潛流人工濕地對(duì)實(shí)際農(nóng)村生活污水的凈化效果

楊貞武，鐘晨，周夢(mèng)雨，胡玉潔

（1.葛洲壩集團(tuán)生態(tài)環(huán)保有限公司，湖北 武漢 430000；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)村水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，農(nóng)村水環(huán)境保護(hù)已然成為我國(guó)農(nóng)村環(huán)境治理工作的重要內(nèi)容。大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)缺少污水收集和處理系統(tǒng)，致使農(nóng)村生活污水處理率普遍偏低，而未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水中含有大量有機(jī)物、氮和磷等污染物，直接排入水環(huán)境會(huì)造成受納水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞水生態(tài)系統(tǒng)。我國(guó)農(nóng)村生活污水主要有4 個(gè)特點(diǎn)，即①排污面大且排放點(diǎn)分散；②欠缺污水收集處理系統(tǒng)，處理率普遍較低且難以集中收集處理；③有機(jī)物和氮磷濃度高，可生化性較好；④水量波動(dòng)大，總排放量小，但排放量會(huì)隨著生活質(zhì)量的提高和生活習(xí)慣的改變快速增長(zhǎng)。結(jié)合我國(guó)農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)，其凈化處理需要一種能耗低、價(jià)格低廉、操作管理簡(jiǎn)便和處理效率高的污水處理技術(shù)。現(xiàn)有農(nóng)村生活污水處理技術(shù)多為人工濕地、化糞池、浮床、厭氧凈化槽、穩(wěn)定塘和土地快速滲濾等分散型污水處理技術(shù)[1]。而與其他分散式處理技術(shù)相比，人工濕地技術(shù)通常就地取材，施工及運(yùn)營(yíng)管理成本低，易于維護(hù)且處理效果好，是一種適應(yīng)性強(qiáng)的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)。

20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，人工濕地處理技術(shù)發(fā)展迅速，且已進(jìn)入大規(guī)模工程應(yīng)用階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)約有600 座人工濕地投入實(shí)際應(yīng)用，主要用于處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市污水；在歐洲，潛流人工濕地被廣泛使用，丹麥、德國(guó)和英國(guó)等國(guó)家人工濕地系統(tǒng)均多達(dá)200 余座[2][3]。我國(guó)人工濕地技術(shù)應(yīng)用起步較晚，2010 年，廣東省廣州市茅崗村采用水平潛流+垂直流人工濕地處理農(nóng)村生活污水，工程處理能力為200m3/d，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且出水水質(zhì)可達(dá)一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)[4]；2016 年，四川省廣安市岳池縣城南工業(yè)園區(qū)為了提高污水處理廠的出水水質(zhì)，采用垂直流人工濕地處理城市污水處理廠的出水，設(shè)計(jì)處理能力為2.6 萬(wàn)m3/d，出水水質(zhì)可達(dá)地表水III 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

人工濕地技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理時(shí)面臨的填料易堵塞、基質(zhì)填料施工強(qiáng)度大和脫氮除磷效率低等難點(diǎn)，制約了該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。本研究旨在探究潛流人工濕地系統(tǒng)處理實(shí)際農(nóng)村生活污水的可行性，評(píng)估其對(duì)污染物的凈化效果，以期為人工濕地技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理提供更多參考資料。

1 材料與方法

1.1 潛流人工濕地構(gòu)成及運(yùn)行方式

試驗(yàn)所采用的小試潛流人工濕地由有機(jī)玻璃構(gòu)建而成，主要分為進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和出水區(qū)，其中反應(yīng)區(qū)尺寸為0.56m×0.28m×0.6m，填料層高度為0.55m；系統(tǒng)由時(shí)控開(kāi)關(guān)控制蠕動(dòng)泵進(jìn)水，每天開(kāi)啟4 次以實(shí)現(xiàn)間歇進(jìn)水，同時(shí)采用電磁閥控制出水；人工濕地前端設(shè)置曝氣系統(tǒng)。潛流人工濕地裝置如圖1 所示。

圖1 潛流人工濕地裝置示意圖

人工濕地布水區(qū)設(shè)置溢流堰，布水區(qū)內(nèi)填充直徑為40～80mm 的礫石，以防止反應(yīng)區(qū)填料堵塞穿孔管。反應(yīng)區(qū)選擇多種填料組合填充，從上到下依次為沸石（粒徑2～4 mm）、石英砂（粒徑2～8 mm）和礫石（8～16 mm）。為了防止不同填料層下沉，特別是顆粒較小的填料層下沉，填料層間采用2mm 不銹鋼網(wǎng)格隔開(kāi)。本試驗(yàn)濕地植物選用菖蒲，株間距為10～15cm，在秋季前進(jìn)行收割。

小試潛流人工濕地系統(tǒng)主要包括進(jìn)水池、格柵、初沉池、潛流人工濕地和出水池。進(jìn)水先經(jīng)由格柵去除污水中的漂浮物和較大顆粒物，再經(jīng)過(guò)初沉池去除懸浮物，然后流入潛流人工濕地系統(tǒng)，最后排入出水池。試驗(yàn)系統(tǒng)共運(yùn)行136d，運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

1.2 實(shí)際生活污水排放特征及典型水質(zhì)

試驗(yàn)所用的實(shí)際生活污水取自陜西省西安市某村，為了解其特點(diǎn)，連續(xù)監(jiān)測(cè)1a 內(nèi)該村所排放生活污水特征，如見(jiàn)圖2 所示。生活污水水質(zhì)波動(dòng)基本與居民作息時(shí)間相一致，主要集中于6:00～18:00；以月為基準(zhǔn)，主要波動(dòng)集中于春、夏2 個(gè)季節(jié)，這主要是由于該村居民多經(jīng)營(yíng)農(nóng)家樂(lè)，春季、夏季客流量較大所致。試驗(yàn)所用生活污水的平均水質(zhì)指標(biāo)同樣存在較大波動(dòng)，但與典型生活水質(zhì)基本一致，其月平均水質(zhì)特性見(jiàn)表2。

表2 月平均水質(zhì)特性

圖2 實(shí)際生活污水特征

1.3 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定方法

化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測(cè)定；總磷（TP）和磷酸鹽（PO43--P）分別采用過(guò)硫酸鉀-鉬銻抗和鉬銻抗分光光度法測(cè)定；總氮（TN）采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定；氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；懸浮物（SS）采用重量法測(cè)定。以上方法均基于《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）。

2 潛流人工濕地系統(tǒng)的啟動(dòng)

由于系統(tǒng)調(diào)試、作物適應(yīng)等過(guò)程較為耗時(shí)，因而小試潛流人工濕地系統(tǒng)啟動(dòng)期共36d。潛流人工濕地系統(tǒng)通常可根據(jù)COD 去除率判斷潛流濕地是否正常運(yùn)行，倘若去除率相對(duì)穩(wěn)定，則表示在此操作條件下系統(tǒng)啟動(dòng)成功。

啟動(dòng)期內(nèi)小試潛流人工濕地系統(tǒng)COD 去除效果見(jiàn)圖3。在啟動(dòng)期內(nèi)，植株和微生物對(duì)環(huán)境逐漸適應(yīng)，濕地基質(zhì)填料表層和植物生長(zhǎng)根系的間隙形成生物膜，待植物根系生長(zhǎng)穩(wěn)定后，COD 去除率得以穩(wěn)步提升，結(jié)果顯示，第36d 時(shí)COD 去除率達(dá)90%，這說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行逐漸平穩(wěn)且處理效果良好。

圖3 啟動(dòng)期COD 濃度及去除率

3 潛流人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行期凈化效果

3.1 COD 去除性能

穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)小試潛流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)、出水COD 濃度及去除率隨時(shí)間的變化特征如圖4 所示。受分散型生活污水水質(zhì)波動(dòng)較大的影響，小試潛流人工濕地系統(tǒng)的進(jìn)水COD 濃度波動(dòng)大，系統(tǒng)進(jìn)水COD 濃度在160.5～289.34mg·L-1之 間，平 均 濃 度 為222.66mg·L-1；系統(tǒng)出水COD 平均濃度穩(wěn)定在20.06mg·L-1，去除率可達(dá)91%。這表明，人工濕地具有良好的COD 去除效果，并且具有一定的抗沖擊能力。已有研究顯示，兩級(jí)垂直潛流-表面潛流濕地系統(tǒng)對(duì)實(shí)際農(nóng)村生活污水的COD 去除率為50%～85%[6]。事實(shí)上，人工濕地系統(tǒng)的COD 凈化效果主要源自填料和植物根系的攔截吸附作用及微生物的降解作用，因而填料類(lèi)型及級(jí)配、植物種類(lèi)、環(huán)境條件等對(duì)COD 去除率具有顯著影響[7]。

圖4 穩(wěn)定運(yùn)行期COD 濃度及去除率

3.2 NH3-N 去除性能

穩(wěn)定運(yùn)行期進(jìn)出水NH3-N 濃度及去除率變化見(jiàn)圖5。系統(tǒng)進(jìn)水NH3-N 濃度波動(dòng)性較大，而出水NH3-N 濃度相對(duì)穩(wěn)定，平均出水濃度為1.05mg·L-1，平均去除率達(dá)94.51%，表明系統(tǒng)具有良好的氨氮去除能力。陶昱明等[8]采用AO 濾池+人工濕地組合工藝處理實(shí)際農(nóng)村生活污水，TN 去除率達(dá)到65.76%。濕地系統(tǒng)中NH3-N 主要通過(guò)硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，再在反硝化菌作用下通過(guò)反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)為N2，從而在系統(tǒng)中脫除。溫度和pH 等環(huán)境條件均會(huì)顯著影響硝化菌和反硝化菌活性，因而人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需調(diào)控環(huán)境條件以營(yíng)造適宜功能菌生長(zhǎng)的環(huán)境。與此同時(shí)，填料的物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)NH3-N 的去除效果亦存在顯著影響。礫石對(duì)水中NH3-N 的去除率為58.9%[9]，天然錳礦石對(duì)NH3-N 的去除率可達(dá)65%[10]，農(nóng)業(yè)廢料（如小麥秸稈、杏核和核桃殼）處理低碳氮比污水時(shí)NH3-N 去除率則可達(dá)到98.8%[11]。基質(zhì)填料可借助吸附作用去除水中的NH3-N，但鑒于基其活性位點(diǎn)有限，故而通常難以長(zhǎng)期參與污水中氮素的去除和凈化，轉(zhuǎn)而為微生物吸附、降解提供活動(dòng)空間和附著載體。另外，人工濕地所用植物本身對(duì)NH3-N 的吸附作用較弱，其合成代謝對(duì)氨的消耗也無(wú)法與微生物脫氮作用相比，因而植物本身對(duì)NH3-N 的去除性能不占據(jù)主導(dǎo)作用。已有研究顯示，香蒲、四季鳶尾和睡蓮的綜合凈化效能最強(qiáng)，在高溫季節(jié)，花葉蘆竹對(duì)NH3-N 和COD 的去除效果欠佳[12]。不同植物所造成的凈化效果差異則可能來(lái)源于植物本身生長(zhǎng)特性的不同，以及由生長(zhǎng)特性所促成的與微生物聯(lián)合作用的差異。

圖5 穩(wěn)定運(yùn)行期NH3-N 濃度及去除率

3.3 PO43--P 及TP 去除性能

穩(wěn) 定 運(yùn) 行 期 進(jìn) 出 水PO43--P、TP 濃 度及去除率變化見(jiàn)圖6，人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)水PO43--P 平均濃度為1.58mg·L-1，出水PO43--P 平均濃度為0.68mg·L-1，平均去除率為54.62%，出水PO43--P 平均濃度未滿(mǎn)足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，整體達(dá)標(biāo)率僅為25%；人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)水TP 濃度仍波動(dòng)較大，濃度范圍在0.94～2.95mg·L-1之間，進(jìn)水TP 平均濃度為1.88mg·L-1，出水TP 平均濃度為0.97mg·L-1，平均去除率為47.93%，出水TP 濃度難以滿(mǎn)足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。以上結(jié)果表明，人工濕地對(duì)PO43--P 和TP 的去除效果欠佳。

圖6 穩(wěn)定運(yùn)行期PO-P、TP 濃度及去除率

有研究采用水生蔬菜濾床串聯(lián)潛流人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水尾水，試驗(yàn)結(jié)果顯示TP 濃度亦難以達(dá)標(biāo)[13]。究其原因，人工濕地除磷作用主要是通過(guò)濕地中植物、微生物降解和填料吸附相協(xié)調(diào)，包括植物根系的吸收攔截、填料的吸附以及微生物的降解轉(zhuǎn)化[14]。填料對(duì)磷的吸附在人工濕地除磷過(guò)程中起主導(dǎo)作用，且填料對(duì)磷的吸附速率快，但此吸附為不可逆物理過(guò)程，隨著時(shí)間推移終會(huì)達(dá)到飽和[15]。無(wú)機(jī)磷可作為植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能被植物的根系吸收，當(dāng)植物被收割時(shí)磷也隨之從系統(tǒng)中去除，但植物吸收磷的速率慢且受環(huán)境條件影響較大。另外，反應(yīng)區(qū)內(nèi)聚磷菌具有厭氧釋放PO43--P、好氧超量吸收PO43--P 的生理特性，但需為其營(yíng)造厭氧好氧交替的生長(zhǎng)環(huán)境，因而在人工濕地系統(tǒng)中除磷貢獻(xiàn)率占比較小。曾倩[16]研究了煤渣、牡蠣殼和青石3 種材料作為人工濕地基質(zhì)填料的除磷效果，研究顯示3種填料對(duì)TP 的去除率分別為80.67%、50.45 和62.37%。可見(jiàn)不同填料對(duì)磷的去除效果差異很大，人工濕地系統(tǒng)除磷效果不佳的主要原因可能為填料的吸附效果有限，因而后續(xù)研究應(yīng)著重提升系統(tǒng)對(duì)PO43--P 的吸附作用，如采用改性填料，確保人工濕地對(duì)PO43--P 具有良好的去除性能。高鏡清等[17]采用鎂鹽和鋁鹽改性膨脹蛭石，其PO43--P 去除率可提升至97%以上，改性鋼渣和改性沸石對(duì)TP 的去除效率分別可達(dá)86.3%和78.8%[18]。綜上，選取經(jīng)濟(jì)且性能優(yōu)異的填料是維持人工濕地除磷性能的重要途經(jīng)。

結(jié)論

潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)實(shí)際農(nóng)村生活污水具有良好的凈化效果，在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。在表面負(fù)荷為0.035m3(m2·d)-1、HRT 為6d 時(shí)，COD 平均去除率達(dá)到91%，NH3-N 平均去除率達(dá)到94.51%，出水濃度均能滿(mǎn)足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。潛流人工濕地系統(tǒng)對(duì)PO43--P 和TP 去除效果不佳，原因在于所用填料吸附作用有限，在實(shí)際應(yīng)用中需特別注意提升系統(tǒng)對(duì)磷元素的去除效果，以滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用潛流人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水處理具有可行性，是分散式處理技術(shù)的理想選擇。