无性系柳床人工湿地技术在农村生活污水处理中的应用

李金中，李学菊

（天津市水利科学研究院，天津 300061）

1 引言

农村生活污水污染类型以有机耗氧污染和氮磷污染为主，N、P 含量高，可生化降解性好，但排放分散，处理上要求低能耗、低运行费、维护简单。目前我国农村生活污水处理刚刚起步，传统污水处理工艺因建设费用高、运行费用高、能耗高、对氮磷去除效果差，很难适应农村生活污水处理的需要[1-6]。

国内外学者已开始尝试利用人工湿地处理农村生活污水，极大地降低了农村生活污水处理的能耗和运行成本。但迄今为止，人工湿地植物配置上以多年生草本植物为主，存在植物生长期相对较短、抗逆性差、容易退化、维护管理成本高、经济利用价值低等不足[7-9]。

为此，笔者将无性系灌木柳引入人工潜流湿地，构建出一种新型的无性系柳床人工湿地技术，并将无性系柳床人工湿地与三格式化粪池、固定化微生物滤池有机结合，提出一种用于农村生活污水处理的微动力生物生态处理技术，在天津市静海县建立示范工程，综合利用物理作用、微生物作用及湿地生态作用实现对污染物的低耗高效去除，具有水处理效果好、建设投资低、能耗小、运行费用低、管理维护方便等优势，而且进一步降低了湿地系统的管理强度和运行成本，大幅度提升了潜流湿地地表植物的经济效益和生态价值。

2 示范工程及其工艺流程

示范工程位于静海县良王庄乡十里堡村，距静海县城5 km，距天津市区20 km。该村现有村民400多户，共1 300人，排放废水主要为村民生活污水，排放量为80 m3/d。示范工程采用三格式化粪池+固定化微生物滤池+人工湿地组合的微动力生物生态集成工艺，工艺流程如图1所示。

图1 微动力生物生态集成技术工艺流程

三格式化粪池基本原理是利用物理沉降作用对生活污水进行固液分离，同时起到水量调节和水质均化的作用。它由3 个相互连通的密封化粪池组成，粪便经三格式化粪池储存、沉淀发酵，能较好地起到杀灭虫卵及细菌的作用，粪渣及漂浮物被拦截在池内，清液进入下一级处理单元。

固定化微生物滤池是装有填料的好氧生物反应器，池内填充多孔的生物填料，微生物附着在载体的表面形成微生物膜，废水在与生物膜接触过程中，污染物均被微生物吸附、氧化分解得以去除。固定化微生物技术替代传统的污泥回流技术，最大限度地降低了污水处理的能耗，池底安装微孔增氧装置为微生物活动提供了充足的氧源。

人工湿地采用波式流潜流湿地技术，波式流潜流湿地由人工基质、水生植物和微生物组成，是一种独特的“基质—植物—微生物”生态系统。该系统中，污水以波浪式流经填料表层和底层时，反复经过好氧、厌氧以及硝化和反硝化的过程，从而实现对有机污染物和氮磷的高效去除[10-19]。

到目前为止，人工潜流湿地植物选择一般以多年生草本植物为主，虽然具有较好的景观效果和水质净化能力，但草本植物生长期相对较短，易受病虫害干扰，春季对水位要求较高，抗逆性差、维护不当容易退化，而且植物收割后经济利用价值低，难以回收利用，增加了湿地维护管理的成本。为此，本研究对传统人工潜流湿地技术进行了改进，将无性系灌木柳成功引入人工湿地，替代传统湿地表面的多年生草本植物[20-26]。

无性系灌木柳适应性强、生物量大、轮伐期短，是培育生物能源林的理想树种，具有较高的经济价值和生态价值，发达国家早在30多年前就进行了灌木柳生物能源林的培育和应用研究。近年来，我国陕西、北京、江苏等许多地方已开展了无性系灌木柳品种的选育和引进工作，多个品种因根系发达、耐水淹、耐平茬、萌能力强，已被成功应用于湖滨带生态修复、水系周边的植物固岸护坡等生态工程，但该植物在人工潜流湿地基质中的应用目前尚属首次。

无性系柳的栽植方式主要采用幼苗移植和扦插移植两种，最佳移植（或扦插）时间为4月上旬至5月底，此时正值无性系柳萌芽，移植（或扦插）成活率最高。幼苗移植时，湿地表面的水深控制一般以5 cm以下为宜，水深过大容易造成植株飘浮，影响种植效果。扦插移植时，水位应略低于填料表面，但应高于插穗底端。湿地内无性系柳种植/移植的行距控制为0.8～1.2 m，株距控制在0.5～0.8 m，种植密度为1～3株/m2[27-29]。

3 水质净化效果及运行管理

2013年5—12月，对示范工程进出水水质进行了4次监测，监测点位分别在进水口和出水口各设1个，共2 个监测点。监测项目包括pH、CODCr、氨氮、总氮和总磷。化学需氧量测定采用催化消解-分光光度法，仪器为CODCr快速测定仪（HE-9906，德国）；总氮和总磷测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法，氨氮测定采用纳氏试剂比色法，仪器为紫外分光光度计（UV-7504c，上海）；溶解氧测定采用电化学探头法，仪器为溶解氧测定仪（YSI52），结果见表1。

表1 处理系统进出水水质

由表1 可以看出，无性系柳床人工湿地出水CODCr浓度低于50 mg/L、氨氮低于5 mg/L、总氮低于15 mg/L、总磷低于0.5 mg/L，水质可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A 标准。示范结果表明，该技术对CODCr、氨氮、总氮、总磷的去除率分别可达到88.0%～92.2%、90.4%～91.9%、90.5%～92.2%、92.8%～98.6%，截污减排效果显著。

示范工程机电设备仅为2台潜水泵（1用1备）、1台鼓风机和1台电磁流量计，潜水泵采用水位自耦开关控制，鼓风机采用时间自耦开关控制，操作管理非常简单，对现场管理人员的要求极低，一般村民就可负责看管。

无性系灌木柳生长速度极快，一年株高生长量可达到2.5～3.0 m，而且具有极高的萌蘖能力和耐平茬能力，收割后可迅速萌蘖，一般不需要进行过多的日常维护，收割后的植物枝条可作为活性炭加工制作的原材料，也可以作为原浆纸生产的原材料，具有较高的经济价值。无系性灌木柳的根桩粗在1.3～5.5 cm时，条高生长加快，萌蘖数增加。随着苗龄增加，根桩加粗，产条量不断提高。此时，可对其进行平茬收割。平茬一般在秋、冬季节进行，平茬高度应掌握在8～15 cm。尽量控制根桩高度，使其不要抬高过快，一般连续平茬7～8年，应削茬1次，但不宜低于地表。

4 结论

通过以上分析，得出以下主要结论：

（1）将三格式化粪池、固定化微生物滤池、微孔增氧技术、无性系柳床人工湿地集成的链式生物生态净化系统，对生活污水中CODCr、氨氮、总氮、总磷的去除率分别达到88.0%～92.2%、90.4%～91.9%、90.5%～92.2%、92.8%～98.6%，出水水质可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准的要求，截污减排效果显著。

（2）无性系灌木柳引入人工潜流湿地构建出的无性系柳床人工湿地技术，不仅降低了人工湿地的维护强度和运行成本，而且可以有效提升了潜流湿地地表植物的经济效益和生态价值。

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