人工濕地在農(nóng)村污水處理上的應(yīng)用

馮怡文， 李小嬌

(西南交通大學(xué)， 四川成都 610031)

隨著中國農(nóng)村家庭日益提升的生活水平，農(nóng)村水體環(huán)境日漸惡化問題也成了研究重點，究其根本是生活污水的處理方式不當(dāng)。早在全國第一次污染源普查公報的數(shù)據(jù)就顯示：農(nóng)村地區(qū)生活污水的排放總量已達(dá)343.30×108t，在全國污染物排放總量中比例高達(dá)50 %，其中CODcr、TN和TP的排放量分別占43 %、57 %和67 %[1]。為此，2018年中央印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)固定污染源氮磷污染防治的通知》，為進(jìn)一步加強(qiáng)固定污染源氮磷污染防治工作，明確污水集中處理作為氮磷污染防治的重點行業(yè)[2]。根據(jù)以上文件要求，文章將農(nóng)村生活污水的治理作為重點，主要簡述人工濕地污水處理技術(shù)的運(yùn)行原理和應(yīng)用研究。

1 農(nóng)村生活污水現(xiàn)狀

農(nóng)村生活污水結(jié)構(gòu)組成除了廚房衣物洗滌、廁所沖水、淋浴沖水等，還有部分家禽養(yǎng)殖污水，污水中多家畜糞便，氮磷含量高，可生化性強(qiáng)。此外，從大部分農(nóng)村地形區(qū)域看，居住人口數(shù)量規(guī)模小，居住區(qū)布局分散，地形高差較大。我國相當(dāng)一部分的農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)落后，修建大規(guī)模的污水采集管網(wǎng)技術(shù)不可行也不經(jīng)濟(jì)，后續(xù)亦無法建立傳統(tǒng)規(guī)模的二級處理工藝，因此相當(dāng)一部分生活污水未經(jīng)集中治理就排入附近河道湖泊，造成惡劣的水體生態(tài)環(huán)境。

目前，國內(nèi)村鎮(zhèn)生活污水常規(guī)治理方式有生物處理技術(shù)和生態(tài)處理技術(shù)。生物處理技術(shù)例如塔式生物濾池、厭氧生物濾池等；生態(tài)處理技術(shù)則有土地處理、穩(wěn)定塘等。這些處理工藝多存在各種短板，難以推廣，因此，在工藝上就應(yīng)選擇設(shè)備簡單、造價經(jīng)濟(jì)、管理運(yùn)營方便且處理效果優(yōu)良的新技術(shù)。人工濕地處理生活污水，取材簡單，因地制宜，建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用都相對低廉，處理效果好，作為生活污水處理新技術(shù)在農(nóng)村有著較大適用性。

2 人工濕地介紹

人工濕地由人為修建控制和管理，對污水的處理經(jīng)過一系列物理化學(xué)作用，吸收轉(zhuǎn)化其中營養(yǎng)物質(zhì)，最后定期收割濕地植物，形成循環(huán)往復(fù)的濕地系統(tǒng)，以達(dá)到對污染物的去除凈化[3-5]。

2.1 人工濕地工藝原理

人工濕地之所以可以對污水進(jìn)行凈化，主要是依靠基質(zhì)、植物、微生物。基質(zhì)通過沉淀與攔截吸附作用吸收部分有機(jī)物與氮磷營養(yǎng)物。而濕地植物豐富的根系則形成一個網(wǎng)絡(luò)，一方面以攔截作用和自身吸收作用來消耗營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面植物的光合作用也增加了濕地中溶解氧含量。而濕地中種類多樣的微生物，則扮演生態(tài)圈中的重要角色——分解者[6]。植物根系掛膜產(chǎn)生的微生物主要作用過程是氨氮的硝化和反硝化作用、磷的過量積累去除等。

2.2 人工濕地分類特點

人工濕地主要分類有自由表面流、垂直潛流式和水平潛流式。表流式人工濕地建設(shè)費(fèi)用低，投運(yùn)簡便，但因其污水只能從表面流經(jīng)，水力負(fù)荷與處理效率低，冬天北方地區(qū)易結(jié)冰，夏天則易滋生蠅蟲，產(chǎn)生惡臭。而水平潛流式人工濕地，污水在基質(zhì)表面以下流通，植物根系作用最大化，并且兼具保溫性能，氣候影響較小，但氮磷的去除效果略低于垂直潛流人工濕地。后者污水由表面進(jìn)入，縱向通過基質(zhì)層，濕地含氧量較高，除去氮磷效果好，但夏天易有蠅蚊滋生。

2.3 人工濕地在國內(nèi)外的發(fā)展

人工濕地的概念在很早之前就有提出，直到1970年開始用以治理污水，其后十多年得到迅速發(fā)展，其中德國、美國和澳大利亞等國家應(yīng)用最多[7]。Dr.Kathe Seidel的研究表示栽種蘆葦可以用以凈化污水中的部分污染物[8]。之后荷蘭在Dr. seidel的研究上，制造了一種現(xiàn)稱為Lelystad Process的污水凈化體系，是由四或五級自由水面流濕地組成，每一級為栽有挺水植物的幾個并連池子構(gòu)成。我國正式開始著手研究人工濕地工藝是在1990年左右，北京昌平建立起第一座以污水治理為目標(biāo)的自由表面流人工濕地[9]。隨后的深圳石巖人工濕地，利用高效垂直流人工濕地系統(tǒng)凈化水質(zhì)，解決了占地大、易堵塞等問題，且結(jié)構(gòu)靈活，在污水處理量上亦有很大提高。

3 人工濕地在農(nóng)村生活污水處理上的應(yīng)用

由于我國村鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)的復(fù)雜性和可變性，單級人工濕地在治理上效果可能受限制，針對氮磷去除效率不理想等方面的問題，文章簡要分析可能影響治理效果的因素與相對完善、濕地的組合體系及其與相關(guān)工藝聯(lián)用的可行性。

3.1 可行性技術(shù)分析

人工濕地作為完整的生活污水處理系統(tǒng)，其影響因素主要有濕地基質(zhì)填料種類與級配、植物種類和溫度氣候變化等。Asuman等[10]將爐渣和沙礫作為基質(zhì)填料時發(fā)現(xiàn)：爐渣相對于沙礫，對COD、NH3-N、TP凈化效率更高。因此，使用吸附能力強(qiáng)、級配適當(dāng)?shù)幕|(zhì)填料可明顯增強(qiáng)系統(tǒng)的脫氮除磷效果。Seoa等[11]則研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)粒徑大小有相應(yīng)界限，粒徑過大，污染物凈化效果不佳，而磷的過量積累去除效果則隨填料粒徑的減小而增大，但過小的粒徑不利于解決濕地堵塞現(xiàn)象。植物作為濕地中必不可少的組成部分，可以有效提高系統(tǒng)中泌氧能力，但不同的濕地植物具有不同生長周期，對有機(jī)物的適應(yīng)性和污染物吸收效果也有所區(qū)別。有研究表明，對于脫氮能力，蘆葦與美人蕉優(yōu)于其他植物，盡管茶花也具有脫氮高穩(wěn)定性，但因其培育條件高，可不作為優(yōu)先考慮植物[12]，所以根據(jù)濕地條件合理選擇種植的植物，能夠明顯優(yōu)化濕地運(yùn)行效率。

3.2 人工濕地應(yīng)用的完善

當(dāng)人工濕地變得為更多人所熟知，不同類型的濕地根據(jù)其不同優(yōu)勢和不足，采用復(fù)合人工濕地組合系統(tǒng)變得大勢所趨，組合系統(tǒng)可以多級多樣，優(yōu)劣互補(bǔ)。如撫仙湖北岸的組合濕地系統(tǒng)，除氮效果明顯，有效抑制堵塞風(fēng)險同時節(jié)約用地。王凱軍等[13]研發(fā)垂直流與潛流復(fù)合濕地對農(nóng)村灰水進(jìn)行治理研究時發(fā)現(xiàn)垂直流濕地硝化作用明顯，而潛流濕地則在內(nèi)部形成厭氧區(qū)域，促使反硝化作用明顯加強(qiáng)，該組合對 COD和 TN的平均凈化率達(dá)到了70 %與99 %。

除了多種類型的濕地復(fù)合共同作用，還可以采用其他污水治理工藝與人工濕地工藝聯(lián)用。當(dāng)進(jìn)水中SS濃度較高，泥沙與大件垃圾含量多時，可采用預(yù)處理工藝，有效增加濕地污水處理效率，減少濕地進(jìn)水負(fù)荷壓力，不易堵塞。當(dāng)來水的生化性差，含有大分子或者難降解物質(zhì)時，宜采用厭氧單元與人工濕地聯(lián)合。Tsalkatidou等[14]選擇將穩(wěn)定塘與人工濕地聯(lián)用，數(shù)據(jù)表明污水經(jīng)過穩(wěn)定塘后進(jìn)水負(fù)荷明顯增大，而人工濕地對后續(xù)污水的深度治理效果明顯優(yōu)化，BOD5凈化率甚至高達(dá)95 %。

4 結(jié)束語

文章在人工濕地自然生態(tài)特性上研究農(nóng)村生活污水治理技術(shù)，分析人工濕地的運(yùn)行機(jī)制、影響因素與組合優(yōu)化，得出在我國村鎮(zhèn)地區(qū)生活污水治理上推廣人工濕地技術(shù)的可行性。但是，具體技術(shù)的實施應(yīng)依據(jù)濕地所在場地條件、氣候類型，處理率要求等。并且，由于人工濕地本身工藝特性和管理運(yùn)行各方面問題，其運(yùn)行推廣上還是存在一定不足，因此筆者在以下三個方面做出展望：(1)人工濕地溫度季節(jié)性溫度差異導(dǎo)致的微生物活性下降，濕地去除污染物效果不佳。因此，對比分析人工濕地中微生物和氣溫等因素變化對生活污水處理的影響做深入研究；(2)比較分析不同填料與不同級配組合，或者研發(fā)利用新型填料以優(yōu)化濕地基質(zhì)層，減少因堵塞問題導(dǎo)致吸附能力下降繼而濕地運(yùn)行效率降低的情況；(3)對人工濕地的結(jié)構(gòu)樣式進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，分析各個影響因素下人工濕地運(yùn)行的最佳工況，確定相關(guān)參數(shù)規(guī)律。