模块化人工湿地在农村生活污水处理中的应用

刘振东，汪 健

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)



模块化人工湿地在农村生活污水处理中的应用

刘振东，汪 健

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

摘要：阐述了我国农村生活污水的特点，在阅读大量文献的基础上，归纳了国内农村生活污水分散式处理的现状，分析了人工湿地在农村生活污水分散式处理中存在的施工质量以及后续堵塞维护问题，提出了人工湿地模块化是解决问题的有效途径，而单元型、筐篮型、粘结型模块化产品是人工湿地的三个应用方向。

关键词：农村生活污水；施工质量；堵塞；人工湿地模块化

1引言

由于过去农村长期粗放式的发展，致使我国农村约59万个村庄面临严重的环境污染问题。在环境污染治理方面，生活垃圾处理仅占1/3，生活污水处理更是不到10%。 2015年环保部指出：在“十三五”期间全国将新增完成13万个建制村环境综合整治，农村水污染整治刻不容缓。目前，针对经济发展相对落后、技术水平有限的农村地区，我国应用的主要分散式处理技术有土地处理技术、人工湿地技术、厌氧生物处理技术、稳定塘技术、生物膜处理技术以及膜反应器[1～4]。其中，人工湿地作为一种成本低、灵活、易于管理维护的分散式污水处理设施而获得更多关注[2，5～7]，这也给发展中国家的生活污水处理提供了理想的选择[8]。研究表明：人工湿地对有机污染物有较高的处理效率[9]，出水可通过农业灌溉等方式回用[10]。

然而，相比于排放集中的城市生活污水，农村生活污水因人口居住分散具有排放分散、污水量小[11，12]的问题，施工队伍的施工水平难以保证人工湿地生活污水的处理效果，同时，堵塞后的维护问题是阻滞人工湿地推广应用的最大障碍[13，14]。因此，在借鉴国内外人工湿地先进处理技术的基础上，立足于中国国情，国内学者在人工湿地的施工质量、堵塞等方面做了诸多探索。

2农村生活污水分散式处理现状

2.1农村生活污水的污染现状及水质特征

20世纪80年代开始，我国农村水环境质量不断恶化，近几年每年生活污水排放量有80亿t。目前农村水环境问题主要表现在：①工业点源污染，乡镇企业和集约化养殖场布局不当、污染治理力度不够导致的污染；②农业面源污染，现代农业生产手段的过度使用带来的污染；③生活源污染，乡镇等农村聚居点因缺乏规划和环境管理滞后造成的污染。其中，生活污水因人口居住分散、经济基础薄弱、地形条件复杂[15]不便进行集中处理。

农村生活污水是指农村居住分散的居民生活过程中粪便及其冲洗水、洗浴污水和厨房污水等[16，17]，还包括一些农村分散养殖过程中所产生的污水。农村生活污水含有机物质、氮磷营养物质、悬浮物及病菌等污染成分，各污染物排放质量浓度一般为： CODCr为250～400 mg/L，氨氮为40～60 mg/L，TP为2.5～5.0 mg/L。中国农村生活污水主要水质特征有以下几点：农村村镇人口较少，分布广泛且分散，大部分没有污水排放管网；农村生活污水浓度低，变化大；大部分农村生活污水的性质相差不大，水中基本上不含有重金属和有毒有害物质，含一定量的氮、磷，水质波动大，可生化性强；不同时段的水质不同；厕所排放的污水水质较差，但可进入化粪池用作肥料[18]。因此，根据农村生活污水的水质特点，适合用生物法进行处理。

2.2农村生活污水分散式处理现状

目前，在农村生活污水的治理过程中，分散式污水处理已成为国内外生活污水处理的一种理念和方法[19]。国外较早对于农村生活污水分散处理技术展开了相关研究，并积累了一定经验[20]，形成了较为完善的体系。

我国从20世纪80年代开始开展生活污水分散式处理的研究工作，许多形式各异的无动力或微动力的低能耗型一体化污水处理装置得到应用。在我国农村常用的分散式污水处理工艺主要有：化粪池、沼气发酵、垂直流人工湿地、土地快速渗滤系统、高效藻类糖等以及上述各种工艺的组合[21～26]。例如，在上海针对相对落后的松江地区使用稳定塘、土壤入渗的人工湿地系统、稳定塘处理系统处理农村生活污水，展现出良好的可行性[27]；朱海波等[28]在陕西关中农村采用水解酸化池和人工湿地组合工艺，并提出冬季运行管理技术要点，确保了污水处理效果的稳定。

然而，受到经济条件和环保意识的限制，农村生活污水整体处理率仍然很低[1]。人工湿地作为一种灵活、成本低的分散式污水处理措施同样面临施工质量、堵塞的问题，这限制了人工湿地的推广应用[13，14，29]。

3模块化人工湿地在处理农村生活污水中的应用

我国第一座人工湿地于1987年建成[30]，随后约有450座人工湿地系统相继建立。截至2012年，人工湿地已占农村生活污水的20%。但是堵塞问题往往制约着人工湿地的推广应用[31]；同时，处理农村分散式农村生活污水的问题在于，工程量太小，专业施工队伍参与的积极性不高，由村里的施工队施工的质量难以得到保证。人工湿地模块化是解决以上问题的可行思路，通过模块化和系列化实现施工过程的标准化，可以有效解决人工湿地基质堵塞后的快速更换及农村施工队伍专业化程度不高的问题。在我国，现有的人工湿地模块化设计思路主要有以下3种。

3.1单元型模块化人工湿地

将人工湿地分为一个独立的填料单元，两个单元可以交替运行实现人工湿地的轮休以解决堵塞问题。

张统等[32]公开了一种快速装配式人工湿地填料单元，系统自上而下包括，土壤层、隔土层、承托层、人工填料单元层、卵石承托层、防渗层(图1)，工厂可进行批量生产，方便装配施工，组建的人工湿地污水处理系统生物量大，水力停留时间短，处理效果好，并且系统不易堵塞、可修复、运行费用低、土地可复用。

3.2筐篮型模块化人工湿地

筐篮型人工湿地是指在不影响人工湿地内部水流前提下用一定尺寸的外部网状结构将基质一块块框起来，筐篮直接的缝隙利于供氧，同时方便人工湿地的施工及后续维护。章北平等[33]发明了一种长、宽、高为100～1 000 mm的盒状无盖筐篮结构(图2)，壁厚2～4 mm，外框上有多个穿孔，可实现规模生产，质量稳定，便于现场安装施工，所用模块有多种尺寸，可根据实际情况进行改装和拆卸，能够节省人力物力，降低成本。

3.3粘结型模块化人工湿地

粘结型模块化人工湿地是指在尽量不影响人工湿地基质处理污水的情况下，用粘结剂将基质粘结起来做成块状基质并应用于人工湿地的技术。尧平凡[34]针对垂直潜流人工湿地堵塞问题提出表层布水系统基质模块化的思想，即用骨料、水泥、水、减水剂为原材料制备成多孔混凝土砖块，堵塞时可以实现快速更换，在施工上解决堵塞问题；王晟等[35]利用高炉渣、粉煤灰、水泥为粘结剂发明了小型人工湿地的模块结构，模块分为有管模块和无管模块，有管模块中含穿孔管用于输送污水，无管模块不含穿孔管在湿地中起支撑、蓄水和布水作用，模块由套网、轻质填充料和穿孔管组成，易于搬运安装，可由非专业施工队伍完成，应用于农宅房前屋后庭院；曾丽璇等[36]将电厂废弃物粉煤灰作为人工湿地填料的材料，结合碎石、水泥和萘系高效减水剂根据正交实验得到所用碎石级配10～16 mm，粗骨料∶水泥∶粉煤灰∶水的质量比为1∶0.15～0.20∶0.05～0.1∶0.06～0.08，减水剂按水泥和粉煤灰总质量的1%～2%添加，并应用于水平潜流湿地取得比传统人工湿地更好的处理效果。Park等[37]在多孔混凝土净化污水的实验中得出：浸泡在污水中的多孔透水混凝土的多孔结构提供了适于微生物生长的生存环境，可以去除90%的总悬浮颗粒物、65%的总磷和80%的总氮。因此，将多孔混凝土应用于人工湿地基质有广阔的应用前景。

4结论与展望

基于模块化设计思路的人工湿地充分考虑了我国农村施工水平的实际情况，利用核心技术集中生产模块化产品，然后将其应用于农村分散式生活污水，不仅人工湿地施工质量得到保证，而且无需专业的施工队伍，日后对于人工湿地产生的堵塞问题也可根据堵塞周期进行定期统一的更换，有利于长时间的维护管理。

目前，在农村生活污水分散式处理方面人工湿地模块化产品还没有统一的制备标准，包括原材料的选取、尺寸的统一、制备的工序等。单元型模块化人工湿地尺寸较大，现场布置会受限制；筐篮型模块化人工湿地基质筐篮的孔隙尺寸及密度可能会影响人工湿地进水的流动状态；粘结型模块化人工湿地中的粘结剂会改变基质成分，需要对模块化人工湿地生活污水处理效果进行大量的理论实验研究，并与传统人工湿地处理效果作比较，确保模块化人工湿地的可行性，为将来人工湿地在农村生活污水分散式处理中的推广提供参考价值。

参考文献：

[1]孙鹏.人工湿地技术在农村分散式生活污水处理中的应用于探讨[D].青岛：青岛大学，2013.

[2]张迎颖.潜流人工湿地处理农村生活污水的工艺研究[D].南京：南京农业大学，2009.

[3]张增胜.农村分散式污水处理适用技术及机理研究[D].上海：东华大学，2010.

[4]苏鸿洋.中国村镇分散生活污水处理技术现状[J].给水排水，2015(41):197～200.

[5]Ronald Crites，Sherwood Reed，Robert Bastian.Land treatment systems for municipal and industrial wastes[M].USA:McGraw-Hill publishing，2000.

[6]韦慧.复合生态塘治理农村生活污水应用研究示范[D].昆明:昆明理工大学，2008.

[7]Jan Vymazal.Constructed wetland for wastewater treatment[J].Ecological Engineering，2005，25(5):475～477.

[8]Kivaisi，Amelia K.The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and reuse in developing countries:a review[J].Ecological Engineering，2001，16(4):545～560.

[9]Vymazal J.Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[J]. Science of The Total Environment， 2007，380(1～3):48～65.

[10]Zhang T，Xu D，He F.Application of constructed wetland for water pollution control in China during 1990～2010[J].Ecological Engineering，2012(47):189～197.

[11]刘晓璐，牛宏斌，闫海，等.农村生活污水生态处理工艺研究与应用[J].农业工程学报，2013(9)：184～191.

[12]谭学军，张惠锋，张辰.农村生活污水收集与处理技术现状及进展[J].净水技术，2011(2):5～9，13.

[13]Langergraber G，Haberl R.Laber J，et al.Evaluation of substrate clogging processes in vertical flow constructed wetlands[J].Water Science & Technology，2003，48(5):25～34.

[14]李忠民.人工湿地研究进展综述[J].绿色科技，2012(6):151～154.

[15]李海明.农村生活污水分散式处理系统与实用技术研究[J].环境科学与技术，2009，32(9):177～181.

[16]何安吉，黄勇.农村生活污水处理技术研究进展及改进设想[J].环境科技，2010，23(3):68～75.

[17]黄琳丽，潘晶，孙铁珩，等.我国分散式生活污水生态处理综析[J].安徽农业科学，2011，39(2):877～879，888.

[18]任婧文.农村生活污水处理设施综合技术应用研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[19]Hellstrom D，Jonsson L.Evaluation of small wastewater treatment systems[J].Water Science and Technology，2003(48):11～12.

[20]张家炜，周志勤.浅析农村生活污水分散式处理适用技术[J].环境科学与管理，2011，36(1):95～99.

[21]曹杰.人工湿地对农村生活污水的处理效果研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[22]关华滨.新型化粪池处理生活污水的试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[22]王云龙，张徵晟，陶琪.四种农村生活污水处理工艺比较[J].水处理技术，2011，37(7):133～136.

[23]李荣峰，兰翠玲，马博.沼气发酵原料研究进展[J].中国农学通报，2011，27(30)：1～5.

[24]Zhou Q，He S L，He X J，et al.Nutrients removal mechnisms in high rate algal pond treating rural domestic sewage in East China[J].Water Science and Technology，2006，6(6):43～50.

[25]陈华清，李义连，宁宇，等.人工快速渗滤系统堵塞-恢复实验研究[J].环境污染与防治，2010，32(3):60～63.

[26]刘华波，杨海真.稳定塘污水处理技术的应用现状与发展[J].天津城市建设学院学报，2003，9(1):19～23.

[27]Wang Y Q，Liu J S.Rural Domestic Sewage Treatment Systems of Shanghai Songjiang in China[C]//Destech Publicat Inc.4th International Conference on Mechanical Automation and Materials Engineering，Lancaster，2015：641～646.

[28]朱海波，梅凡民，赵秋利.人工湿地在关中农村生活污水治理中的应用[J].陕西农业科学，2015，61(1):93～96.

[29]黄锦楼，陈琴，徐连煌.人工湿地在应用中存在的问题及解决措施[J].环境科学，2013，34(1):401～408.

[30]Yan Y J，Xu J C.Improving Winter Performance of Constructed Wetlands for Wastewater Treatment in Northern China:A Review[J].Wetlands，2014，34(2):243～253.

[31]张增胜.农村分散式污水处理适用技术及机理研究[D].上海：东华大学， 2010.

[32]张统，王守中，刘士锐，等.一种快速装配式人工湿地污水处理系统及其填料单元[P].中国专利：CN 101293711A.2008-10-29.

[33]章北平，刘真，任拥政.一种填料模块化人工湿地[P].中国专利：CN 200974788Y.2007-11-14.

[34]尧平凡.人工湿地基质模块化工艺研究[D].上海:同济大学，2008.

[35]王晟，徐祖信，吴芳.小型人工湿地的模块结构及应用工艺[P].中国专利：CN 102583763A.2012-10-06.

[36]曾丽璇，李晨，吕向红，等.一种基于模块化内置空隙性填料的人工湿地污水处理方法[P].中国专利:CN102765804A.2012-11-07.

[37]Park S B，Tia M.An experimental study on the water-purification properties of porous concrete[J].Cement And Concrete Research，2004，34(2):177～184.

Application of ModularizedArtificialWetlands inthe Treatment of Rural Domestic Sewage in Rural Areas

Liu Zhendong， Wang Jian

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai20092，China)

Abstract:The article elaborates the characteristics of domestic sewage in rural areas in China.Based on extensive review of literatures，this article concludes the present status of individualtreatment of rural domestic sewage，and analyzes the problems of artificial wetland′s existing in the construction qualityand flow-up clogging.Then the article proposes that the modularization of artificial wetland isan efficient way to solve this problem.In addition，the article points out that themodular productsof cell type，basket type and stickingtype are three directions of application in artificial wetlands.

Key words:rural domestic sewage; construction quality; clogging; modularization of artificialwetlands

文章编号：1674-9944(2016)02-0045-03

中图分类号：X703

文献标识码：A

作者简介：刘振东(1989—)，男，山东郯城人，同济大学环境科学与工程学院硕士研究生。

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(编号：2013ZX07312-003-005)

收稿日期：2015-12-04