人工濕地技術(shù)在農(nóng)村生活污水綜合治理中的應用探討

王殿輝，門雪燕，陳佳俊

（安陽市環(huán)境科學研究所，河南 安陽 455000）

人工濕地技術(shù)在農(nóng)村生活污水綜合治理中的應用探討

王殿輝，門雪燕，陳佳俊

（安陽市環(huán)境科學研究所，河南 安陽 455000）

農(nóng)村生活污水具有濃度低、成分復雜、生化性高的特點，以豫南某村人工濕地工程為例，介紹人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，并對污染負荷、濕地床結(jié)構(gòu)、基質(zhì)材料及植被選擇、水力條件等設(shè)計參數(shù)進行分析。結(jié)果表明，人工濕地系統(tǒng)能夠有效處理農(nóng)村生活污水，操作管理簡單，在我國農(nóng)村具有很強的推廣意義。

農(nóng)村生活污水；人工濕地；工程設(shè)計；實例；處理效果

隨著我國新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)村居民生活水平的提高，位于城鎮(zhèn)周圍的農(nóng)村受城鎮(zhèn)化進程加快的影響，農(nóng)村用水量及生活污水的排放量均有較大增加。但目前全國95%農(nóng)村并沒有排水渠道及治理系統(tǒng)，農(nóng)村生活污水多數(shù)以直排的形式入河或排入坑塘自然下滲，從而造成河流、土壤及地下水污染[1]。

農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟相對落后，目前成熟的污水處理設(shè)施多數(shù)建造費用高，運行成本高，且需要專業(yè)的技術(shù)人員操作。因地制宜地采用人工濕地技術(shù)對農(nóng)村生活污水進行集中處理，可以經(jīng)濟有效地達到凈化污水的目的。

1 農(nóng)村生活污水特點

農(nóng)村用水多數(shù)以井水、河水為主，農(nóng)村生活污水主要是洗滌和沖廁排水，農(nóng)村生活污水有灰水和黑水之分，黑水主要指沖廁產(chǎn)生的高濃度廢水，灰水為洗滌、沖洗、沐浴等生活雜用產(chǎn)生的濃度較低生活污水。農(nóng)村生活污水分布較分散，多數(shù)地區(qū)管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全，農(nóng)戶多粗放型排放灰水，采用蓄糞池存儲黑水，定期清掏。

隨著城市的發(fā)展，中心村、城郊村生活水平提高，多數(shù)農(nóng)戶采用了沖水廁所，家庭內(nèi)部建設(shè)了洗浴設(shè)施，家庭產(chǎn)生的黑水、灰水合流排放，污水排放量大量增加，導致村莊附近河流或灌渠受到嚴重污染。農(nóng)村生活污水處理應主要針對相對集中居住的中心村、中心鎮(zhèn)進行。

農(nóng)村生活污水具有含有機物、懸浮物濃度相對偏高、日變化系數(shù)大（一般在3.0～5.0）、間歇排放等特點。污水成分復雜，但各種污染物的濃度較低，污水可生化性較強。

2 人工濕地技術(shù)的應用

人工濕地是一種通過人工設(shè)計、改造而成的半生態(tài)型污水處理系統(tǒng)，主要由土壤基質(zhì)、水生植物和微生物三部分組成。人工濕地投資省，運行費用低，維護管理簡便，水生植物可以美化環(huán)境，調(diào)節(jié)氣候，增加生物多樣性。適合在資金緊張，但土地面積相對豐富的農(nóng)村地區(qū)應用。人工濕地按其內(nèi)部的水位狀態(tài)可以分為表流濕地和潛流濕地，而潛流濕地又可以按水流方向分為水平潛流濕地和垂直潛流濕地[2]。由于潛流濕地受環(huán)境影響較小，處理效果好，故在實際應用中采用較多。

本文以豫南某村350 m3/d人工濕地工程為例，對人工濕地的設(shè)計及其處理效果進行分析和探討。該村為典型農(nóng)村地區(qū)，位于南陽市郊，村內(nèi)管網(wǎng)為暗渠，廢水排至村東排水溝，排水溝主要接納該村生活污水。排水溝下游約100 m匯入農(nóng)灌渠。該村生活污水處理采用預處理（水解酸化） +潛流人工濕地的形式。

2.1 預處理系統(tǒng)

人工濕地設(shè)計時需重點考慮造成濕地堵塞的各種影響因素。濕地堵塞多發(fā)生在系統(tǒng)床體前端25%左右的部分，造成堵塞的物質(zhì)大部分為無機物，這表明污水中的顆粒物在濕地床中的沉淀是造成濕地堵塞的主要原因。因此預處理設(shè)施應具備較高的懸浮物去處效率。

預處理系統(tǒng)主要為格柵—沉淀池—水解酸化池。格柵可以截留較大的懸浮物或漂浮物，本工程設(shè)置粗、細兩道格柵，采用鋼制，人工清渣。

由于設(shè)計勘查期間，發(fā)現(xiàn)農(nóng)村排水系統(tǒng)為明渠，廢水中含有大量的懸浮物、泥沙等，沉砂池可去除水中大部分懸浮污染物，采用人工清泥的方式清泥，為鋼砼結(jié)構(gòu)，設(shè)計參數(shù)如下:表面負荷 q: 1 m3/（ m2·h） ， 停留時間 HRT: 2 h， 沉淀池尺寸 L×B×H: 6 m×2.5 m×3m。

水解酸化工藝是厭氧水處理技術(shù)的一種，將厭氧過程停留在酸化階段，可將原有廢水中的非溶解性有機物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑杂袡C物，將其中難生物降解的有機物轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到獾挠袡C物，進一步降低污水中懸浮物濃度，提高污水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧處理。水解酸化工藝具有較好的抗沖擊負荷、耐毒性等優(yōu)點[3]。本設(shè)計采用鋼砼結(jié)構(gòu)，加入填料，工藝參數(shù)如下:停留時間HRT: 6 h， 水解池尺寸 L×B×H: 5m×4.5m×4m。

2.2 人工濕地處理系統(tǒng)設(shè)計

人工濕地是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，它應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，獲得污水處理與資源化的最佳效益。人工濕地具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡單、投資省、運行費用低等特點，非常適合中、小城鎮(zhèn)的污水處理。本工程采用水平流潛流式人工濕地處理系統(tǒng)。

人工濕地設(shè)計中要注意以下幾個方面:污染負荷、濕地面積、濕地床結(jié)構(gòu)、基質(zhì)材料選擇、植被選擇、水力狀況、進水和排水周期等。

2.2.1 污染負荷與濕地面積

相對生物接觸氧化池和氧化溝等好氧生物技術(shù)，人工濕地污染負荷低，其進水污染物濃度，特別是懸浮物SS濃度不能太高，建議不超過50mg/L，否則容易堵塞。不同類型人工濕地污染負荷取值范圍變化較大。潛流濕地污染負荷在80～120 kg/（ hm2·d） ， 人工濕地的設(shè)計面積根據(jù)擬處理污水量和水力負荷決定。

2.2.2 濕地床結(jié)構(gòu)

濕地床的構(gòu)型對濕地系統(tǒng)的水力狀況有著重要影響，構(gòu)型參數(shù)包括長寬比、坡度、深度等。據(jù)工程經(jīng)驗，人工濕地系統(tǒng)的坡度宜為0.5%～1%，長寬比應大于2，深度的波動范圍為0.2～1.2m[4]。

人工濕地設(shè)計時應盡量采用重力流的布水方式，以保證排水順暢、節(jié)省能源。另外，濕地的出水口高程應可調(diào)節(jié)，以便使整個濕地床體的水位可以人為調(diào)控。

人工濕地的水力負荷根據(jù)污水量和濕地類型的不同差異比較大，一般來說潛流濕地的水力負荷大于表面流濕地的水力負荷。國內(nèi)外人工濕地最常見的水力負荷為10～20 cm/d，水力停留時間為 0.5～7 d。

2.2.3 基質(zhì)材料選擇

人工濕地系統(tǒng)多采用碎石、砂子、礦渣等基質(zhì)材料作為填料。對于缺乏養(yǎng)分供給的基質(zhì)或者孔隙過大不利于植物固定生長的基質(zhì)，需在基質(zhì)上方覆蓋15～25 cm厚的土壤，作為植物生長的基質(zhì)。

不同類型的基質(zhì)對濕地的影響不同。中性基質(zhì)對生物處理影響不大，但礦渣等偏堿性的基質(zhì)則在一定程度上會影響微生物和植物的生長活動，因此，應用時需采用一定的預處理，如充分浸泡等措施。

基質(zhì)對廢水中磷和重金屬離子的凈化影響最大，含鈣、鐵、鋁等成分的填料有利于離子交換。鈣、鎂等成分和污水中的磷、重金屬相互作用形成沉淀；鐵、鋁等離子通過離子交換等作用將磷、重金屬吸附于基質(zhì)上。但隨著時間的推移，基質(zhì)對磷和重金屬的吸附會達到飽和，濕地除磷和重金屬能力便有明顯下降。

在確定基質(zhì)材料種類后，還應確定基質(zhì)粒徑，以調(diào)整濕地的水力傳導率和孔隙率。一般來說，小粒徑基質(zhì)具有比表面積大、孔隙率小、植物根及根區(qū)的發(fā)展相協(xié)調(diào)、水流條件接近層流等優(yōu)點。但目前人工濕地的基質(zhì)一般傾向于選擇較大粒徑的介質(zhì)，以便具有較大的空隙和好的水力傳導，從而盡量克服濕地堵塞問題。此外，選擇基質(zhì)時還應考慮便于取材、經(jīng)濟適用等因素。

2.2.4 植被選擇

濕地水生植物主要包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。不同的區(qū)域，不同的生長環(huán)境，適宜生長的濕地植物種類是不同的。人工濕地一般選取處理性能好、成活率高、抗污能力強且具有一定美學和經(jīng)濟價值的水生植物。這些水生植物通常應具有下列特性: 能忍受較大變化范圍內(nèi)的水位、含鹽量、溫度和pH值； 對本地適應性好，最好是本土植物[5]。植物種類一般 3～7種，其中至少3種為優(yōu)勢物種；對污染物具有較好的去除效果；成活率高，種苗易得，繁殖能力強；有廣泛用途或經(jīng)濟價值高。

人工濕地中使用最多的水生植物為香蒲、蘆葦和燈芯草，這些植物都廣泛存在并能忍受冰凍。不同種類的水生植物適宜生長的水深不同，香蒲在水深0.15 m的環(huán)境中生存占優(yōu)勢；燈芯草為0.05～0.25 m；蘆葦適宜生長在岸邊和淺水區(qū)中，最深可生長于1.5m的深水區(qū)域。香蒲和燈芯草的根系主要在0.3m以內(nèi)的區(qū)域，蘆葦?shù)母颠_0.6m，寬葉香蒲則達到0.8m。

在潛流型濕地中，一般選用蘆葦和香蒲，它們較深的根系可擴大污水的處理空間。

2.2.5 水力狀況

表流人工濕地水位一般為20～80 cm，潛流人工濕地水位則一般保持在土壤表面下方10～30 cm，并根據(jù)待處理的污水水量等情況進行調(diào)節(jié)。深度不同對濕地單元的處理效率有一定影響，深度增加，處理效果有不同程度的提高，但超過1.2 m后，增加深度對于提高COD等污染物的去除率已經(jīng)不明顯了。凍土層對0.8m深度的濕地單元有效體積的影響最大，該深度在北方應用存在一定風險，而1.2m與1.6 m深的濕地單元受影響程度差異不大。綜上，為了提高濕地處理效率，還要保證冬季處理效果，北方人工濕地深度選擇1.2～1.6m是比較合適的[6]。

設(shè)計參數(shù)見下:設(shè)計濕地孔隙率:0.35，濕地表面負荷: 0.35m3/（ m2·d） ， 有效面積: 1 000m2，水力停留時間 HRT:90 h， 濕地尺寸 L×B×H:100 m×10 m×1.6 m。

3 人工濕地的處理效果

該工程至調(diào)試運行后，為驗證人工濕地對生活污水中污染物的去處效果，于2011年11月初對人工濕地系統(tǒng)出水進行了水質(zhì)監(jiān)測，人工濕地各單位處理效果見下表:

表1 人工濕地工程水質(zhì)處理效果

該人工濕地工程投運以來，運行費用約0.1元/m3廢水，由于監(jiān)測時間為11月份，氣溫較低，人工濕地效率有所降低，但出水濃度仍能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918—2002中二級標準限值COD100mg/L、氨氮25mg/L、SS30mg/L的要求。人工濕地排水經(jīng)過約100 m排水溝進入農(nóng)灌水渠，工程建設(shè)期間對該排水溝進行了簡單整治，清除了淤泥，種植了蘆葦類植物，形成簡易的氧化塘，加強了人工濕地的處理效果，該人工濕地的出水完全能夠滿足GB5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》旱作農(nóng)田標準限值COD200mg/L、SS100mg/L的要求，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 小結(jié)與探討

（1） 人工濕地應選取農(nóng)村低洼地、坑塘因地制宜地建設(shè)，主要采用重力自流式引水，濕地建設(shè)充分利用周邊景觀，出水設(shè)計可利用后續(xù)河道改造氧化塘、穩(wěn)定塘等，加強污染物去處效果。

（2）農(nóng)村廢水中懸浮物濃度較高，人工濕地應建設(shè)預處理設(shè)施，建議增加水解酸化池作為預處理系統(tǒng)，采用水解酸化池除達到截留污水中懸浮物的目的外，還可以對污染物進行生化預處理和污泥減容穩(wěn)定。在有效降低廢水中懸浮物濃度的同時降低后續(xù)人工濕地系統(tǒng)的污染負荷，防止?jié)竦囟氯绊懴到y(tǒng)正常運行。一般進水濃度應控制在50mg/L以內(nèi)，不能超過80mg/L，否則易發(fā)生堵塞。

（3） 人工濕地系統(tǒng)管理簡單，但仍需要有專人負責進行維護，尤其北方地區(qū)，冬季氣溫較低，影響濕地系統(tǒng)處理效率，應采取覆膜保溫、增加停留時間等措施，保證廢水處理效果。

[1]李無雙，王洪陽，潘淑君.農(nóng)村分散式生活污水現(xiàn)狀與處理技術(shù)進展[J].天津農(nóng)業(yè)科學，2008（ 06）:75-77.

[2]張家洋，孫汝斌，周勇.人工濕地處理河南固始農(nóng)村生活污水設(shè)計初探[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2011（ 3）:9-11.

[3]胡天媛，徐偉.水解酸化—上向流曝氣生物濾池工藝處理小城鎮(zhèn)污水[J].給水排水，2004，30（ 10）:25-27.

[4]中華人民共和國環(huán)境保護部.HJ2005—2010人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國環(huán)境科學出版社，2011.

[5]李小霞，解慶林，游少鴻.人工濕地植物和填料的作用與選擇[J].工業(yè)安全與環(huán)保 2008，34（ 3）:54-56.

[6]陳曉東，常文越，王磊，等.北方人工濕地污水處理技術(shù)應用研究與示范工程[J].環(huán)境保護科學 2007，33（ 2）:25-28，61.

The Comprehensive Treatment of Rural Sewage with Constructed Wetland Technology

Wang Dianhui,Men Xueyan,Chen Jiajun
（Anyang Municipal Institute of Environmental Science， Anyang Henan 455000， China）

The characteristics of rural sewage had low concentration,complex composition and high biochemical treatment.The paper introducted the combined process of constructed wetland to treate the rural sewage and analyzed the design parameters about pollution load,wetland bed structure,selection of substrate and plants,hydraulic conditions.The results showed that the treatment of rural sewage with wetland system was effectively,operation and management was simple,the promotion of constructed wetland in China rural areas was significant as a widely successful treatment technique.

rural sewage； constructed wetland； project design； example； treatment effect

X52

A

1008-813X（2012）01-0057-04

2011-12-29

王殿輝（1980-），男，河北故城人，畢業(yè)于河南農(nóng)業(yè)大學環(huán)境工程專業(yè)，工程師，主要從事環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境影響評價、清潔生產(chǎn)審核、環(huán)境工程設(shè)計等工作。

10.3969/j.issn.1008-813X.2012.01.017