人工湿地处理农村污水研究进展

周玮 缪佳辉 孟娜

(徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221000)

1 农村污水现状

农村污水具有污染面积大，来源分布广，结构成分复杂，收集难度大等特点。污水中悬浮物、有机物、氮磷含量较高。排放的污水就近排至路边、水沟甚至农田，造成地表水和地下水污染严重，影响居民用水安全[1]。农村地形复杂，居民分散，建筑设施不完善[2]，且农村经济基础薄弱，难以建立完善的污水处理系统，农村污水处理率远远低于城镇，农村污水的处理问题迫在眉睫[3]。

2 现有的农村污水处理技术及问题

2.1 农村污水处理技术

目前，国内农村生活污水常规治理方式按作用原理分为物理法、化学法、物理化学法和生物法4种方法[4]。按照主体技术单元构成，主要分为生物处理技术、生态处理技术和组合处理技术3种[4]。

2.1.1 生物处理技术

生物处理技术指微生物在酶的催化作用下，利用微生物的新陈代谢功能，将污水中的污染物质进行分解和转化。根据微生物对溶解氧需求的不同，生物处理技术分为好氧生物处理、缺氧生物处理和厌氧生物处理。污水处理中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法2大类[5]。

2.1.2 生态处理技术

生态处理技术是利用土壤-植物-微生物复合系统共同作用的原理，通过过滤、吸收和分解作用净化污水。常用方法有人工湿地、土壤渗滤净化系统和氧化塘等[6]。

2.1.3 组合处理技术

组合处理技术指上述2种处理技术的结合或某1种技术系统内部不同工艺形式的结合，主要包括3种：生物+生物处理组合，生态+生态处理组合，生物+生态处理组合[7]。每种技术都有各自的优势和特点，利用生物处理可以降低污水中污染物浓度，生态处理可以控制运行成本，组合工艺可以进一步提高系统的处理效益[4]。

2.2 乡镇污水处理存在的问题

2.2.1 排水系统不足

我国大部分乡镇对污水处理尚未建立完善的系统规则，雨水、污水沿路边水沟或道路排入河流[8]，且乡镇道路建筑建设复杂，分布密集，加上经济条件等原因，污水收集处理更为困难[9]。

2.2.2 缺乏施工标准

由于城乡差异大，乡镇缺乏施工标准，只能沿用城市现行的污水处理标准和工艺，对部分乡镇显然不适用，易造成乡镇污水处理运营成本过高[10]。

3 人工湿地

人工湿地是通过人为的控制条件，由水、滤料及水生生物组成，在物理、化学、生物条件下，具有较高的污染物去除效果的一种污水处理技术[11]。其作用机理包括吸附、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化及各类动物的作用[12]。在净化污水的同时，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益[13]。

人工湿地有表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地3种[14]。此外，也有与天然湿地组合的系统。可根据污水或废水的性质、水质和水量选用其中任意1种或几种设计其工艺流程。

3.1 表面流人工湿地

该项技术水流呈推流式前进，湿地表面形成一层地表水流，污水缓慢流动，流动过程中与土壤、基质、植物，特别是植物根部充分接触，通过物理、化学、生物反应，达到净化的目的[15]。在表面流湿地系统中，种植挺水植物，如芦苇、唐菖蒲等，向湿地表面布水，维持一定的水层厚度，一般为10～30cm，水力负荷可达200m3/(hm2·d)[16]。表面流湿地类似于天然沼泽，造价成本运行费用较低，但占地面积大，水力负荷小，净化污水能力较弱，且夏季易滋生蚊蝇，散发恶劣气味[17]。现有的研究成果如表1所示。

表1 表面流人工湿地处理工艺

图1 表面流人工湿地[3]

3.2 水平潜流人工湿地

水平潜流湿地由一个或多个填料床组成，床体填充材料基质，床底设隔水层，污水从布水管进入砾石区，按照特定顺序流经各个填料床，最终从出水管流出[23]。该项技术水力负荷及污染负荷较大，对BOD、COD、SS及重金属处理效果较好，且没有恶臭和蚊蝇现象[24]。但与表面流湿地相比控制较复杂，对植物的运输作用表现出较大的依赖性，且对植物根系净化和脱氮除磷效果欠佳，使得整体净化效果较差[25]。在人工湿地填料床的两侧科学设置入水口砾石区和出水口砾石区，可以使中间基质区能够具有较好的处理效果以有效解决这些问题[26]。现有的研究成果如表2所示。

表2 水平潜流人工湿地处理工艺

续表 水平潜流人工湿地处理工艺

图2 水平潜流人工湿地[3]

3.3 垂直潜流人工湿地

垂直潜流湿地指污水从表层流至不同介质层最终流向床底，通过物理、化学和生物反应使污水得到净化[32]。在湿地表层，溶解氧充足，硝化能力强，下层缺氧适于反硝化，当碳源足够可以进行反硝化去除总氮[33]。垂直潜流湿地占地面积较小，在建设施工时投入成本较低，但操作上较为复杂，受气候因素和自然环境影响较大，这在很大程度上阻碍此项技术在我国农村大面积推广应用[34]。现有的研究成果如表3所示。

表3 垂直潜流人工湿地处理工艺

图3 垂直流人工湿地[3]

3.4 人工湿地净化污水的基本原理

污水进入人工湿地以后，被水生植物吸收，植物根系发生生物化学反应，将污水中的有机污染物降解，并释放出CO2，以氮磷作为营养元素，有机物经好氧微生物分解为无机物，被植物根系吸收，再加上土壤、砂石的过滤作用，水质得以净化[22]，详见表4。

人工湿地实质是利用基质-微生物-植物的复合生态系统，经物理、化学和生物的综合反应，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物吸附、吸收、分解等机制共同使污水高效净化[41]。

表4 人工湿地处理污水的物理、化学与生物的作用机理

4 人工湿地的适用性

人工湿地的适用性相当丰富，其组合形式多样，污水处理效果稳定，若运行管理得当，将会带来很高的经济效益、环境效益和社会效益[42]。

污水处理效益方面，严格运行和管理机制的人工湿地处理污水效果稳定可靠，对B0D、COD、SS等处理效果明显高于生物处理，此外，对重金属及难降解有机污染物也有较高的净化能力[43]。建设成本上，投资费用低，一般为生物处理的1/3～1/4，运行费用低，为生物处理的1/5～1/6。操作简便，不需复杂的自动控制系统，设备的管理工作也很少，可减少人力成本[44]。

景观美学价值方面，可在湿地表层种植水生植物，如芦苇、唐菖蒲等，形成一个独特的动植物生态体系。水生植物能够结合污水处理功能形成自然景观，对环境美化效益而言具有极高实际价值[45]。

5 局限性

我国人工湿地自引用到发展至今日，其工艺成果随着研究不断发展，处理污水的能力不断提高和完善[46]。除了理论研究外，很多工程建设应用也推进了人工湿地的进一步研究和推广。但是，目前应用经验不足是我国人工湿地的最大问题[47]。缺乏长期的运行系统，资料提供不足，使我国人工湿地的建设和应用发展相对缓慢，同时，人工湿地的建设和管理体制也无法快速更进[48]。

从地域和气候条件来看，人工湿地需要土地面积较大，需依附原有的天然湿地，再加上人工进行保护而组成的半人工半天然湿地才真正具有污染处理优势。净化能力受气候条件、植物生长影响较大[49]。我国南北跨越大，南北方气候条件差异大，北方冬季气候严寒，人工湿地难以过冬，大量植物腐败，很容易造成二次污染，若将人工湿地翻新重建，则耗费大量人力财力[50]。