智能人工濕地在現代農村生活污水中的應用

■胡潤夏

（浙江達人環保科技股份有限公司浙江杭州310000）

智能人工濕地在現代農村生活污水中的應用

■胡潤夏

（浙江達人環保科技股份有限公司浙江杭州310000）

農村生活污水處理問題在新農村建設中日益嚴重，人工濕地以其投資低、處理效果好、運營維護簡單等優點被廣泛關注。本文通過結合工程案例介紹了人工濕地在農村生活污水中的應用，同時介紹了最新的互聯網技術在人工濕地中的應用。

人工濕地 農村生活污水 垂直流 智能

1 引言

如今農村經濟快速發展，新農村建設如火如荼，農村環境問題日益受到廣泛關注。大部分農村由于遠離城市，污水沒能納入市政管網，如果污水不經處理隨意排放，將影響人們的居住環境，同時造成小溪、水塘、河流的污染，破壞生態環境。農村由于其局限性，不適合建設成本較高、運行費用高、需要專業維護的污水處理廠進行集中處理。

人工濕地在污水處理中應用源于二十世紀初的英國約克郡，被公認為世界上第一個用于污水處理的人工濕地一直運行了近九十年[1]。人工濕地作為一種污水處理工藝被研究始于二十世紀七十年代德國學者Kickuth提出著名的“根區法理論”后，近幾十年來人工濕地技術在世界各地被廣泛研究。我國人工濕地研究起步較晚，從“七五”計劃開始建設不同規模的人工濕地，如今我國人工濕地以廣泛用于農村生活污水處理[2]。人工濕地可根據村落大小及分部情況建設不同大小和數量的人工濕地，建成后能使用多年，且不需專人看管，維護簡單，同時還能美化農村景觀[3]。

2 人工濕地工藝

2.1 人工濕地原理

人工濕地是通過人工模擬自然濕地的結構和功能而設計和建造的濕地，人工濕地主要由植物、介質、微生物等組成，它充分利用物理、化學和生物的三重協同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等作用來實現對污水的高效凈化[4]。

2.2 人工濕地分類

根據濕地種植植物種類，人工濕地可分為沉水植物系統、挺水植物系統及浮生植物系統[5]。其中挺水植物系統根據污水進水方式，可分為地表流濕地、水平潛流濕地及垂直流濕地。

地表流濕地，污水在濕地表層流動，污水直接從進水端水平流向出水端。該類型濕地污水處理能力較低，受環境溫度影響較大，且地容易滋生蚊蠅衛生狀況較差，在實際污水處理中很少單獨使用，但由于造價較低一般作為二級凈化濕地串聯起強化水質凈化效果。

水平潛流濕地，水流從進水口到出水口延植物根系層緩慢流動。該系統好氧微生物的供氧主要來至于植物根部供氧，由于供氧量往往不足，系統氨氮去除率較低從而導致脫氮效率不高[6]。但該系統由于很好利用介質層中微生物，BOD5、COD的去除率較地表流濕地有較大提高。該系統水處理效果與布水均勻度有很大關系，如果自流布水分布不均勻會造成短流部分介質接觸不到水，從而實際水處理效果低于設計效果。

垂直流濕地，水流方向為垂直流向，自上而下，集水出水系統設置在濕地介質層底部。與水平潛流濕地相比該系統提高了水體與介質的兩相接觸，更加利于介質表面微生物膜去除水中污染物，同時提高了濕地介質層與大氣中氧氣的交換，提高了濕地中氧氣含量，提高了微生物降解污染物效率[7]。現在大多數農村生活污水的人工濕地，大多采用該類型濕地，除了污水處理效果上佳外，由于垂直流濕地水力負荷往往加大，所需占地面積大大減少。

3 人工濕地應用案例

本案例采用農村生活污水中應用最廣的垂直流人工濕地，處理100戶農村居民生活污水，污水量約為35m3/d。

3.1 人工濕地設計

垂直流人工濕地系統由多級沉淀池和垂直流濕地主體組成（如圖1-1）。多級沉淀池通過重力沉降去除水中漂浮物和懸浮物，降低濕地進水中懸浮物濃度，同時污水在沉淀池中進行厭氧反應，起到防止濕地堵塞和降低濕地污染物負荷的作用。最后一級沉淀池的污水通過水泵輸送至濕地表面布水系統，布水系統將污水均勻分布在濕地表面，污水再通過重力垂直向下流，在濕地介質中進行凈化，最后通過介質層底部集水系統匯集排出。

多級沉淀池有效容積為24m3，分為4級，污水有效停留時間為16h。漂浮物和懸浮物質主要在第一級及第二級沉淀池去除，后面兩級沉淀池水質較為清澈，第四級沉淀池懸浮物濃度已經下降至60mg/L以下，達到垂直流人工濕地進水懸浮物標準。污水在沉淀池進行厭氧反應，大分子污染物降解為小分子，給后續濕地主體微生物進一步降解起到很好的預處理作用。垂直流人工濕地主體面積為140m2，水力負荷為0.25m3/m2，污水經處理能達到《城鎮污水廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級B標準以上，即出水COD、BOD5、總氮、氨氮、總磷分別在60mg/L、20mg/L、20mg/L、8mg/L、1mg/L以下。垂直流人工濕地主體主要由植物、介質及微生物構成。

圖1 垂直流人工濕地系統

3.1.1 植物

植物的作用主要分為四個方面：一，植物通過葉子和根莖將地面氧氣輸送至根部，給介質中微生物活動提供氧氣；二，吸收污水中營養物質，降低水中污染物含量，因為植物自身生長需要從周圍環境中吸取養分，如污水中小分子有機物和N、P元素；三，提供微生物生長載體，水生植物根系一般較為發達，根系表面積大且營養物質充足是微生物生長的良好場所；四，植物起到美化景觀作用，人工濕地不僅能作為污水處理設施，同時植物通過合理設計搭配能作為優美的景觀[8]。

3.1.2 介質

垂直流濕地介質一般采用沙、石復合填料，通過合理的級配使污水能良好滲漏的同時為微生物的生長提供載體。介質通過沉淀、過濾及吸附等作用直接去除部分污染物，如污水中磷酸根能與介質中鈣離子結合固定[9]，還有一部分污染物通過介質表面微生物去除。有研究表明，不同復合介質對濕地水質凈化具有很大影響，如果介質選用小粒徑顆粒偏多則濕地介質層與大氣氧氣交換速率就會大大降低，如果介質選用粒徑過大則介質層過濾作用大大降低且造成污水停留時間過短污染物去除率降低。

介質層厚度同樣對污水處理效果有較大影響。介質層厚度如果太深，植物根系難以生長觸及，造成介質層下部供氧不足，會使停留時間過長的水缺氧發生大范圍厭氧反應發臭，降低出水品質。介質層厚度不夠則會影響植物根系正常生長和造成停留時間不夠使污染物未充分去除。

3.1.3 微生物

濕地中微生物是去除污染物的主力軍，主要起降解有機物和硝化-反硝化脫氮作用。濕地中微生物通過吸收水中營養物質繁殖，與此同時水中污染物濃度大大降低，COD、BOD5含量顯著下降。微生物通過硝化作用將水中NH4+轉化為NO3-、NO2-，使污水臭味去除，接著通過反硝化作用將NO3-、NO2-轉化為N2及氮的氧化物，從而達到水體脫氮的效果[10]。

3.2 智能人工濕地

人工濕地以維護簡單、處理效果良好在農村生活污水中廣泛運用，但人工濕地終端往往較為分散，運營數據收集較為困難，如每個濕地終端日處理水量。在信息化時代，互聯網技術、云計算技術、大數據技術在各行各業得到廣泛應用，“互聯網+”的國家戰略思維更是促進互聯網思維在行業中的滲透。面對大量的人工濕地終端，需要借助信息化的手段，采用“互聯網+人工濕地污水治理”實現對農村污水治理的精細化管理和規模化管理，提高污水處理業務作業效率，降低運營管理成本。

智能化人工濕地較傳統濕地有三方面改進：一，實時監控濕地處理水量，通過泵的運行時間和泵的參數計算出處理水量，并將這些數據通過網絡傳輸到云端，管理員能實時監控濕地運行情況；二，水質在線監測，對于較大項目可安裝在線監測儀，再通過網絡將水質檢測數據傳到云端，使管理員能及時了解濕地水處理效果，從而迅速做出相應調整；三，濕地現場在線觀察，濕地現場攝像頭拍攝畫面并通過網絡傳輸到云端，管理員能實時觀察濕地現場，如果濕地現場出現破壞能第一時間做出反應。

4 結論

本文簡單介紹了人工濕地及人工濕地在農村生活污水中的應用，同時結合最新的互聯網技術，提出了智能化人工濕地這一概念，給分散式人工濕地終端運營、監管提出了一個可行思路，提高了人工濕地在將來的應用前景。

[1]白曉慧,王寶貞,余敏,等.人工濕地污水處理技術及其發展應用 [J].哈爾濱建筑大學學報,1999(6):88-92.

[2]宋志文,畢學軍,曹軍.人工濕地及其在我國小城市污水處理中的應用 [J].生態學雜志,2003,22(3):74-78.

[3]劉曉璐,牛宏斌,閆海,等.農村生活污水生態處理工藝研究與應用 [J].農業工程學報,2013(9):184-191.

[4]吳曉磊.人工濕地廢水處理機理 [J].環境科學,1995(3):83-86.

[5]夏漢平.人工濕地處理污水的機理與效率 [J].生態學雜志,2002(4):51-59.

[6]孫亞兵,馮景偉,田園春,等.自動增氧型潛流人工濕地處理農村生活污水的研究[J].環境科學學報,2006,26(3):404-408.

[7]付貴萍,吳振斌,任明迅,等.復合垂直流濕地反應動力學及水流流態的研究 [J].中國環境科學,2001,21(6):535-539.

[8]魏成,劉平,秦晶.不同基質和不同植物對人工濕地凈化效率的影響 [J].生態學報,2008,28(8):3691-3697.

[9]袁東海,景麗潔,高士祥,等.幾種人工濕地基質凈化磷素污染性能的分析 [J].環境科學,2005,26(1):51-55.

[10]梁威,胡洪營.人工濕地凈化污水過程中的生物作用 [J].中國給水排水,2003, 19(10):28-31.

TU992.3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-408-2