一种运用粒料砌块的防堵塞人工湿地净化农村生活污水的研究

徐扬　曾春山　王代容

摘要人工湿地具有氮磷去除能力强、维护管理耗费低等优势，使其成为解决我国农村水污染问题的理想工艺，然而人工湿地普遍存在的堵塞问题阻碍了该技术的广泛推广。采用一种基于粒料砌块的防堵塞人工湿地处理广东农村生活污水，结果显示，人工湿地在短期及长期运行阶段内均可发挥较好的氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）与化学需氧量（COD）去除效果，其中运行长期时间内对各项污染物的去除率在50%～70%，表明采用粒料砌块技术可较为有效地保证人工湿地的长期净化效果。

关键词人工湿地；堵塞；粒料砌块；生活污水；去除效率

中圖分类号X703文献标识码A文章编号0517-6611（2018）25-0182-04

Purification Effect on Rural Domestic Sewage by Using an Anticlogging Constructed Wetland Based on an Aggregates Block Method

XU Yang1，2，ZENG Chunshan1，2，WANG Dairong1，2 et al

（1.Environmental Horticulture Research Institue of Guangdong Academy of Agriculture Sciences，Guangdong Provincial Key Lab of Ornamental Plant Germplasm Innovation and Utilization，Guangzhou，Guangdong 510006；2. Key Laboratory of Urban Agriculture in South China， Ministry of Agriculture， P.R.China，Guangzhou，Guangdong 510640）

AbstractHigher disposal rate of N and P and lower cost on maintaining and management makes constructed wetland to be an ideal method to purify rural domestic sewage， however， the ubiquitous clogging is one of the major impediments to the promotion of constructed wetland. An anticlogging constructed wetland based on an aggregates block method was used to purify rural domestic sewage in Guangdong， results indicated that this constructed wetland showed a good disposal rate on NH4+N， TP and COD in both short and long term. The disposal rate on every contaminant were all during 50% and 70% in the longterm， which demonstrated that the aggregates block method can be an effective way to maintain the longterm purifying efficiency of constructed wetland.

Key wordsConstructed wetland；Clogging；Aggregates block；Domestic sewage；Disposal rate

在环保领域，人工湿地（Constructed wetland）一般指为了人类的利用和利益，由人工建造和监督控制的，人为地将饱和基质、水生植物、动物和水体组成的模拟自然湿地的复合体[1-2]。作为一种污水处理工艺，人工湿地具有氮磷去除能力强、维护管理便利、工程基建与运行耗费低等特点[3]。

经济的迅猛发展、城市化进程加快与农村人口密度的增加，已导致我国多个地区的农村水污染问题愈发严重。以广东省为例，已形成点源与面源污染共存、生活污染与生产污染叠加的态势，兼具复合性与长期性的水污染直接危害着农村居民饮用水安全和生态环境。水污染问题早已成为广东省“十三五”规划绿色发展的重要内容之一，探索符合农村社会经济现状与环境问题特征的水污染处理手段则是解决农村水环境问题的关键环节。人工湿地较低的运行管理投入使其较符合广大农村的负担能力与普遍需求，同时人工湿地的高氮磷去除率使其对农村水环境问题具有较高的针对性。此外，人工湿地较高的景观可塑性使其更易融入农村自然景观，使人工湿地成为解决农村水环境问题、推进绿色发展的理想手段[3]。

人工湿地污水处理技术吸引了国内外学者开展了大量研究，随着技术研发的不断深入，人工湿地技术的局限性也逐渐凸显。长期运行的人工湿地容易出现堵塞的情况，这将导致人工湿地水力传导系数降低、除污效果变差、运行寿命缩短等问题，严重限制人工湿地的长期运行稳定性，成为阻碍人工湿地推广应用的最大障碍[4]。研究指出，人工湿地积累的有机物主要集中在人工湿地系统的表层[5]，因此针对系统表层降低堵塞情况可为提高人工湿地长期运营寿命提供了理论可能性，同时这也是人工湿地污水处理技术发展的关键方向之一。

笔者设计了一种防堵塞的人工湿地系统，采用粒料砌块工艺将湿地系统表层基质模块化，以达到减少堵塞的目的。以广东省广州市增城区群爱村为试验地点，运用该工艺处理农村生活污水并探讨其长期运行效果。

科學合理的植物配置是影响人工湿地污水处理效果的重要因素之一。刘颖等[7]研究了包括梭鱼草、鸢尾及菖蒲在内的10种水生植物对生活污水的净化效果，发现各植物的年平均污染物去除率处于40%～70%，其中梭鱼草对NH4+-N与COD有较高的去除率，菖蒲与鸢尾对TP均具有较高的去除率，此外鸢尾对TN的去除率达到最高。由于人工湿地对NH4+-N的去除主要通过植物吸收与根系微生物的硝化与反硝化作用实现[8]，梭鱼草以其丰富的根际微生物活性及较大的总根系面积使其成为去除NH4+-N的首选[9]，同时也有研究指出梭鱼草具有较佳的重金属去除效果[10]。人工湿地对磷的去除主要通过植物吸收、基质吸附与微生物转化共同完成，生长旺盛的菖蒲与鸢尾一方面可吸收无机磷酸盐，同时可通过光合作用与呼吸作用促进微生物对磷的过量积累，提高净化率[9]。人工湿地对COD的去除主要依靠基质吸附与微生物的降解等作用[6，11]，代谢旺盛的梭鱼草等可为根际微生物较理想的生存环境，进而促进对COD的降解与去除。该研究选取梭鱼草、菖蒲与鸢尾作为人工湿地植物配置，对各污染物的去除率总体处于50%～70%，一方面高效地去除了污染物，另一方面也可提高农村的生态与景观效益[7]。

运营过程中人工湿地的堵塞问题是影响人工湿地系统长期有效工作的关键问题之一[4，12]，同时技术水平相对较低的农村施工队伍难以满足人工湿地的持续高质量维护，使得堵塞后的维护问题成为了阻碍人工湿地技术推广的障碍[4]。该研究采用基于粒料砌块的人工湿地处理农村生活污水，变相增大的孔隙尺寸一定程度上可缓解系统表层有机质堵塞问题[5]，模块化的粒料砌块降低了更换表层基质的难度与技术要求，同时其在长期运营时保持了稳定、较高的NH4+-N、TP与COD去除率，使该技术工艺有利于保持人工湿地系统的长期高质量运作，进而也有利于将人工湿地技术进一步推广。

采用粒料砌块的防堵塞人工湿地技术展现了较广阔的应用前景，在未来应进一步制定粒料砌块等模块化基质工艺统一的制备标准；同时不同模块化工艺对农村生活污水的净化效果仍有待更深入的比较研究，为进一步提高该工艺与人工湿地的广泛适用性提供依据。此外，将粒料砌块技术与其他技术手段相结合也是有前景的发展方向，如间歇运行与轮休可有效减少不可滤有机物的积累速度[13-14]，适量添加HCl、NaOH等化学物质可在一定程度上恢复基质的有效孔隙空间[15]，投入蚯蚓等动物可发挥疏通基质、清除基质表面有机沉淀的作用等[16]，可降低基质的堵塞率并提高系统的水力传导性能，从而达到维持人工湿地长期高质量运营的效果。

4结论

综合分析，运用粒料砌块的人工湿地在运行短期与长期内均发挥了较好的NH4+-N、TP与COD去除能力，运用粒料砌块防堵塞的技术是人工湿地长期有效运行的重要保证。该研究的结果为探索解决人工湿地普遍存在的堵塞问题提供了依据，同时也为进一步将该技术结合其他人工湿地管理、维护工艺奠定了基础。

参考文献

[1] 陈明利，吴晓芙，胡日利.人工湿地去污机理研究进展[J].中南林业科技大学学报，2006，26（3）：123-127.

[2] 赵昕悦，杨基春，邱珊，等.人工湿地系统研究技术展望[J].东北师大学报（自然科学版），2013，45（2）：128-133.

[3] 冯培勇，陈兆平，靖元孝.人工湿地及其去污机理研究进展[J].生态科学，2002，21（3）：264-268.

[4] 刘振东，汪健.模块化人工湿地在农村生活污水处理中的应用[J].绿色科技，2016（2）：45-47.

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

[6] 郭杏妹，王代容，曾春山，等.3种挺水植物对农村生活污水的净化效果比较[J].安徽农业科学，2017，45（20）：70-72.

[7] 刘颖，刘磊，袁平成，等.几种水培植物对生活污水的净化效果比较[J].江西农业大学学报，2014，36（4）：881-886.

[8] 张涛，刘长娥，陈桂发，等.人工湿地处理农村地区污水研究进展[J].上海农业学报，2015（3）：141-146.

[9] 刘颖，刘磊，袁平成，等.人工湿地植物 3种指标属性与其净化功能的关系评价[J].江西农业大学学报，2014，36（2）：448-453.

[10] 韦菊阳，陈章和.梭鱼草和芦苇人工湿地对重金属和营养的去除率比较[J].应用与环境生物学报，2013，19（1）：179-183.

[11] 李龙山，倪细炉，李志刚，等.5种湿地植物生理生长特性变化及其对污水净化效果的研究[J].农业环境科学学报，2013，32（8）：1625-1632.

[12] 王振，张彬彬，向衡，等.垂直潜流人工湿地堵塞及其运行效果影响研究[J].中国环境科学，2015，35（8）：2494-2502.

[13] 张淑兰，郭宝，胡渭平，等.不同运行方式对垂直潜流人工湿地堵塞进程的影响[J].西安科技大学学报，2016，36（4）：514-521.

[14] 唐平，项泽顺，于博海，等.轮休对垂直流人工湿地堵塞恢复的影响及其动力学特性[J].农业工程学报，2017，33（20）：234-240.

[15] HUA G F，ZHU W，ZHANG Y H.A conceptual approach based on suspended solids to estimate clogging time in constructed wetlands[J].Journal of environmental science and health，2010，45（12）：1519-1525.

[16] LI H Z，WANG S，YE J F，et al.A practical method for the restoration of clogged rural vertical subsurface flow constructed wetlands for domestic wastewater treatment using earthworm[J].Water science & technology，2011，63（2）：283-290.