人工濕地組合工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

作者簡介：付笑凡（1996—），男，碩士，助理工程師，研究方向：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。

摘 要：為科學(xué)合理處理農(nóng)村生活污水，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，綜合分析了厭氧-人工濕地、A/O-人工濕地、生物濾地-人工濕地、SBR-人工濕地組合工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及處理效果，發(fā)現(xiàn)采用人工濕地組合工藝能有效處理農(nóng)村污水并改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，也可降低后期運(yùn)維管理難度。農(nóng)村地區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，將污水處理與其資源化利用相結(jié)合，因地制宜探索和選擇適合當(dāng)?shù)氐娜斯竦亟M合工藝進(jìn)行污水處理。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生態(tài)環(huán)境；人工濕地；農(nóng)村生活污水；組合工藝

中圖分類號：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）1-127-5

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.032

0 引言

截至2020年11月，我國共有約2.5×106個自然村，有農(nóng)村人口約5.1億人［1］。目前，我國農(nóng)村居民的生活質(zhì)量已經(jīng)得到較大提升和改善，改善鄉(xiāng)村人居環(huán)境、打造美麗鄉(xiāng)村成為鄉(xiāng)村建設(shè)的首要任務(wù)。但由于農(nóng)村地區(qū)污水處理設(shè)施相對缺失，農(nóng)村生活污水還得不到良好處理。截至2021年，我國農(nóng)村生活污水處理率僅為28%［2］。農(nóng)村污水處理已然成為當(dāng)下改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的主要難題，極大地影響美麗鄉(xiāng)村建設(shè)進(jìn)度。近年來，人工濕地被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水等的深度處理，但單一的人工濕地在處理農(nóng)村生活污水時往往存在處理效率不高的問題［3］。人工濕地組合工藝在處理污水時具有運(yùn)行穩(wěn)定、出水水質(zhì)較好的優(yōu)勢，且兼具環(huán)境效益，已成為當(dāng)下農(nóng)村生活污水處理研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

1 我國農(nóng)村生活污水排放及處理現(xiàn)狀

我國農(nóng)村生活污水排放具有分散性、日變化系數(shù)大、排放時間集中等特點(diǎn)，且污水中的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)較多，可生化性較好［4］。但目前，我國農(nóng)村污水因水量、管道布設(shè)、處理成本及地域等因素?zé)o法得到良好處理，農(nóng)村地區(qū)的生活污水往往僅能依賴自然形成的溝渠直排，其排放去向以水體、農(nóng)田溝渠為主［5］。這種粗放型的排污方式容易造成農(nóng)村水體污染、蚊蟲滋生及地下水污染等問題，不利于農(nóng)村居住環(huán)境改善及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。此外，現(xiàn)階段建成并投入使用的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施在運(yùn)行出現(xiàn)問題或發(fā)生故障時，往往缺乏專業(yè)人員維護(hù)；部分地區(qū)相關(guān)監(jiān)管部門對農(nóng)村污水處理設(shè)施的監(jiān)管不到位，導(dǎo)致多數(shù)污水處理設(shè)施在運(yùn)行一段時間后便被閑置，這種現(xiàn)象也不利于農(nóng)村生活污水處理的健康發(fā)展［6］。在相同處理標(biāo)準(zhǔn)下，農(nóng)村污水處理若采用城鎮(zhèn)污水或工業(yè)廢水處理工藝，相關(guān)處理設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行成本較高。基于此，在農(nóng)村污水排放現(xiàn)狀及現(xiàn)有條件下，選擇一種經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境友好、易維護(hù)的污水處理工藝尤為重要。

2 人工濕地組合工藝

人工濕地主要由濕地基質(zhì)、水生植物和微生物三部分構(gòu)成，形成基質(zhì)-植物-微生物生態(tài)系統(tǒng)，污水進(jìn)入人工濕地后會在該生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物作用下得到凈化處理［7］。人工濕地是一種處理效果好、管理簡單的污水處理設(shè)施，可以以較低的成本處理污水，同時能提高水資源利用率、改善局部氣候、涵養(yǎng)水土、緩解干旱問題［8］。但單一的人工濕地抗沖擊負(fù)荷能力較差，直接用其處理COD較高和含有大量氮、磷等污染物的農(nóng)村生活污水時，出水水質(zhì)往往不理想。而采用人工濕地組合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，既可以降低農(nóng)村生活污水進(jìn)水量波動大及有機(jī)負(fù)荷高等因素對人工濕地的不利影響，提高農(nóng)村污水中污染物的總?cè)コ剩挚梢詼p少人工濕地的占地面積，擴(kuò)大人工濕地在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用范圍［9］。人工濕地組合工藝是一種典型的“生物+生態(tài)”污水處理工藝，多采用污水預(yù)處理工藝與人工濕地串聯(lián)的模式。污水在進(jìn)入該組合系統(tǒng)后，先經(jīng)前端污水處理設(shè)施進(jìn)行初步處理，然后再進(jìn)入人工濕地進(jìn)行深度處理，以達(dá)到較高的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［10］。綜合考慮污水處理成本、出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及后期污水處理設(shè)施的運(yùn)維管理難度等因素，目前在農(nóng)村生活污水處理中應(yīng)用較多的人工濕地組合工藝主要有厭氧-人工濕地、A/O-人工濕地、生物濾池-人工濕地、SBR-人工濕地。

3 人工濕地組合工藝在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用

3.1 厭氧-人工濕地組合工藝

在厭氧-人工濕地污水處理系統(tǒng)中，污水先進(jìn)入前端厭氧池進(jìn)行水解酸化（將污水中大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易處理的小分子有機(jī)物），再進(jìn)入人工濕地進(jìn)行后續(xù)處理，以達(dá)到良好的處理效果。厭氧-人工濕地組合工藝一般工藝流程如圖1所示。

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圖1 厭氧-人工濕地污水處理系統(tǒng)工藝流程

陳堯等［11］調(diào)研53個采用厭氧-人工濕地組合工藝處理農(nóng)村污水的典型案例后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)該組合工藝處理，出水的COD、NH4+-N、TP、TN 4項(xiàng)指標(biāo)能夠達(dá)到浙江省人民政府批準(zhǔn)發(fā)布的《農(nóng)村生活污水集中處理設(shè)施水污染物排放要求》（DB 33/ 973—2021）中一級標(biāo)準(zhǔn)要求的案例占比分別為98.1%、92.5%、98.1%和73.6%，全部案例的出水COD、NH4+-N、TP檢測指標(biāo)全部達(dá)到上述文件中二級標(biāo)準(zhǔn)，表明厭氧-人工濕地組合工藝在浙江省農(nóng)村生活污水處理中具備較好的適用性。

冀建平［12］針對成都市農(nóng)村地區(qū)居民居住分散、農(nóng)村閑置土地較多的特點(diǎn)，采用多級厭氧-人工濕地組合工藝對農(nóng)村污水進(jìn)行處理，使污水在多個厭氧池和人工濕地的共同作用下得到處理。該組合工藝具體流程如圖2所示。采用該組合工藝，污水COD、NH4+-N、TP、TN的去除率分別達(dá)到87.44%、78.75%、83.97%、73.58%，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18198—2002）中一級標(biāo)準(zhǔn)［12］。

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圖2 多級厭氧-人工濕地組合生活污水處理工藝流程

梁錦堃［13］提出采用厭氧水解酸化-人工濕地組合工藝，并在早、中、晚3個主要污水排放時間段進(jìn)行監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)該組合工藝對生活污水具有較好的處理效果，對SS、COD、NH4+-N、TP的去除率均在80%左右。該污水處理工藝設(shè)計充分考慮農(nóng)村污水排放現(xiàn)狀，利用地形級差，采用無動力污水處理方式，具有投資少、管理簡單、運(yùn)行成本低、不受氣候影響等特點(diǎn)。

綜上所述，厭氧-人工濕地組合工藝在典型分散式農(nóng)村生活污水處理中具有很高的適用性，且對農(nóng)村生活污水中污染物的去除效果較好。

3.2 A/O-人工濕地組合工藝

A/O-人工濕地組合工藝的污水處理流程如下：污水先經(jīng)過厭氧池進(jìn)行反硝化作用脫氮，再進(jìn)入好氧池由聚磷菌吸收污水中的磷，經(jīng)A/O工藝處理的污水再進(jìn)入人工濕地進(jìn)行深度處理。

熊仁等［14］采用“厭氧+跌水曝氣+人工濕地”的組合工藝，認(rèn)為采用該組合工藝可節(jié)省機(jī)械曝氣的能耗，降低處理成本。該組合工藝具體流程如圖3所示。采用該組合工藝時，污水先經(jīng)過厭氧反應(yīng)池，通過厭氧氨化和反硝化作用去除TN，經(jīng)跌水曝氣富氧的污水再進(jìn)人工濕地進(jìn)行深度處理。該組合工藝對COD、TN、TP、NH4+-N、SS的平均去除率分別為74.5%、57.2%、59.5%、59.0%、91.6%，對農(nóng)村生活污水的處理效果較好。

lt;E：＼2024年工作＼鄉(xiāng)村科技＼1月份＼1上內(nèi)文與目錄＼《鄉(xiāng)村科技》2024年1上正文＼Image＼image3.pnggt;圖3 “厭氧+跌水曝氣+人工濕地”組合工藝流程

有研究提出，傳統(tǒng)人工濕地填料存在基質(zhì)吸附不穩(wěn)定、易堵塞等問題，使用改良基質(zhì)可提高人工濕地對污水的處理效率［15-16］。甘雁飛等［17］采用硫鐵礦/顆粒碳復(fù)合基質(zhì)作為人工濕地填料，構(gòu)建改良型人工濕地，研究A/O-改良人工濕地組合工藝對農(nóng)村生活污水的處理效果；發(fā)現(xiàn)該組合工藝運(yùn)行穩(wěn)定，具備較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，改良人工濕地對污水中的TN、TP去除效果更好，對污水中COD、NH4+-N、TN、TP的總?cè)コ史謩e為83%、86%、83%、85%左右；提出在污水處理過程中應(yīng)充分考慮污水的資源化利用，如將污水處理和蔬菜種植相結(jié)合，在提高氮、磷等污染物去除率的同時培育出優(yōu)質(zhì)蔬菜，實(shí)現(xiàn)污染物的資源化利用。

陶昱明等［18］提出采用A/O濾池-人工濕地系統(tǒng)，具體工藝流程如圖4所示：污水先由蠕動泵自下而上打入A濾池，其中的有機(jī)氮分解為無機(jī)氮；A濾池出水依靠自重進(jìn)入有機(jī)械曝氣的O濾池，污水中的NH4+-N在O濾池中經(jīng)硝化作用得以去除；通過控制A/O濾池的水力負(fù)荷及濾池出水硝銨比、調(diào)整人工濕地種植蔬菜種類和配植比例，可在提高NH4+-N和TN處理效率的同時促進(jìn)蔬菜生長。采用該組合工藝，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)［18］。

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圖4 A/O濾池+人工濕地工藝流程

王鴦妮［19］采用微動力A/O+人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水：該工藝中的污水處理構(gòu)筑物全部采用地埋式，污水在前端經(jīng)水泵提升后進(jìn)入處理系統(tǒng)，在整個處理過程中污水僅依靠重力流動，大大降低了能源的使用，且系統(tǒng)運(yùn)維方便，占地面積小；試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝組合對污水中SS、BOD、COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分別為75.81%、86.91%、82.52%、86.54%、91.38%、69.74%；使用處理后的污水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，對土壤安全與蔬菜品質(zhì)有一定的提高，但也會使蔬菜硝酸鹽含量增高。

3.3 生物濾池-人工濕地組合工藝

污水在進(jìn)入生物濾池-人工濕地組合處理系統(tǒng)后，先經(jīng)生物濾池填料縫隙與濾池表面的生物膜充分接觸，其中的污染物在濾池內(nèi)被微生物初步分解，然后進(jìn)入人工濕地做進(jìn)一步處理［20］。

蘇功平等［21］采用復(fù)合生物濾池-潛流人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水：該復(fù)合生物濾池采用比表面積大、質(zhì)量輕的填料填充，填料室充足的孔隙能確保氧氣供給；后端人工濕地設(shè)置檢修反沖洗設(shè)施，可提高處理效率和使用壽命；該組合工藝可應(yīng)對農(nóng)村污水進(jìn)水水質(zhì)和水量波動較大的情況，在進(jìn)水COD、BOD5、TN、TP、NH3-N平均質(zhì)量濃度分別為98.92 mg/L、44.19 mg/L、27.19 mg/L、2.41 mg/L、16.90 mg/L的情況下，對污染物的去除效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，出水COD、BOD5、TP、TN、NH4+-N指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》（GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)。該組合工藝中的設(shè)備安裝方便、占地面積小、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低，且管理簡便，適合在農(nóng)村地區(qū)使用。

金秋等［22］針對農(nóng)村居民居住相對集中地區(qū)，提出采用脈沖雙層生物濾池-人工濕地組合工藝處理生活污水。在該組合工藝中，濾池采用脈沖布水方式，每隔相等時間進(jìn)行一次布水，可應(yīng)對農(nóng)村地區(qū)間歇性排水的特點(diǎn)；污水經(jīng)排水管網(wǎng)收集先進(jìn)入脫氮池，后由潛污泵提升到高位脈沖水箱，經(jīng)布水裝置布水后進(jìn)入脈沖雙層生物濾池進(jìn)行處理；濾池部分出水回流至脫氮池進(jìn)水端，部分回流至脫氮池出水端，其余出水進(jìn)入人工濕地進(jìn)行深度處理。該組合工藝流程如圖5所示。在該組合工藝穩(wěn)定運(yùn)行期間，應(yīng)控制濾池出水量與回流量之比為3∶1，高回流量雖然提高了工藝運(yùn)行成本，但其處理效果較好［對COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別為85.6%、96.2%、68.5%、89.8%，出水COD、NH4+-N、TN及TP的平均質(zhì)量濃度僅為26.6 mg/L、1.7 mg/L、3.1 mg/L和0.4 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)］。

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圖5 脈沖雙層生物濾池+潛流式人工濕地流程

改進(jìn)生物濾池進(jìn)水方式及內(nèi)部填料結(jié)構(gòu)能夠提高組合工藝對污水的處理效果。黃媛媛等［23］采用改進(jìn)生物滴濾池-人工濕地處理農(nóng)村污水，具體試驗(yàn)裝置及流程如圖6所示；用立體網(wǎng)狀材料作生物濾池填料，使污水、空氣和生物膜充分接觸，增加氧氣利用率，同時解決了填料堵塞、拆洗不便等問題；污水以水滴狀進(jìn)入生物濾池處理，經(jīng)濾池處理的污水部分回流至濾池進(jìn)水，另一部分直接進(jìn)入間歇曝氣的人工濕地進(jìn)行深度處理。該組合工藝對污水中COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為92.53%、99.55%和62.26%；出水COD、NH4+-N、TN平均質(zhì)量濃度分別為13.43 mg/L、0.07 mg/L、10.55 mg/L，均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)；出水TP平均質(zhì)量濃度為0.88 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》（GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)［23］。

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圖6 生物滴濾池-人工濕地試驗(yàn)裝置示意

綜上所述，生物濾池-人工濕地組合工藝具有出水水質(zhì)好、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)維管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于我國農(nóng)村地區(qū)生活污水處理。

3.4 SBR-人工濕地組合工藝

SBR工藝能夠較好地應(yīng)對農(nóng)村生活污水間歇式排放的特點(diǎn)，且對農(nóng)村生活污水具有很好的處理效果。采用SBR-人工濕地組合工藝處理農(nóng)村污水能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，前端SBR工藝可有效去除大顆粒污染物，減小人工濕地占地面積，以及避免堵塞情況的發(fā)生，后端人工濕地又可以彌補(bǔ)SBR對N、P的去除效果。

馬凱［24］采用SBR+人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，具體裝置及工藝流程如圖7所示。在該處理系統(tǒng)中，生活污水先由水泵抽至調(diào)節(jié)池，再經(jīng)污水泵抽至SBR池（通過控制污水泵的方式控制進(jìn)水時間，利用SBR池內(nèi)的攪拌裝置將進(jìn)水和污泥均勻混合）；污水經(jīng)過曝氣、沉淀后出水，出水進(jìn)入中間水池，由蠕動泵打入人工濕地進(jìn)行深度處理。馬凱［24］通過靈活改變前端SBR工藝的進(jìn)水、反應(yīng)階段的時間和其環(huán)境條件（好氧、厭氧、缺氧），很好地解決了農(nóng)村污水排放中水質(zhì)、水量變化大等問題，也達(dá)到了更好的處理效果。其中，SBR對COD、NH4+-N的去除貢獻(xiàn)率較高，人工濕地對TN、TP的去除貢獻(xiàn)率較高。采用該組合工藝，對污水中COD、NH4+-N、TN及TP的總?cè)コ史謩e為85.56%、97.76%、68.84%及85.13%，出水的TN、TP檢測值達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》（GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)，COD、NH4+-N檢測值達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)［24］。

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圖7 SBR+人工濕地組合系統(tǒng)工藝流程

馬銘陽［25］發(fā)現(xiàn)，溫度是影響SBR-人工濕地組合工藝對污水COD、NH4+-N和TP去除效果的重要生態(tài)因子；認(rèn)為該組合工藝在暖季運(yùn)行的溫度以保持在20～25 ℃最為合適，冷季運(yùn)行溫度以保持在15～20 ℃為最優(yōu)；在保證出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)且運(yùn)行成本最低的前提下，確定20 ℃為該組合工藝的冷季最佳運(yùn)行溫度；組合工藝在25 ℃時對COD、NH4+-N和TP的去除效果最佳，去除率分別為97.94%、97.49%、95.38%左右。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

人工濕地組合工藝在農(nóng)村生活污水處理中具有較好的研究價值和應(yīng)用前景，“生物+生態(tài)”的組合既可以互相彌補(bǔ)兩種污水處理技術(shù)的不足之處，又可以達(dá)到低建設(shè)成本、低運(yùn)維、穩(wěn)定出水水質(zhì)的目的，在農(nóng)村生活污水處理中具有很強(qiáng)的適用性。

4.2 建議

4.2.1 因地制宜選擇污水處理技術(shù)

農(nóng)村生活污水的處理不應(yīng)過度追求高標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、人文地理情況等，酌情選擇合適的污水處理技術(shù)。氣候適宜、地域遼闊、無敏感水體且缺乏運(yùn)維人員的農(nóng)村地區(qū)，應(yīng)選擇生態(tài)處理技術(shù)，以降低建設(shè)和后期運(yùn)行管理成本，減少污水處理設(shè)施出現(xiàn)故障的概率。若農(nóng)村地區(qū)的污水受納水體對水質(zhì)要求較高，且具備較為專業(yè)的維護(hù)人員，則可采用“生物+生態(tài)”的污水處理技術(shù)。

4.2.2 探索農(nóng)村污水資源化利用方式

農(nóng)村地區(qū)可積極探索將污水處理、農(nóng)業(yè)灌溉等有機(jī)結(jié)合的處理方式，將處理后的農(nóng)村污水回用至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，充分利用污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，以達(dá)到降低施肥成本、助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。

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