人工湿地在农村生活污水处理中的应用分析

周姝伶，游 琴

(四川省广安生态环境监测中心站，四川 广安 638000)

1 引言

随着农村饮水安全工程的实施与提质增效，农村居民的用水量增加，导致生活污水排放量急剧增长。由于农村经济条件和技术水平的限制，建设成本高和运维管理复杂的城市污水处理工艺并不适用于处理农村生活污水[1]。而人工湿地通过模拟自然湿地的生态环境系统，能对进入系统的污水有效净化，具有投资少、去污强、操作简单、运维管理方便等优点[2]，尤其适用于处理我国农村地区产生的生活污水。

2 农村生活污水的来源和特点

2.1 农村生活污水的来源

农村生活污水来源主要分为三类：厨房污水，主要由洗碗水、涮锅水、淘米水、洗菜水等组成，厨房污水含有大量的动植物脂肪和Na、Cl、I等多种元素。尤其是随着生活水平的提高，肉类食品食用量的增大以及食用油使用量的增多，农村地区的生活污水中油类成分增长明显；生活洗涤污水，主要由洗衣水、拖地水、洗浴水等组成，洗涤用品含有N、P等化学成分，会导致水体富营养化；粪便污水，除含有较高浓度的有机物、N、P外，还含有大量肠道致病菌、寄生虫卵、病毒等病原体。

2.2 农村生活污水的特点

(1)农村生活污水污染物浓度一般不高、种类简单，但含有较多的合成洗涤剂以及细菌病毒、寄生虫卵等，有机物和TN、TP浓度较高，水质波动较大。

(2)农村生活污水分布范围较广，集中处理难度大。

(3)农村生活污水产生量有着明显的季节性和时间性特征，夏季生活污水产生量相较于其他季节更大，晚上生活污水产生量相较于早上和中午更大[3]。

3 人工湿地处理技术

3.1 人工湿地技术的原理

湿地是地球上具有多种功能的生态系统，可以沉淀、吸收和降解有毒有害物质，达到净化水源的作用，因而被称为“地球之肾”。农村生活污水的污染性较低，但产生量的增长已远超自然环境的自净能力。为处理污水，人工湿地模拟自然湿地，建立起“基质—微生物—植物”的复合生态系统，通过底部铺设防渗层，中部填充基质填料，表层种植水生植物，让基质层与植物根系物理吸附、化学反应去除、微生物分解，实现净化污水[4]。

3.2 人工湿地的分类

根据系统布水方式的不同或水流方式的差异，一般将人工湿地分为表面流人工湿地、垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地3种类型[5]。

3.2.1 表面流人工湿地

表面流人工湿地是各类型人工湿地中最接近自然湿地的一种类型，该处理技术是利用在废水表面形成的漫流效应，促进流动污水与基质土壤、植物根部接触，实现对水质的净化。在表面流人工湿地系统中，一般种植挺水植物，如芦苇、唐菖蒲等，向湿地表面布水，维持10～30 cm的水层厚度，水力负荷可达200 m3/(hm2·d)[4]。该处理技术具有建造费用低、运行维护简单、水力负荷小等优点，但也存在占地面积较大、整体净水能力不高、易滋生蚊蝇等缺点，见图1[4]。

图1 表面流人工湿地结构

3.2.2 垂直流人工湿地

图2 垂直流人工湿地结构

3.2.3 水平潜流人工湿地

水平潜流人工湿地处理是对布设不同基质的填料层进行防渗处理，让污水依次流经各填料层，避免污水渗漏的同时净化水质。该处理技术充分发挥了植物、微生物和基质间的协同作用，且没有恶臭和滋生蚊蝇[7]，由于污水基本在地面以下流动，保温效果好，寒冷地区也可推广应用；但该处理技术的处理效果依赖植物的运输作用，且建造费用较高，见图3[4]。

图3 水平潜流人工湿地结构

4 人工湿地在农村生活污水处理中的应用

4.1 填料和植物选择

4.1.1 填料的选择

人工湿地的填料可选择沸石、粉煤灰、活性炭、炉渣、石英砂、水洗砂、红泥、陶粒、砾石等。以上物质作为填料可为微生物的生长提供稳定的依附表面，同时为水生植物生长提供载体和营养物质。当含有N、P以及其他污染元素的污水流经人工湿地时，填料可通过一系列物理、化学作用净化污水[9]。

人工湿地的填料可选择范围广，以沸石、炉渣、水洗砂、红泥4种物质作为填料进行污水净化实验，结果表明：对氨氮的吸附量由大到小依次为沸石>红泥>炉渣>水洗砂。因此，选用沸石作为人工湿地的填料更能产生环境效益。同时沸石在自然界储存量丰富、价格便宜、无毒无害、容易再生，可大力推广作为人工湿地的填料。

4.1.2 植物的选择

人工湿地的植物应选择耐污能力强、净化效果佳、抗病虫害能力强，根系发达、茎叶茂盛，如鸢尾、芦苇、菖蒲、睡莲、王莲、眼子菜、再力花、凤车草、美人蕉、千屈菜、金鱼藻、香根草、芦竹、梭鱼草等。人工湿地植物的选择，应充分考虑植物的耐污能力和净化能力。

4.2 建设费用及运维费用分析

人工湿地具有建设费用与运维费用双低的优势特点。人工湿地的建设费用主要包括购买填料、植物和租用土地等；运维费用主要来自清理沟道和管理植物的人工费等。人工湿地的建设费用一般在1000～2800元/t，低于其他处理技术建设费用1500～4000元/t；人工湿地的运维费用一般在0.05～0.2元/t，远低于其他处理技术运维费用0.7～15元/t[2]。

4.3 适用性分析

人工湿地有多种组合形式，工艺简单，实用性强，处理率稳定，有很高的经济效益、环境效益和社会效益。与其他处理技术相比，从处理规模看，人工湿地规模大到可以集中处理整个场镇产生的生活污水，也可小到仅处理一户农户家庭产生的生活污水，适用面很广；从污染物去除率看，人工湿地处理TN、TP的效果好，能很好地处理难降解污染物，污水处理效率高[9]。湿地表层的植物(比如鸢尾、再力花、芦苇等)还有景观美学价值，净化水体的同时还可以美化环境。因此，人工湿地适合应用于处理农村地区生活污水[16～18]。

5 结论与展望

“十三五”期间对农村人居环境整治的实施，使得农村生活环境得到了很大改善，但农村生活污水治理仍是突出短板。目前城市生活污水治理已初见成效，而农村地区则相对滞后。通过对表面流人工湿地、垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地的分析比较可以看出，人工湿地技术建造成本低、净化能力强、运维管理方便，对处理水量不大、财力有限、技术人员缺乏的农村地区十分实用。要充分利用“十四五”开局之年中央一号文件提出“实施农村人居环境整治提升五年行动”的有利政策环境，因地制宜采用人工湿地或人工湿地与其他技术相结合的组合工艺，高效解决农村生活污水治理难题，为实现乡村振兴助力[19,20]。

人工湿地净化的机理还有待于从以下方向深究：

(1)深入分析微生物种群、光照、气温等因素在污染物去除方面的影响。

(2)研究基质磷素吸附的磷素释放特征。

(3)优化设计人工湿地床体结构、人工湿地工艺流程以及人工湿地布置形式。