人工湿地处理农村污水的探讨

虞启义 全晓泉

近年来，农村经济的快速发展，农村污水排放量迅猛增加，而据统计，截至2006年，我国96%的农村没有污水处理设施，基本处于空白［1，2］，这些加剧了我国水体污染和富营养化。目前，城镇污水处理主要依赖于传统模式的集中式或点式水处理工艺，但对于广大农村地区，由于经济实力及技术手段的欠缺，位置偏僻，缺乏公共的排水管网，显然无法照搬城镇的污水处理系统。

人工湿地污水处理系统因其建设费用少，运行成本低，操作简便，易于管理等优点，很适合在我国广大农村应用，特别对当前我国正开展新农村建设具有重要的现实意义［3-5］。

1 人工湿地概念及处理机理

1． 1 人工湿地概念

人工湿地(Constructed Wetland，简称CW)处理系统源于对自然湿地的模拟，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的净化处理［6］。

人工湿地根据水流方式可以分为3类:表面流湿地、水平潜流湿地、垂直流湿地。具体的特征和优缺点见表1。

表1 不同类别人工湿地的特点

1． 2 人工湿地的处理机理

人工湿地利用自然生态系统中基质—微生物—植物的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解，及硝化和反硝化作用实现废水的净化［7］。1)有机物的去除。废水中的有机物可分为可溶性有机物和不溶性有机物。对于不溶性的有机物，人工湿地主要是通过沉淀、过滤作用而被截留在湿地中;可溶性的有机物则通过植物根系生物膜或微生物的吸附、吸收及生物降解代谢被分解去除，最终转化为生物的自身结构成分或通过有氧呼吸分解为CO2与H2O。2)氮的去除。人工湿地对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉积，其主要是通过植物吸收、微生物硝化和反硝化作用。废水中的氮以无机氮和有机氮两种形式存在，有研究表明无机氮仅占总氮量的8%～16%［8-10］，这些无机氮被人工湿地中的植物直接吸收，合成植物蛋白质。大部分的有机氮则需要通过微生物的硝化和反硝化作用得以去除，这基于湿地系统中的植物根系的输氧及对氧的释放，使得床体内部存在许多好氧、缺氧和厌氧区，这相当于许多串联或并联的A2/O单元，使得硝化和反硝化同时进行。其过程可以人总结国内研究人工湿地治理各种含氮的污水［8］，发现人工湿地的TN去除率可达64%～98%。研究还发现人工湿地除氮效率，与湿地系统的设计、植物种类、植物根部环境的化学性质、植物摄取量、可利用碳源、pH及基底材料类型有关［11］。3)人工湿地对磷的去除。人工湿地对磷的去除作用包括吸收、化学沉积、植物和藻类吸收。研究表明［8］:植物在人工湿地P的去除中起的作用很少，而主要是通过基底材料中钙、镁与磷作用形成沉淀得以去除;但当随着时间的推移，Ca，Al，Fe和土壤颗粒沉淀反应的饱和及泥炭累积，植物将起到最大的除磷作用，但系统整体除磷效果将会明显下降［8，12］。因此为了加强湿地的除磷能力，在湿地建造中尽可能的选择含钙、镁和铁丰富的材料作为基底。据资料显示，人工湿地对污水中TP的去除率可达48．0%～97．2%［8］。

2 国内外研究状况

人工湿地净化污水始于1953年德国的Max Planck研究所，到了20世纪70年代末期大面积开展试验应用［16］。随着研究不断深入，污染物净化机理逐渐清晰，工艺参数愈加优化，技术日趋完善，人工湿地逐渐发展成为一种独具特色的新型污水处理技术［13-17］。在欧洲，如瑞典，自1996年到2002年间，在农业流域建设了超过2 350 hm2湿地;丹麦也建造了大约3 200 hm2湿地。在美国，目前有数百处人工湿地工程用于各类废水处理［16］。我国，人工湿地起步于20世纪90年代，在深圳白泥坑建立起中国第一个人工湿地污水实验基地。近年来，人工湿地得到长足的发展，已在城镇污水处理、农田径流废水处理、工业废水处理、养殖废水处理等方面得到了相关应用［18-20］。刘亚琼等人研究总结国内有关人工湿地处理生活污水成果［8］，指出人工湿地净化生活污水，在进水浓度较低的情况下，人工湿地对BOD的去除率可达85%～95%，对COD的去除率可大于80%，经湿地处理后出水BOD的浓度一般在10 mg/L左右，SS＜20 mg/L。杨俊等人总结并综合我国有关人工湿地处理农村生活污水的研究和工程实践，提出人工湿地处理农村生活污水的典型水力负荷及典型村庄人工湿地占地面积估算(见表2，表3)(以潜流湿地为例)［20］。

表2 水力负荷

表3 典型村庄人工湿地工程估算

3 人工湿地技术在农村应用的优势

3． 1 投资处理费用低

对于我国农村地区，因经济实力和技术手段偏低，投资运行费用已直接成为影响是否需要污水处理的重要因素。表面流和潜流人工湿地因无需大量人工构筑物和机电设备，无需曝气、投加药剂和回流污泥，也没有剩余污泥产生，大大节省投资和运行费用。为此，潘宁［3］对人工湿地技术与传统处理工艺投资及运行成本进行比较，具体见表4。

表4 二级污水处理厂与人工湿地处理系统投资及运行费用比较 元/t

由表4不难发现人工湿地的运行、建设成本均比传统二级污水处理远低，这对现阶段我国农村污水处理，经济上说明了比较切实可行。

3． 2 维护管理技术要求低

人工湿地技术基本上不需要机电设备，无剩余污泥处理的困扰;维护上仅做清理渠道及作物的管理，而这些往往是农村人员的长处，故日常管理一般人员完全可以承担，仅需个别专业人员定期检查。故维护技术管理低，十分适合农村技术力量薄弱，粗放型管理。

3． 3 应用范围广且具有景观效果

人工湿地的主要缺点是占地面积大，处理负荷低。而当前农村生活污水水质具有污染物相对简单、浓度低的特点，且村庄四周往往池塘、水沟遍布，土地资源供应相对丰富，十分有利于人工湿地技术的应用。人工湿地自身就是一个小型水生生态系统，特别是表面流湿地，可作为滨水景观的一部分。在湿地设计时，纳入景观设计，如引入凉亭，小桥，莲池等美化设计，充分利用部分湿生植物(如美人蕉、鸢尾等)的景观作用，这样既实现人工湿地本身的功能，同时也满足了良好的景观效果，一举两得。

4 人工湿地技术应用中注意的问题

1)人工湿地的堵塞:人工湿地在农村的长期运行，并随着有机物在基质中不断积累，过多地种植植物等容易造成湿地的堵塞，这在实际运行中应十分关注。2)污水回用需消毒:长期以来农村居民生活卫生条件较差，若经人工湿地处理的污水回用农田灌溉应注意灭菌消毒，以减少致病细菌传播的可能。3)温度影响:气温是影响人工湿地主要影响因素，特别是表面流人工湿地，低温条件下，植物生长代谢缓慢，微生物活性大大降低，从而导致污染物的去除率降低。因此在冬季应降低人工湿地的负荷。4)卫生问题:人工湿地，如果进水负荷过高，供氧不足，易形成厌氧反应，将释放出难闻的气体。此外，若管理不善，夏季易滋生虫蝇，卫生条件差等问题。因此实际运行应加强进水的负荷控制。

5 结语

长期以来由于资金短缺和污水处理意识淡薄，农村污水污染随意排放。人工湿地作为一种低能耗、高效率，且本身就是一个小型水生生态景观系统，其充分利用农村的优势条件，较好处理了农村污水，即将在我国新农村建设中发挥出重要作用。

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