人工濕地在農村生活污水處理中的應用及研究進展

林卉, 姜忠群, 冒建華

(北控水務(中國)投資有限公司, 北京 100102)

根據《2019年國民經濟和社會發展統計公報》[1]，我國有5.5億人口居住在農村，按照人均生活用水量83 L·d-1、排放系數0.8估算，全年累計排放污水近133億m3。在農村生活污水收集提高的同時，其有效處理卻亟待完善。2017年，農村污水處理率不足30%[2]。生活污水未經處理直接排放是農村村容村貌破壞、水源污染、湖泊和河流富營養化的重要原因。

農村生活污水來源主要為廚房、洗衣、洗浴和沖廁廢水等。由于農村的經濟發展程度、居住特點和用水習慣等原因，農村污水處理系統與市政污水處理系統相比，具有處理規模較小、進水水量水質變化幅度大、污水成分簡單，氮磷濃度高、后期運維資金少、運維隊伍職業水平較低的特點[3-6]。

農村污水處理的原理與城市污水處理基本相同，主要有物化處理技術、生物處理技術和生態處理技術。物化處理技術如重力沉淀、過濾、化學沉淀等，運行成本較高，對溶解性生物需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)和氮的去除能力差，因此主要用于預處理和深度處理。生物處理技術利用微生物的特性對污水進行處理，可分為活性污泥法、生物膜法等。其中，以A/O法為代表的活性污泥法是目前城市市政污水處理的主流技術，處理效果穩定，但對反應裝置的控制要求較高，運營維護較為復雜[6]。

人工濕地是污水生態處理技術的典型代表，通常指用人工筑成水池或溝槽，充填一定深度的基質層，種植水生植物，利用基質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用使污水得到凈化的構筑物。按照污水流動方式，人工濕地又分為表面流人工濕地(surface flow wetland，FWS)、水平潛流濕地(horizontal subsurface flow，HSSF)和垂直潛流濕地(vertical flow，VF)。人工濕地技術具有系統簡單、操作管理方便、建設投資和運轉成本低、生態景觀價值高的優點，但也具有占地面積大的缺點。由于農村污水量小、用地相對充裕，人工濕地占地大的劣勢被削弱，而操作簡單、低能耗的優點受到重視，成為農村污水處理常用技術?！掇r村生活污染防治技術政策》(環發[2010]20號)及《農村生活污染控制技術規范》(HJ574-2010)都將人工濕地列入推薦的處理工藝清單。

然而，農村污水人工濕地在我國的早期推廣中也暴露出一些問題。據王勇[8]統計，北京房山區2015年有58.3%人工濕地污水站點無法正常運行。究其原因是由于管網建設不到位、運維資金不足等農村污水系統的共性問題，但人工濕地技術未形成成熟的設計、施工、運維模式也是重要原因。隨著《水污染防治行動計劃》的頒布，國家對農村污水治理的管理強度進一步加強，對農村污水設施的穩定運行和達標排放提出了更加嚴格的要求，隨之出現一些問題亟待解決，例如人工濕地與預處理工藝組合、選取設計參數、合理制訂排放標準、保證冬季運行效果等。本文結合國內外最新研究和應用進展，針對以上問題進行淺析和探討。

1 農村污水人工濕地應用現狀

利用濕地生態系統處理污水的理念在世界各國古已有之，中國的桑基魚塘系統就是其中的典型代表。自1952年德國科學家Seidel開始進行工程化的人工濕地研究以來，人工濕地技術在歐洲、北美洲、南美洲、亞洲、大洋洲、非洲均陸續得到應用。由于低成本、生態理念符合當地土著文化價值等原因，人工濕地在新西蘭的村莊污水處理中發展迅速，除了處理生活污水外還用于處理農場的乳制品加工廢水、削減農業面源污染等[7]。世界銀行對尼加拉瓜、薩爾瓦多、秘魯、哥倫比亞、巴西等國示范工程的凈化效果進行跟蹤分析后，認為人工濕地處理效果穩定、成本低廉，對于中小社區是可行的污水處理技術，但應由專業人員設計，并對本地運營團隊進行專業培訓[9]。

歐美國家對于人工濕地的應用相對起步更早、研究更深入。歐洲有超過50 000座人工濕地用于污水處理[3]，大部分人工濕地位于鄉村或小城鎮，用于中小規模的生活污水處理。英國廣泛采用人工濕地用于原有農村污水站點出水的深度凈化，并成立了人工濕地協會，建立了由超過900座人工濕地組成的數據庫[10]。據Molle等[11]統計，法國有超過500座農村污水人工濕地，采用垂直潛流濕地為主的工藝，凈化效果穩定。人工濕地在氣候寒冷的波蘭也有超過30 a的應用歷史，其中大部分人工濕地用于小于5 m3·d-1的單戶農村生活污水處理[12]。英國、法國、意大利、德國、丹麥、捷克等國相繼頒布了用于分散型生活污水處理的人工濕地設計規范[7]。北美則建成了超過10 000座人工濕地，且從南到北均有分布，僅在美國肯塔基一州就有超過4 000個用于單戶生活污水處理的潛流人工濕地[7]。目前，北美洲有大量從事人工濕地研究的科研人員，并建立案例數據庫，為該領域的進一步發展創造了良好的條件。

我國污水處理人工濕地研究工作始于1987年，在天津、北京等地建成了試驗工程[13]。2004年以來，人工濕地在我國進入快速發展期，截止2015年，我國有公開文獻報道的人工濕地工程超過700個[12]。人工濕地在我國的應用不論是處理規模還是污水類型都向多元化發展。處理規模方面，有設計處理量25萬m3·d-1的地表水凈化濕地[14]，也有10 m3·d-1以下的農村污水濕地[12]。在污水類型方面，人工濕地已用于處理包括生活污水、河湖水、垃圾滲濾液等多種類型的污水[12]。由于我國環境問題復雜、人口密度大、土地資源稀缺等特點，我國人工濕地研究為該技術的規?；?、精細化發展提供了創新視角和數據支撐。

2 人工濕地及預處理單元的工藝組合

對于人工濕地在污水處理流程中的工藝定位，或稱人工濕地對預處理的要求，當前業界觀點不一。在北美和歐洲，一般將潛流人工濕地用于處理經化糞池或沉淀池預處理后的生活污水，即作為二級處理工藝。在法國的農村污水處理中，甚至直接將未經預處理的生活污水排入潛流人工濕地中，即在人工濕地中同時進行一級和二級處理過程[10]，這種不需預處理的人工濕地運行已超過30 a，處理效果良好。但應認識到，歐美農村用地充裕，通常采用3～5 m2·PE-1的人工濕地面積(即單位服務人口的濕地面積)，大約相當于噸水占地面積15～50 m2，這在我國的很多地區難以實現。而當采用顯著低于上述處理面積的人工濕地直接處理污水時，容易出現基質堵塞、出水惡化等問題。因此，在用地滿足要求的情況下，人工濕地可以作為農村污水處理主工藝，如前述北京平谷、廣東郁南等一些條件允許的村落以人工濕地作為主處理單元，取得了良好的效果[16,20]。相關規范也明確，化糞池、沉淀池等均可以作為人工濕地的預處理設施，并非只有經過二級處理的污水才適合采用人工濕地進行凈化。但在用地緊張的情況下，從技術經濟角度考慮，人工濕地更適宜作為深度凈化單元。部分農村污水人工濕地工程工藝組合及運行情況見表1。

表1 典型案例工藝流程及主要參數Table 1 Treatment process and parameters of representative studies

當前，活性污泥法二級處理+人工濕地深度凈化的工藝流程目前已成為市政污水廠提標改造的常用方法。這種工藝組合同樣適用于處理水量較大的集中村落，但對于分散村落的適用性值得商榷?；钚晕勰喙に嚳煽匦愿?，但能耗高、對運營人員要求高；人工濕地耗能低、運行簡便，但占地大，且有植物收割處置的運營需求。因此，若將兩種工藝結合，對于農村分散污水處理而言，既需要專業污水處理運營，又要進行濕地綠化維護，造成運營工作量加倍。因此，建議針對分散型農村污水處理，優先采用單一的好氧生物處理技術或厭氧預處理+生態處理技術，從而最大化地發揮兩種方法各自的優點。

3 人工濕地設計標準化進展

人工濕地技術在發展初期缺乏統一實施標準，缺乏成熟運維模式等問題，導致部分項目后期運行效果不佳。住建部與原環境保護部分別于2009 年、2010 年出臺了《人工濕地污水處理技術導則》與《人工濕地污水處理工程技術規范》兩部規范，有力地推進了技術應用，但未針對不同地域對具體單元設計進行參數制訂[25]。張濤等[26]指出，《人工濕地污水處理工程技術規范》尚不能滿足農村污水實際工程的需要，還需要不斷完善相關設計參數。

表2 國內外部分人工濕地規范參數取值Table 2 Design parameters of representative CW guidelines

與丹麥、德國等地的設計規范[31]對比發現，歐洲設計規范主要以服務人口計算濕地面積，污染負荷取值僅為輔助，且對營養鹽污染負荷涉及較少，在我國的工程中無法直接套用。德國人工濕地規范針對農村污水處理，按一級處理、二級處理、深度處理分類，對人工濕地的填料種類、粒徑分布、配水頻率、預處理池容等均做出了詳細的規定，基本實現了技術標準化，但同時也削弱了靈活性。

4 農村污水人工濕地出水指標制訂進展

由于農村污水處理設施水量小、位置分散、管理水平較低，對其出水指標的要求不宜照搬大型市政污水處理廠的嚴格標準。據徐志榮等[5]統計，浙江省各縣市在2015年執行的農村污水COD排放限值從50到200 mg·L-1不等，未形成適合農村環境實際情況的標準體系。

2017年以來，我國部分省市相繼頒布了農村污水排放標準。表3對國內外有代表性的排放標準進行對比。

表3 各國農村污水排放標準Table 3 Discharge limits of rural wastewater treatment effluent

5 人工濕地低溫運行效果及保證措施

人工濕地在我國北方寒冷地區也有應用和研究，但由于溫度影響和北方農村經濟水平的限制，其進展較緩于氣候溫暖地區。陳曉東[42]以沈陽大孤家子鎮400 m3·d-1的污水處理系統為例，研究認為厭氧預處理+潛流人工濕地的工藝路線適用于沈陽的農村污水特點，冬季運行可靠，出水可達到城鎮污水處理廠污染物排放標準[19]中二級標準?！哆|寧省農村生活污水處理技術指南(試行)》(征求意見稿)[43]中提出，潛流人工濕地適用于資金短缺、土地面積相對充足的農村地區，但處理效果受季節影響。

當前，為保障人工濕地低溫運行效果，通常采用以下幾種方法。一是采取保守設計[44]，即較小的處理負荷、較長的停留時間，以補償冬季凈化效率降低的影響；二是采用單元內保溫措施，如在表流濕地利用挺水植物截留降雪形成保溫層、在潛流濕地表面鋪設秸稈層等[5]；三是采用單元外保溫措施，如拉薩市甘曲濕地采用了外設鋼架玻璃溫室的方法[45]；四是設置額外存儲池容，如吉林通化的一處農村污水人工濕地，冬季僅儲存污水不排放，其他三季處理后排放[46]。夏秋季出水水質基本可以達到一級A標準，春季對冬、春兩季污水合并處理，出水水質基本可以達到一級B標準。

6 展望及建議

“十二五”以來，人工濕地技術在我國農村生活污水處理中得到了廣泛的應用，針對該技術的研究和規范制訂也得到了長足的進步。結合國家水污染防治行動計劃的相關要求，認為在人工濕地處理農村污水方面，以下幾個方面還需要重點關注和研究：一是針對用地受限的地區，如何通過強化手段，提高單位面積處理負荷，實現人工濕地的小型集約化；二是針對不同的受納水體開展設計、運維研究，尤其是對環境敏感、排放標準嚴苛地區開展深度凈化穩定達標技術的研究；三是針對水量小、波動性大的農村污水人工濕地，研究建立適宜的設計、施工、運維體系，使其與項目管理模式相適應；四是對人工濕地的詳細設計進行歸納優化，形成類似于傳統給排水工程的設計手冊；五是人工濕地資源循環技術研究，包括肥水資源利用、植物秸稈的回收利用等。