太阳能人工湿地净化农村生活污水研究展望

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(1.长江科学院 a.生态修复技术中心；b.流域水环境研究所，武汉 430010; 2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,宜昌 443002)

1 研究背景

随着我国新农村建设不断推进，农村水环境污染问题日益突出，农村生活污水排放量已占全国污水排放总量的一半以上。农村地区经济技术条件落后、居住比较分散，生活污水难以集中收集处理，90%以上生活污水未经处理直接排放到附近水体，导致农村地区及其周边水生态环境恶化[1-2]。农村生活污水净化处理后可作为灌溉水或其他用途使用，既有助于节约水资源，提高用水效率，同时还能有效解决污水横流和环境恶劣等问题，改善居民生活居住环境，降低与污染有关疾病的传播，减少由此引起的经济损失。

人工湿地具有基建投资小、污染去除效果好、布置灵活和运行维护管理方便等优点，十分适宜用于农村污水净化处理。农村地区地势开阔、太阳能资源丰富且便于利用，将成熟的太阳能技术耦合入人工湿地净化系统，设计出基于大自然节律变化的太阳能人工湿地系统，既能解决湿地运行中的能源供给，还能利用太阳能光伏产热和发电曝气，改善人工湿地低温季节运行效率低下、填料易堵塞和溶解氧供给率低等不足。本文在综合分析农村生活污水特征、人工湿地工艺缺陷及太阳能利用技术的基础上，提出太阳能湿地保温工艺和太阳能充氧及防堵湿地工艺，以期为后续设计和工程实践提供参考。

2 农村生活污水特征

农村生活污水数量、成分、污染物浓度与当地居民生活习惯、生活水平、用水量等密切相关，一般由洗涤用水、淋浴用水以及人畜粪便等构成。与城市生活污水相比，农村生活污水具有排水量小、有机物浓度偏高且日变化系数较大(一般在3.0～5.0)等特点[3]，这给生活污水收集和处理带来了很大难度。

同时，农村经济发展水平较低，管理落后，传统生活污水处理工艺如活性污泥法和生物膜法存在投资大、能耗高、运行管理要求高等制约，不适宜在农村地区推广[4]。因此，农村生活污水处理应根据当地情况，因地制宜、合理规划和设计，遵循经济、高效、节能和简便易行等原则，采用一种高效经济、符合现代生态理念的污水处理方法。

作为生态污水处理技术，人工湿地降解、转化和去除污染物性能优越，受来水负荷变化影响小，投资省、操作管理简单且能美化环境，可充分利用农村现有河流、池塘、农田和荒地兴建，在广大农村地区具有良好应用前景。

3 人工湿地的技术制约

我国在“七五”期间已开始研究人工湿地技术，现已成功应用于处理城市污水、工业废水和景观用水等方面[5]，但在实际运行方面仍然存在许多问题，主要包括低温季节污染去除率低、填料易堵塞和溶氧供给不足等。

3.1 低 温

在气温较低的季节，当湿地水温低于4 ℃时，微生物活性基本处于最低状态甚至休眠，加上植物干枯，湿地出水水质较差，难以达到设计出水水质要求。Song等[6]比较了中国北方地区人工湿地一年四季污染物去除效果，发现秋冬季节CODcr去除率比春夏季约降低10%，TP去除率约下降20%，NH4-N降低更超过40%。Akratos等[7]研究发现低温对湿地氮磷去除影响较大，15 ℃是维系系统有效脱氮除磷的最佳温度。在间歇曝气湿地内，Tang等[8]研究发现，湿地系统CODcr，NH4-N，TN和TP去除率分别在8月和11月达到极大值和极小值，温度下降使CODcr，NH4-N，TN和TP去除率分别降低5.3%，4.1%和7.6%。王茂玉等[9]研究发现，实施秸秆覆盖等简单保温措施后，湿地处理效果显著提高，有机物去除率普遍在80%以上，冬季湿地内温度>7 ℃可使有机物去除率保持较高水平。

3.2 堵 塞

堵塞问题被视为湿地运行维护过程中最大难题，Tuszyńska等[10]研究表明，堵塞可使湿地系统CODcr去除效率降低35.0%，NH4-N去除效率降低更是达到76.2%。对于湿地的堵塞机理，Chazarenc等[11]认为水体中有机负荷和悬浮固体是湿地系统堵塞的最主要贡献者，高有机负荷可以加速微生物代谢，产生更多污泥，而过高的总悬浮固体浓度则可直接积聚造成填料堵塞，通过曝气反冲洗等手段可以降低或避免湿地堵塞。另外，填料粒径也被视为影响堵塞的重要原因，孔径较大的填料可有效地延迟堵塞现象的发生。熊佐芳等[12]研究发现，垂直流人工湿地无机物积累高出有机物积累4.5倍以上，填料堵塞对CODcr去除效果影响不明显，但对NH4-N去除效果影响较大，随着填料堵塞程度加剧，NH4-N去除率逐渐下降。鄢璐等[13]发现无论是水平潜流湿地还是垂直潜流湿地，堵塞后土壤有机质均积累严重且主要发生在湿地前部表层, 水平流湿地和垂直流湿地有机质积累分别达到4.3%和5.0%。

3.3 溶解氧供给

湿地系统溶解氧供给主要源于大气溶氧和湿地植物泌氧，但由于量小，难以满足有机物降解、NH4-N硝化等需求，采取相应措施提高溶解氧利用水平是改善湿地污染去除效果的重要途径。在湿地前部、中部或后部曝气，均能提高湿地中的溶解氧，且前部和后部曝气的效果好于中部曝气[14]。Zhang等[15]发现强化充氧使湿地系统具有更稳定的pH环境，湿地中硝化菌数量明显增加，活性增强，硝化和反硝化作用都得到改善，强化充氧使TN去除率提高了48.3%。李春华等[16]在填料内人工曝气增氧，在最佳气水比为6 ∶1时，湿地系统 CODcr,NH4-N,TN和TP去除率分别达到67.1%,62.1%,60.2%,95.0%，合理人工曝气可在低温不利条件下保持较高污染物去除效率。柯凡等[17]通过微曝气垂直流湿地工艺处理低浓度生活污水，发现湿地氧利用效率最高为14.0%，在气水比1∶2条件下，BOD5和NH4-N去除率分别为74.4%和63.5%。Tang等[8]在人工湿地植物根际引入间歇曝气，与无曝气系统相比，曝气使CODcr,NH4-N,TN和TP的去除率分别提高6.0%，10.1%，4.7%和8.8%，间歇曝气能够有效提高人工潜流湿地污染物去除效率。Nivala等[18]进一步将曝气与保温复合应用，结果发现湿地系统的BOD5,CODcr和NH4-N去除效率分别可达到88.1%,44.0%和93.2%。

4 太阳能污水处理

太阳到地球的总辐射功率(换算为电功率)约177×1012kW，比目前全世界平均消费电力大数百万倍。太阳能不但数量巨大，而且不产生环境污染，在石油和煤炭等化石能源日渐枯竭、环境污染日趋严重的今天，太阳能愈来愈受到人们重视[19]。我国幅员辽阔，太阳能资源比较丰富，据估算，我国陆地表面每年接受太阳辐射能总量3.4×103～8.4×103MJ/m2，平均值约为5.9×103MJ/m2[19]。目前太阳能利用主要分为2方面[19-20]：①利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能，用于加热或保温；②利用光伏效应将太阳辐射直接转变为电能储存于蓄电池，应用于其他领域。在污水处理领域，太阳能的光催化、光伏加热和光伏发电等成功用于淡水生产、污水净化及资源回收等。

4.1 光催化

光催化降解污染物是太阳能污水处理中运用最为广泛的技术。Senthilnahan和Philip[21]采用薄膜连续光反应器催化降解农药，发现氮掺杂TiO2在光催化下可完全降解初始浓度为50～250 μg /L的甲基对硫磷、敌敌畏和林丹。Bernabeu等[22]研究发现TiO2光催化不仅能有效去除污水处理厂出水中的抗生素等新型污染物，还能100%去除粪大肠杆菌。复合抛物面太阳能集热器在800 kJm-2 UVA辐照强度下，光Fenton过程能够去除木材加工废水中70%的CODcr，高效液相色谱分析进一步表明废水中的甲醛、三聚氰胺等有机物被完全去除前已进行过有效降解[23]。在榨汁废水处理中，Lucas等[24]发现在Fe2+和H2O2浓度分别为5 mg/L和50 mmol条件下，31 kJ/L的UV太阳能辐射光Fenton反应促使有机物发生矿化和提高可生化降解性，CODcr和总酚去除率高达90%。对造纸污水，TiO2光催化降解造纸废水污染物符合准一级动力学反应，在最佳TiO2剂量(0.75 g/L)和pH(6.5)条件下，180 min阳光照射可去除75%的CODcr和80%的悬浮物，废水可生化性得到很大提高，BOD5/CODcr的比值可达到0.35[25]。光催化过程在饮用水消毒方面也获得成功，在投入Fe(Ⅲ)的PET塑料瓶中，TiO2光催化能够去除井水中94%以上的As(Ⅲ)和AS(Ⅴ)(初始砷浓度为500～1 800 μg /L)，提高了含砷水体的饮用安全性[26]。

此外，光催化能够与其他污水处理技术相结合。在pH=5条件下，添加20 mg/L的H2O2后，单独太阳光照射可去除自来水中50%～60%的总有机碳(TOC)；如果再投入1 mg/L Fe3+，TOC去除率将增加至70%～90%。Moncayo-Lasso等[27]将光催化与慢砂滤相结合后，加氯消毒前的慢砂滤能够完全去除水体中的天然有机质，少量残余TOC可有效避免消毒过程中三氯甲烷生成，提高了自来水饮用安全性。光催化+湿地在处理市政污水中也表现出极大优势，Antoniadis等[28]发现光催化氧化和后续沉淀可去除85.9%的溶解态有机碳和73.0%的磷，湿地能进一步削减12.7%的总溶解态有机碳和17.9%的磷。

4.2 光伏加热

光伏加热的基本原理是通过太阳能辐射收集，转换成热能加以利用，辅助污水处理系统保温。Meng等[29]利用温室-太阳能热水器组合增温工艺提高和保持厌氧消化反应器的消化温度,实现厌氧消化反应器在中温(春、秋、冬季)和高温(夏季)条件下高效稳定运行。研究发现，与自然状况下的厌氧反应器相比，温室中的太阳能加热系统可使反应器温度在春、夏和秋季分别提高13.0～28.5 ℃，15.0～26.5 ℃和10.7 ～12.2 ℃。考虑到地中海地区丰富的太阳能资源，Scrivani等[30]提出利用太阳能进行淡水生产和污水处理设想，通过太阳能将海水加热至250～350 ℃，在对水体消毒同时，生成的水蒸气通过压缩冷凝生产淡水。污水处理方面，加热蒸发掉水分后，高温消毒后的残余物作为肥料回田。于威等[31]设计的日光温室太阳能土壤加温系统可提高地温4～5 ℃，比地埋秸秆增加地温3～4 ℃。张建洲等[32]利用太阳能照射塑料薄膜保证湿地系统在冬季或夜间维持正常运行所需温度，确保了植物在寒冷季节处理生活污水的能力。

4.3 光伏发电

光伏发电具有发电效率高、功率大、占地小和布置灵活等优点，根据光线采集方式不同，可分为槽式、塔式、碟式、菲涅尔式光热发电系统，其中槽式是目前技术最成熟、应用最广泛的技术[33]。光伏发电技术在污水处理中得到了成功应用，于萍等[34]在张家港市重污染河道花园浜河中引入了太阳能曝气，结果发现上下游30 m范围内水体DO浓度较之对照区显著升高，运行一段时间后，水体透明度得到明显改善，CODcr，TN，NH4-N和TP最大去除率分别达到37.2%，16.9%，45.6%和33.5%。吴东磊等[35]提出将太阳能发电系统与曝气机相连，利用曝气管对湿地进行曝气，保证湿地系统内微生物溶解氧需求，增强污水有机物的氧化分解。李跃起等[36]申请了农村人工湿地的太阳能供电专利，计划利用太阳能发电系统解决偏远山区和农村污水处理站无常规电网、用电难等问题，在节约资源的同时为农村污水的湿地净化处理提供可靠的清洁能源。

5 太阳能湿地技术

太阳能光热和光电效应能解决湿地系统低温处理效率下降、溶解氧供给不足和堵塞等问题。将太阳能利用与湿地工艺相结合，探讨提出太阳能湿地保温和湿地供氧及防堵技术，能够为农村生活污水高效处理提供新的技术支撑。

5.1 太阳能湿地保温

采用太阳能光热效应储存能量，在低温季节和夜间为湿地系统供热保温，能够提高湿地填料吸附滞留、微生物新陈代谢和植物组织吸收污染物效率。太阳能湿地保温技术见图1。

图1 太阳能湿地保温技术路线Fig.1 Technical route of solar heating wetland

从图1可看出，利用太阳能集热器收集辐射和实施热转移，借助温度控制器的探针调控湿地系统水温，确保湿地正常运行；在湿地系统内敷设加热盘管等热传导设施，由热转移调节器控制系统保温或加热。为尽量提高热利用效率，湿地结构可采用绝热材料，余热在热转移调节器控制下进入热储存装置，进行丰歉调节。

5.2 太阳能湿地供氧及防堵

太阳能光电效应为湿地供氧和防堵塞提供了技术可能。利用太阳能供电驱动湿地填料内部布置曝气管或曝气头，既能提高湿地溶解氧可利用率，还能够氧化降解有机物，预防因有机物积累导致的堵塞。对已堵塞物，还可利用气流破坏淤积物，再生湿地填料内孔隙和污染去除性能。太阳能湿地供氧及防堵技术见图2。

图2 太阳能湿地供氧及防堵技术路线Fig.2 Technical route of solar aerated anti-blocking wetland

从图2可看出，利用太阳能电板收集辐射和产生电能，并储存于蓄电池中，采用可编程逻辑控制器(PLC)调节湿地供氧和曝气参数。为提高湿地微生物溶解氧利用效率，可将曝气装置埋设于上层30 cm填料内，该区域的污染去除最活跃且最易堵塞[8]。

6 结 语

我国广大农村地区太阳能资源丰富，经济技术条件落后，采用廉价高效和简便易行的生活污水处理技术对改善农村生态环境，保障生产、生活和生态用水安全十分必要。本文将太阳能技术与人工湿地有机结合, 提出了基于绿色能源利用的湿地保温技术和湿地供氧与防堵技术。新型人工湿地技术适宜处理农村地区分散和难以集中收集处理的生活污水，还能够有效解决湿地工艺自身存在的地温季节效率低、易堵塞和供氧不足等问题，改善了湿地除污效果和运行的稳定性，且管线布置少、易维护操作、无能源消耗、可灵活布置等特性有利于其推广应用。为了推动太阳能湿地技术在实际工程中的应用，今后还需进一步提高太阳能光热和光电生成和储存技术、降低太阳能装置成本，提高其经济技术效益。

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