人工湿地在农村污水处理上的应用

冯怡文， 李小娇

(西南交通大学， 四川成都 610031)

随着中国农村家庭日益提升的生活水平，农村水体环境日渐恶化问题也成了研究重点，究其根本是生活污水的处理方式不当。早在全国第一次污染源普查公报的数据就显示：农村地区生活污水的排放总量已达343.30×108t，在全国污染物排放总量中比例高达50 %，其中CODcr、TN和TP的排放量分别占43 %、57 %和67 %[1]。为此，2018年中央印发了《关于加强固定污染源氮磷污染防治的通知》，为进一步加强固定污染源氮磷污染防治工作，明确污水集中处理作为氮磷污染防治的重点行业[2]。根据以上文件要求，文章将农村生活污水的治理作为重点，主要简述人工湿地污水处理技术的运行原理和应用研究。

1 农村生活污水现状

农村生活污水结构组成除了厨房衣物洗涤、厕所冲水、淋浴冲水等，还有部分家禽养殖污水，污水中多家畜粪便，氮磷含量高，可生化性强。此外，从大部分农村地形区域看，居住人口数量规模小，居住区布局分散，地形高差较大。我国相当一部分的农村地区经济技术落后，修建大规模的污水采集管网技术不可行也不经济，后续亦无法建立传统规模的二级处理工艺，因此相当一部分生活污水未经集中治理就排入附近河道湖泊，造成恶劣的水体生态环境。

目前，国内村镇生活污水常规治理方式有生物处理技术和生态处理技术。生物处理技术例如塔式生物滤池、厌氧生物滤池等；生态处理技术则有土地处理、稳定塘等。这些处理工艺多存在各种短板，难以推广，因此，在工艺上就应选择设备简单、造价经济、管理运营方便且处理效果优良的新技术。人工湿地处理生活污水，取材简单，因地制宜，建设成本和维护费用都相对低廉，处理效果好，作为生活污水处理新技术在农村有着较大适用性。

2 人工湿地介绍

人工湿地由人为修建控制和管理，对污水的处理经过一系列物理化学作用，吸收转化其中营养物质，最后定期收割湿地植物，形成循环往复的湿地系统，以达到对污染物的去除净化[3-5]。

2.1 人工湿地工艺原理

人工湿地之所以可以对污水进行净化，主要是依靠基质、植物、微生物。基质通过沉淀与拦截吸附作用吸收部分有机物与氮磷营养物。而湿地植物丰富的根系则形成一个网络，一方面以拦截作用和自身吸收作用来消耗营养物质，另一方面植物的光合作用也增加了湿地中溶解氧含量。而湿地中种类多样的微生物，则扮演生态圈中的重要角色——分解者[6]。植物根系挂膜产生的微生物主要作用过程是氨氮的硝化和反硝化作用、磷的过量积累去除等。

2.2 人工湿地分类特点

人工湿地主要分类有自由表面流、垂直潜流式和水平潜流式。表流式人工湿地建设费用低，投运简便，但因其污水只能从表面流经，水力负荷与处理效率低，冬天北方地区易结冰，夏天则易滋生蝇虫，产生恶臭。而水平潜流式人工湿地，污水在基质表面以下流通，植物根系作用最大化，并且兼具保温性能，气候影响较小，但氮磷的去除效果略低于垂直潜流人工湿地。后者污水由表面进入，纵向通过基质层，湿地含氧量较高，除去氮磷效果好，但夏天易有蝇蚊滋生。

2.3 人工湿地在国内外的发展

人工湿地的概念在很早之前就有提出，直到1970年开始用以治理污水，其后十多年得到迅速发展，其中德国、美国和澳大利亚等国家应用最多[7]。Dr.Kathe Seidel的研究表示栽种芦苇可以用以净化污水中的部分污染物[8]。之后荷兰在Dr. seidel的研究上，制造了一种现称为Lelystad Process的污水净化体系，是由四或五级自由水面流湿地组成，每一级为栽有挺水植物的几个并连池子构成。我国正式开始着手研究人工湿地工艺是在1990年左右，北京昌平建立起第一座以污水治理为目标的自由表面流人工湿地[9]。随后的深圳石岩人工湿地，利用高效垂直流人工湿地系统净化水质，解决了占地大、易堵塞等问题，且结构灵活，在污水处理量上亦有很大提高。

3 人工湿地在农村生活污水处理上的应用

由于我国村镇生活污水水质的复杂性和可变性，单级人工湿地在治理上效果可能受限制，针对氮磷去除效率不理想等方面的问题，文章简要分析可能影响治理效果的因素与相对完善、湿地的组合体系及其与相关工艺联用的可行性。

3.1 可行性技术分析

人工湿地作为完整的生活污水处理系统，其影响因素主要有湿地基质填料种类与级配、植物种类和温度气候变化等。Asuman等[10]将炉渣和沙砾作为基质填料时发现：炉渣相对于沙砾，对COD、NH3-N、TP净化效率更高。因此，使用吸附能力强、级配适当的基质填料可明显增强系统的脱氮除磷效果。Seoa等[11]则研究发现基质粒径大小有相应界限，粒径过大，污染物净化效果不佳，而磷的过量积累去除效果则随填料粒径的减小而增大，但过小的粒径不利于解决湿地堵塞现象。植物作为湿地中必不可少的组成部分，可以有效提高系统中泌氧能力，但不同的湿地植物具有不同生长周期，对有机物的适应性和污染物吸收效果也有所区别。有研究表明，对于脱氮能力，芦苇与美人蕉优于其他植物，尽管茶花也具有脱氮高稳定性，但因其培育条件高，可不作为优先考虑植物[12]，所以根据湿地条件合理选择种植的植物，能够明显优化湿地运行效率。

3.2 人工湿地应用的完善

当人工湿地变得为更多人所熟知，不同类型的湿地根据其不同优势和不足，采用复合人工湿地组合系统变得大势所趋，组合系统可以多级多样，优劣互补。如抚仙湖北岸的组合湿地系统，除氮效果明显，有效抑制堵塞风险同时节约用地。王凯军等[13]研发垂直流与潜流复合湿地对农村灰水进行治理研究时发现垂直流湿地硝化作用明显，而潜流湿地则在内部形成厌氧区域，促使反硝化作用明显加强，该组合对 COD和 TN的平均净化率达到了70 %与99 %。

除了多种类型的湿地复合共同作用，还可以采用其他污水治理工艺与人工湿地工艺联用。当进水中SS浓度较高，泥沙与大件垃圾含量多时，可采用预处理工艺，有效增加湿地污水处理效率，减少湿地进水负荷压力，不易堵塞。当来水的生化性差，含有大分子或者难降解物质时，宜采用厌氧单元与人工湿地联合。Tsalkatidou等[14]选择将稳定塘与人工湿地联用，数据表明污水经过稳定塘后进水负荷明显增大，而人工湿地对后续污水的深度治理效果明显优化，BOD5净化率甚至高达95 %。

4 结束语

文章在人工湿地自然生态特性上研究农村生活污水治理技术，分析人工湿地的运行机制、影响因素与组合优化，得出在我国村镇地区生活污水治理上推广人工湿地技术的可行性。但是，具体技术的实施应依据湿地所在场地条件、气候类型，处理率要求等。并且，由于人工湿地本身工艺特性和管理运行各方面问题，其运行推广上还是存在一定不足，因此笔者在以下三个方面做出展望：(1)人工湿地温度季节性温度差异导致的微生物活性下降，湿地去除污染物效果不佳。因此，对比分析人工湿地中微生物和气温等因素变化对生活污水处理的影响做深入研究；(2)比较分析不同填料与不同级配组合，或者研发利用新型填料以优化湿地基质层，减少因堵塞问题导致吸附能力下降继而湿地运行效率降低的情况；(3)对人工湿地的结构样式进行技术创新，分析各个影响因素下人工湿地运行的最佳工况，确定相关参数规律。