一种小规模高效截污的湿地系统对农村生活污水的处理效果

罗怀清 黄媛媛 晋超凡 肖秀婵 景江

摘要：采用一种新型湿地系统装置对农村生活污水进行处理，总实验周期170 d，每个采样周期为7 d，采样频次5次，针对湿地系统及污水COD、NH4+-N、TP等指标进行测定。实验结果表明，湿地系统在经过45 d的启动期后可正式进入使用阶段，并在5月与6月对生活污水的处理效果为最佳。同时还发现温度和水中的溶解氧含量均为影响湿地系統去除COD、NH4+-N、TP的关键因素。

关键词：湿地系统;COD;温度;溶解氧含量

中图分类号：X799.3文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2018）04-0043-05

造成水质受到污染和水体富营养化污染日益严重的重要原因之一是我国农村生活污水排放量的日益增大。2007年我国农村污水排放总量就已超过90亿t，但实际处理率尚不及1%[1]，2017年更达到了106亿t，并且以每年10%的增速持续上升。另外，我国分散式农村生活污水乱排乱放现象严重，据统计已有超过96%的村庄没有排水渠道和管网，集中收集处理非常困难。COD、N、P以及部分有机物（如动植物食用油和纤维素等）是生活污水的主要水体污染物，其中COD、TN、TP的质量浓度分别可达到100～300 mg/L、8～40 mg/L、1～5 mg/L-1[2-4]。在对分散式农村生活污水的处理上，人工湿地系统是一种较好的选择。人工湿地系统处理生活污水的技术起源于20世纪70年代兴起的一种污水处理生态工程技术，由于具有少投资、低能耗、管理方便等优点[5-6]，在广大中小城镇和乡村地区的分散式生活污水处理中正逐渐被应用[7-8]。

人工湿地是以自然生态湿地为模型而构建的人工生态系统，因此人工生态系统的特征在其构建和运行过程均得到充分体现。如湿地净化池的构建[9]，从基底防渗层、净化池的填料种类与粒径级配、布水系统、集水系统的设置、排水系统、坡降比等，人们都已进行过系统的研究和升级优化，并将湿地系统的处理效能及其稳定性不断提高，并扩展了其应用范围，增强了其适应性和耐久性。人工湿地处理生活污水技术在不断发展成熟，其处理效果也在不断优化。

本文通过一户一地、两户一地设计并构建一个家用小型人工湿系统（含调节池、组装式多级污水过滤系统、自流渠以及湿地净化池）处理农村分散式生活污水，考查小型人工湿地系统在启动过程中以及系统正式运行过程中对生活污水污染物的去除效能随进入系统的时间而呈现去除率的变化，并以此为基础进一步探索小型人工湿地系统对生活污染物的去除机制。

1.2实验装置

湿地净化系统由防渗层、填料层、覆土层、植物层四部分从下至上构成。研究表明，人工湿地的净化机理为：基质-微生物-植物构成的复合人工生态系统。利用其物理、化学和生物的共同协调作用，通过过滤、吸附、共沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水污染物的高效去除净化，并通过营养物质的碳循环和水分的生物土壤化学循环来促进绿色植物生长、增产，实现农村生活废水的无害化处理和资源化利用[10-16]。本课题中的小规模新型湿地净化系统如图1所示，其中A、B、C三层的厚度分别为30、40、30 cm。

1.3实验方法

根据阿坝州地区地势及气候，选择本实验湿地植物种类：香蒲、花叶芦竹、纸莎草、美人蕉、风车草，选择矿物土壤和高铝土壤作为湿地表面土壤，并将湿地净化池表面均分为5块4 m2的小块土壤，将香蒲、花叶芦竹、纸莎草、美人蕉、风车草进行分块种植。本实验在湿地结构建筑物建成后，防渗层依次采用蓄排水板、HDPE土工网、针刺土工布从下至上排布。填料层将竹炭、活性炭、沸石、陶瓷粒、石子、砂子从下至上逐层填充填料。然后将经组装式多级污水过滤系统处理后的生活污水冲洗填料层和防渗层，检查湿地净化池是否存在漏水现象，若存有漏水情况，应立即对湿地净化池填补漏洞;控制湿地系统水力停留时间为3 d，控制水力负荷为0.5 m3/（m2·d），湿地的地处处理水位2 m3/d。再将经过滤系统处理后的生活污水稀释3倍，并通过自流渠富集氧气引入湿地净化系统，并于填料表面下10～16 cm处移栽香蒲、花叶芦竹、纸莎草、美人蕉和风车草，并在污水中加入异氧菌和蓝绿藻，3 d后排空湿地中原来的污水，再补充生活污水与净化池净化出水以体积比为1∶1混合的待处理污水;再于3 d后将湿地中的混合水样排空，然后补充生活污水与净化池净化出水以体积比为3∶1混合的待处理污水;再于3 d后排空湿地，最后将100%的待处理生活污水连续引入湿地，污水在净化池中的水力停留时间为1 d，期间每隔3 d将净化池水位降至离湿地表面20～25 cm并保持1 d。实验采样频率为5次/d，采样时间为8：00、10：00、13：00、16：00、20：00，5组样品取平均值，7 d为一个实验周期，实验时间为5—9月。在实验期间维持水力停留时间的方式为控制阀门开启度，并每天观察湿地植物生长状况、微生物繁殖速率及填料表面生物膜挂膜情况，且不定期对水样水质进行分析。

1.4测试方法

水质常规检测的项目为pH、DO、COD、SS、氨氮、总磷[17]，采用碘量法测定污水中的DO含量、重铬酸钾法测定污水中的COD含量、重量法测定污水中的SS含量、水杨酸分光光度法测定污水中的NH4+-N含量以及钼酸铵分光光度法测定污水中TP的含量[18]。

2结果分析

2.1启动、运行期间进出水中pH和DO的变化

表2为小型人工湿地净化系统在启动及运行期间的pH变化情况;图1中的自流渠可提高水中DO含量，增强湿地的生物净化作用，提高处理效果，系统运行期间自流渠DO含量的日变化情况如表3、表4所示。DO取样分为2种情况：1）采样当天全天天气晴朗，昼夜均温为20.5 ℃;2）采样当天全天天气阴，昼夜均温为15.5 ℃。

从表3、表4可看出：人工湿地系统在增加自流渠以后，污水中的溶解氧含量升高，即使在天气为阴的情况下，污水中的溶解氧均值也为2.27，为湿地系统中好氧微生物对有机物的生物化学作用提供了充足的氧气，增强了湿地系统对污水中COD、NH4+-N、TP的去除效果。

2.2启动期系统对污水中COD的去除效果

人工湿地系统启动运行30 d后，湿地净化系统已基本稳定。为掌握湿地净化系统在启动期对水体的净化能力和去除效率，以及为小型人工湿地净化系统能否稳定运行和处理水质可达到国家标准提供事实依据，定期对湿地净化池进出水中COD含量进行分析。启动期间的COD去除效果及去除率如圖2所示。湿地净化池启动15～45 d时，对水中的COD去除基本稳定，人工湿地系统可进入正式使用阶段。根据基质挂膜情况、异氧菌和蓝绿藻的繁殖以及湿地植物的生长情况，可确定过滤系统和小型湿地净化系统已成功启动，并已发挥系统的物理、化学和生物三重协调作用污染去除功能，可进入正式实验研究阶段。

2.3运行期湿地净化池的处理效果

湿地正式运行时间为5—9月，并在此期间对实验进出水进行水质采样分析，采样频率为每月10次，每月所得数据均取平均值。

2.3.1COD的处理效果

湿地净化池运行期在5—9月，对COD的月平均去除效果及运行期湿地净化池对COD的月平均去除率如图3所示。

从图3可以看出：人工湿地净化系统5—9月对COD的去除效果均十分稳定，且去除量有稳中上升的趋势，可大幅度去除水中的COD;从图3中湿地系统在运行期对生活污水中COD的去除率可看出湿地系统对COD的去除率均保持在80%左右，并无太大波动，由于6月的天气变化较大，温差也有较大起伏，污水中DO的含量较不稳定，好氧微生物对有机物的生物化学作用不能发挥到最佳，因此6月的COD去除率低于80%。总体而言，湿地系统对污水中的COD去除率相对稳定，经过人工湿地处理后的污水可达到国家一级B标，满足三类水体水质，可直接进行农作物的灌溉。

2.3.2氨氮的处理效果

湿地净化池运行期在5—9月对氨氮的月平均去除效果及运行期湿地净化池对氨氮的月平均去除率如图4所示。

由图4可知：5月和6月处于春季和夏季的换季间，温度适宜，此时湿地净化池中异氧菌、蓝绿藻等微生物具有一定的繁殖能力，需要一定的营养物质供能，对氨氮的分解能力较强、去除率较高;7—9月处于夏季，太阳光照过强，不仅对微生物的分解作用具有一定的抑制作用，还对植物根部的氨氮吸收能力具有一定的影响;5—9月温度较高，水中的DO含量较高，这是微生物与植物对氨氮去除率较高的有力保障。综上所述：温度和溶解氧含量是影响湿地净化系统对污水中氨氮去除的关键因素。

2.4.3总磷的处理效果

湿地净化池运行期在5—9月对TP的月平均去除效果及运行期湿地净化池对TP的月平均去除率如图5所示。

由图5可知：5—9月TP的去除效果与氨氮类似，在5月和6月时，TP的去除率均为最佳，经过矿物土壤和高铝土壤过滤后的污水，在温度较适宜时，微生物的分解吸收作用较为稳定，对TP去除率相对较高;由于温度过高会抑制微生物对TP的分解吸收，所以在图5中湿地系统在8月对废水中TP的去除率低于其他月份;自流渠的富氧能力可使湿地系统对TP的去除率保持在相对稳定的水平。

3结论

自流渠能够提高污水中溶解氧含量，增强了湿地系统对污水中COD、NH4+-N、TP的去除效果。温度和溶解氧含量是影响湿地净化系统对污水中氨氮去除的关键因素。

人工湿地系统的启动需要注意以下几点：1）尽快恢复湿地植物的生长，刺激植物根系生长发散;2）尽快促进异氧菌、蓝绿藻的繁殖;3）间歇式进水、分部提高进水有机污染物浓度，为基质填料挂满生物膜、微生物作用提供环境。温度和水中的溶解氧含量均为影响湿地系统去除COD、NH4+-N、TP的关键因素，但温度和溶解氧含量并非越高越好，过高会有一定的抑制作用。

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