南方农村生活污水人工湿地处理工艺应用研究

韦宗敏

（广东韶科环保科技有限公司 广东韶关 512026）

引言

随着经济社会的快速发展，乡村振兴战略的实施，农村生活污水处理问题成为社会各界关注的热门领域之一。根据住建部发布的《2021 年城乡建设统计年鉴》数据显示，截至2021 年，我国城镇污水处理总能力达24746 万m3/d，较2020 年同比增长了1709 万m3/d。但农村生活污水处理还面临着污水收集难、基础设施滞后、思想认识不高等问题。因此，本文根据南方农村生活污水水量及水质的特点，从生态环保效益、经济效益等方面考量，选择适宜、高效及无二次污染的生活污水处理工艺技术。

1 南方农村生活污水特点

与北方干旱气候相比，南方四季雨水充沛，尤其是乡村振兴战略实施后农村人居环境改善，大部分村民使用水厕，且淋浴设施配套齐全，生活用水量大幅上升。其中，约85%生活污水为洗涤污水和厨房污水。由于南方雨水量大，农村生活污水经雨水冲刷后，污水中的氮、磷及有机物等污染物浓度降低。同时，南方地区人口密度较大，且常年平均气温要高于北方地区，有利于南方农村生活污水的收集和处理。因此，总体来看，与北方农村生活污水相比，南方地区的农村生活污水具有排放量大、污染物浓度低、可生化性好、基本不含重金属及相关有毒物质和易于收集处理的显著特点[1]。此外，农村居民生活较为规律，生活污水排放量主要集中于早晨、中午、晚上三个排水量较大，夜间农村生活污水排放较小，甚至会出现断流现象，因此，综合变化系数大。农村生活污水还呈现出节假日期间，因务工人员回流，在此期间生活污水排放量倍增，污水综合变化系数大。

表1 农村居民生活用水量参考取值

与工业废水相比，农村生活污水的处理难度较低。由于农村经济条件因素的制约，环境污染治理人才力量的缺乏，以及污水处理基础设施投入较少等现实问题，应研究开发基建简单、管理便捷、成本低廉，且处理农村生活污水中氮、磷等营养元素效率高的工艺技术[2]。

目前，全国尚未有农村生活污水处理方面的统一水质标准。根据 《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002），以及《水污染排放限值》（DB44/26-2001），并结合南方地区的农村生活污水处理现状，其进/出水水质参考标准见表2。

表2 南方农村地区生活污水进/出水水质参考值及标准

近年来，随着农村经济发展，以及乡村振兴战略的实施，农村环境得到大幅改善。但农村生产生活方式的转变，诸如农村地区由以前的相对分散式居住，逐渐迈向相对集中式居住，生活污水的排放量较以往更加的集中，为农村生活污水收集、处理提供有利条件[3]。

2 南方农村生活污水处理原则

从南方农村生活污水中的污染物含量，以及农村生活污水进出水水质现状来看，处理农村生活污水要注重运用物理、生物、生态等工艺方法，以及各种工艺方法的复合应用，大力提升农村生活污水的处理效率和质量。从经济、环保及社会效益等方面综合考虑，农村生活污水处理应本着“无害化、减量化和资源化”处理理念，本着因地制宜、经济适用等原则，把握农村生活污水处理的相关流程，逐步实现农村生活污水的有效处理[4]。

2.1 因地制宜

不同地区气候、生活污水水质差异较大，即便是同一区域，不同地方的农村生活污水处理所面临的形势和现实情况也存在较大差异。例如，北方与南方农村地区，适宜北方的农村生活污水处理未必在南方具有推广应用价值[5]。此外，同一区域，不同地方的农村经济水平、居住地集中度、农业生产经营，以及农村生活污水管网基础设施建设等等，都有较大差异。因此，农村生活污水处理应坚持实事求是，因地制宜，从气候条件、经济要素、环保要素以及社会发展情况等等，综合施策，选择适宜的处理工艺技术。

2.2 资源利用

与城市污水主要依赖污水处理厂的集中处理不同，农村大量的水塘，湿地，废弃种养殖的洼地均可以用于农村生活污水人工湿地的重要组成部分，实现就地取材，减少农村生活污水处理及运行成本，还可以就地实现污水达标排放，就近用于农业生产灌溉[6]。

2.3 经济适用

与城镇拥有成熟的污水管网收集系统，以及利用污水处理厂集中处理不同，农村生活污水主要以散乱式排放为主，进水量相对较小。此外，经济、技术及专业人才队伍等也是影响农村生活污水工艺技术选型的重要因素。

因此，针对农村经济及生产生活水平的现状，及其污水特征及排放情况，应选择经济性、合理性和可持续性较强的工艺技术，低能耗或无能耗、工程造价低，后期运行维护简便，出水水质稳定可靠，是农村生活污水处理的重要参考工艺因素。

3 人工湿地处理技术

综合上述原则考虑，低能耗或无能耗、工程造价低、操作管理方便、处理效果稳定的人工湿地处理工艺有望成为农村污水处理的主力技术。目前人工湿地类型主要包括三大类[7～13]。

3.1 表面流人工湿地处理技术

表面流人工湿地处理技术，其水位较浅，一般是10-30cm，污水主要在湿地的地表流动。表面流人工湿地与自然湿地情况相似。表面流人工湿地处理污水，其主要利用了在表面流湿地中种植的大量种植物，利用这些种植物的茎叶或根系，截留污水中的漂浮物，或者将其截留于表面流人工湿地的基质表面。经植物根系或茎叶截留后，进一步降低了污水中的污染物浓度。表面流人工湿地工艺技术构建难度小，操作简便，工程量不大，建设及运行成本低。但该工艺技术的也存在医学不足，种植于湿地中的植物生长周期较长，且受季节、气候变化。此外，表面流人工湿地还占用较大面积，需要在设计建设方案时，为节约成本，优先选择使用类湿地或天然洼地资源，降低前期建设成本，以及后期的维护成本，保护自然资源。表面流人工湿地技术的应用，重点是要做好挺水植物的选择，并选择推流式作为污水在湿地表面的流动形态[14][15]。

3.2 垂直流人工湿地处理技术

垂直流人工湿地处理技术，其运行原理是污水经技术系统表面纵向流动，进入湿地基质填料底部。在污水流动过程中，由于经历不同种的填料层，在填料层的截留、吸附作用下，达到净化水质的效果。垂直流人工湿地系统含有功能十分完备的集水系统以及布水系统，可以将处理的污水分散至不同系统，提升污水处理效果。垂直流人工湿地处理技术的特点主要表现在：需要较大埋深，实际占地面积较小，无论是集水系统还是布水系统均可建于地下，在多层填料共同作用下，系统运行过程中具有很好的耐水负荷及抗冲击力，污水的实际处理效率高，尤其是生活污水中的氮磷处理效果较好。该技术的不足之处，系统建设位于地下，土方工程较大，前期工程建设，以及后期的运行维护成本较高，系统中硝化反应占主导地位，反应过程中所需要的氧气是通过大气表层扩散、液质传导以及植物根系传输到人工湿地系统中，因此氧的供应量决定了处理效果的好坏。

3.3 水平潜流人工湿地处理技术

水平潜流人工湿地系统处理污水，其建设及运行原理，是将土壤、填料等填入床内，并将湿地植物种植于湿地表层结构，植物在其生长过程中，根系向土壤、填料层不断生长、进入，形成根区微环境。根区微环境与填料协同作用处理污水效果良好。水平潜流人工湿地处理污水，利用高度落差使需要处理的污水在处理技术系统中实现自然流动，经填料过滤、吸附污水中的杂质，种植于湿地中的植物根系吸收污水中的无机盐，污水中的有机物经细菌分解得到降低，实现污水净化效果。水平潜流人工湿地的优势在于其卫生条件好，处理污水过程中不易滋生蚊蝇，脱氮效果更佳。但选择水平潜流人工湿地处理污水，氧通量的保证，以及布水均匀是其技术难点。保证均匀布水，势必水增加系统占地的面积；由于氧气的传导可能会波动的条件限制，植物根系和微生物群无法产生更大的效益，整体的处理效率变化幅度较大。

4 案例分析

4.1 背景资料

选择南方某地区农村生活污水处理为例，采取由生物滤池+人工湿地+稳定塘生态处理工艺技术。在已有化粪池、沼气池处理基础上，构建分散式农村生活污水生态处理工艺，实现农村居民生活污水净化处理。常住居民人口230 余人，属亚热带湿润气候，雨量充沛，日照充足，年平均气温在18.5℃，周边建有化粪池、沼气池，以及池塘。生活污水标准及变化参照《村镇进水工程技术规范》《给水排水设计手册》，进水水质及排放标准执行 《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B 标准。

表3 南方某农村生活污水进水水质及排放标准

4.2 工艺流程

基于南方某农村生活污水排放量水量总体较小、水质相对不稳定，以及周边的地势、地形、交通及气候条件，选择“生物处理+生态重建组合工艺”，积极打造生物滤池+人工湿地+稳定塘生物修复处理工艺技术。利用农村现有的水塘、湿地等自然条件，辅之以种植相关植物、人工水草填料，以及微生物等功能，实现去除生活污水中的氮、磷含量，以及化学需氧量、五日生化需氧量、悬浮物等污染物，使农村生活污水经处理后出水水质达到 《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A 标准。有效处理农村生活污水，打造田园式处理系统，改善农村人居环境。

4.3 单元设计

（1）格栅—调节池。污水出口设置管网，农村居民分散式污水通过总汇水管输送至格栅池（2.5m×1.5m×1m）进行预处理。格栅对农村生活污水中的颗粒物、悬浮物进行截留、除尘，去除杂物。格栅溢流出水进入调节池（6m×4m×1m），泥沙及颗粒悬浮物再进一步沉淀截留。

（2）生物滤池。调节池出水经输水管道输入生物滤池（7.5m×3m），生物滤池底部填放稻草，表面覆盖绿狐尾藻，形成一个小型稻草—绿狐尾藻生态系统。生物滤池能够有效去除生活污水中的氮磷及COD。南方地区，气候适宜绿狐尾藻生长，有效控制污水臭味。

（3）人工湿地、稳定塘。人工湿地根据植物差异，分为一级表面流人工湿地和二级表面流人工湿地。其中，一级表面流中的挺水植物梭鱼草能够缓冲滤池出水，梭鱼草根吸收并去除污水中的氮、磷等污染物，随着绿狐尾藻生长，可有效净化水质。二级表面流人工湿地与一级人工流表面湿地形成自然落差（0.1m 以上），在二级表面流人工湿地种植水芹、西洋菜等。稳定塘（35m×15m）四周种植挺水植物菖蒲，沉睡植物睡莲，进一步净化处理农村生活污水，达标后通过溢流排水管溢出周边农田，实现水资源再利用。

4.4 监测结果

为进一步掌握人工湿地工艺处理农村生活污水的效果，每月中、月底采集两次，采样点设置于单元出水口。该工艺流程于2020 年12 月投入运行，2021 年4月-2022 年3 月监测结果显示，利用该人工湿地工艺处理农村生活污水，出水中COD、NH4+-N、TP、TN、SS浓度分别为42、1.35、0.56、1.13、15mg/L，达到了预期设计标准（见表4）。农村生活污水中的COD、NH4+-N、TP、TN、SS 平均去除率达到85.2%、90.32%、43.98%、86.62%、95.6%。

表4 生物滤池+人工湿地+稳定塘生态处理工艺技术应用前后水质监测结果

4.5 效果评价

（1）从经济效益分析来看，该工艺流程的运用，前期建设投资费用为5 万元，工程无动力成本，人工费和维护修缮费约0.4 万元/a，组合工艺年均运行成本为0.5 万元，工艺技术稳定，管理简便。且，湿地达标排放出水可作为湿地周围农业灌溉用水，或者坑塘补水，有效减少农业用水成本，经济效益明显。

（2）从环保效益来看，该人工湿地处理农村生活污水保持长期稳定运行，预计年削减TN 约450kg，TP 约31.5kg（以N、P 计），种植景观水生植物，与农村周围环境相融合，实现美化农村周边环境，符合乡村振兴战略实施，实现美丽乡村建设。

（3）从社会效益来看，该人工湿地投入使用，经基质过滤、植物吸收、生物吸附降解，去除了农村生活污水中污染物，或降低污染物浓度，促使微污染农村水体净化，是可持续发展的生动体现。因此，农村生活污水人工湿地处理系统，具有清洁安全、零动力、运维简便、费用低等，具有良好的经济环境社会效益，具有积极的现实推广应用价值。

结语

南方农村居民点较为分散，多采取单独收集、分散处理模式，且不同村庄经济、人口、地形等差异大，不能简单套用某一种污水处理模式，而应综合施策，结合本地的实际特点，从经济、环保及运维等诸多因素考虑，选择适宜的处理模式。

人工湿地是近年来迅速发展的生物—生态治污技术，可处理多种废水。人工湿地工艺技术的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。利用人工湿地处理生活污水的优势：一是运维成本低。二是处理效果好。可直接排入环境水体中，也可作小区景观水体的补充水，或用作农灌，在缺水地区是水资源循环利用的有效措施。人工湿地处理南方农村生活污水，在实际运行过程中还需要注重调控湿地氧补充方式，提升人工湿地处理氨氮和有机污染物去除效果；进一步改进湿地水力性能，从水深、水流及水力停留时间和负荷等，优化人工湿地运行条件，改善人工湿地内部水力性能，提升工艺处理去污效果。