技術力量薄弱，粗放型管理。

3． 3 應用范圍廣且具有景觀效果

人工濕地的主要缺點是占地面積大，處理負荷低。而當前農村生活污水水質具有污染物相對簡單、濃度低的特點，且村莊四周往往池塘、水溝遍布，土地資源供應相對豐富，十分有利于人工濕地技術的應用。人工濕地自身就是一個小型水生生態系統，特別是表面流濕地，可作為濱水景觀的一部分。在濕地設計時，納入景觀設計，如引入涼亭，小橋，蓮池等美化設計，充分利用部分濕生植物(如美人蕉、鳶尾等)的景觀作用，這樣既實現人工濕地本身的功能，同時也滿足了良好的景觀效果，一舉兩得。

4 人工濕地技術應用中注意的問題

1)人工濕地的堵塞:人工濕地在農村的長期運行，并隨著有機物在基質中不斷積累，過多地種植植物等容易造成濕地的堵塞，這在實際運行中應十分關注。2)污水回用需消毒:長期以來農村居民生活衛生條件較差，若經人工濕地處理的污水回用農田灌溉應注意滅菌消毒，以減少致病細菌傳播的可能。3)溫度影響:氣溫是影響人工濕地主要影響因素，特別是表面流人工濕地，低溫條件下，植物生長代謝緩慢，微生物活性大大降低，從而導致污染物的去除率降低。因此在冬季應降低人工濕地的負荷。4)衛生問題:人工濕地，如果進水負荷過高，供氧不足，易形成厭氧反應，將釋放出難聞的氣體。此外，若管理不善，夏季易滋生蟲蠅，衛生條件差等問題。因此實際運行應加強進水的負荷控制。

5 結語

長期以來由于資金短缺和污水處理意識淡薄，農村污水污染隨意排放。人工濕地作為一種低能耗、高效率，且本身就是一個小型水生生態景觀系統，其充分利用農村的優勢條件，較好處理了農村污水，即將在我國新農村建設中發揮出重要作用。

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