模塊化人工濕地在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

劉振東，汪 健

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

?

模塊化人工濕地在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

劉振東，汪 健

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

摘要：闡述了我國(guó)農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)，在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，歸納了國(guó)內(nèi)農(nóng)村生活污水分散式處理的現(xiàn)狀，分析了人工濕地在農(nóng)村生活污水分散式處理中存在的施工質(zhì)量以及后續(xù)堵塞維護(hù)問題，提出了人工濕地模塊化是解決問題的有效途徑，而單元型、筐籃型、粘結(jié)型模塊化產(chǎn)品是人工濕地的三個(gè)應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；施工質(zhì)量；堵塞；人工濕地模塊化

1引言

由于過去農(nóng)村長(zhǎng)期粗放式的發(fā)展，致使我國(guó)農(nóng)村約59萬個(gè)村莊面臨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。在環(huán)境污染治理方面，生活垃圾處理僅占1/3，生活污水處理更是不到10%。 2015年環(huán)保部指出：在“十三五”期間全國(guó)將新增完成13萬個(gè)建制村環(huán)境綜合整治，農(nóng)村水污染整治刻不容緩。目前，針對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后、技術(shù)水平有限的農(nóng)村地區(qū)，我國(guó)應(yīng)用的主要分散式處理技術(shù)有土地處理技術(shù)、人工濕地技術(shù)、厭氧生物處理技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)、生物膜處理技術(shù)以及膜反應(yīng)器[1～4]。其中，人工濕地作為一種成本低、靈活、易于管理維護(hù)的分散式污水處理設(shè)施而獲得更多關(guān)注[2，5～7]，這也給發(fā)展中國(guó)家的生活污水處理提供了理想的選擇[8]。研究表明：人工濕地對(duì)有機(jī)污染物有較高的處理效率[9]，出水可通過農(nóng)業(yè)灌溉等方式回用[10]。

然而，相比于排放集中的城市生活污水，農(nóng)村生活污水因人口居住分散具有排放分散、污水量小[11，12]的問題，施工隊(duì)伍的施工水平難以保證人工濕地生活污水的處理效果，同時(shí)，堵塞后的維護(hù)問題是阻滯人工濕地推廣應(yīng)用的最大障礙[13，14]。因此，在借鑒國(guó)內(nèi)外人工濕地先進(jìn)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，立足于中國(guó)國(guó)情，國(guó)內(nèi)學(xué)者在人工濕地的施工質(zhì)量、堵塞等方面做了諸多探索。

2農(nóng)村生活污水分散式處理現(xiàn)狀

2.1農(nóng)村生活污水的污染現(xiàn)狀及水質(zhì)特征

20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，近幾年每年生活污水排放量有80億t。目前農(nóng)村水環(huán)境問題主要表現(xiàn)在：①工業(yè)點(diǎn)源污染，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和集約化養(yǎng)殖場(chǎng)布局不當(dāng)、污染治理力度不夠?qū)е碌奈廴?；②農(nóng)業(yè)面源污染，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段的過度使用帶來的污染；③生活源污染，鄉(xiāng)鎮(zhèn)等農(nóng)村聚居點(diǎn)因缺乏規(guī)劃和環(huán)境管理滯后造成的污染。其中，生活污水因人口居住分散、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱、地形條件復(fù)雜[15]不便進(jìn)行集中處理。

農(nóng)村生活污水是指農(nóng)村居住分散的居民生活過程中糞便及其沖洗水、洗浴污水和廚房污水等[16，17]，還包括一些農(nóng)村分散養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的污水。農(nóng)村生活污水含有機(jī)物質(zhì)、氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物及病菌等污染成分，各污染物排放質(zhì)量濃度一般為： CODCr為250～400 mg/L，氨氮為40～60 mg/L，TP為2.5～5.0 mg/L。中國(guó)農(nóng)村生活污水主要水質(zhì)特征有以下幾點(diǎn)：農(nóng)村村鎮(zhèn)人口較少，分布廣泛且分散，大部分沒有污水排放管網(wǎng)；農(nóng)村生活污水濃度低，變化大；大部分農(nóng)村生活污水的性質(zhì)相差不大，水中基本上不含有重金屬和有毒有害物質(zhì)，含一定量的氮、磷，水質(zhì)波動(dòng)大，可生化性強(qiáng)；不同時(shí)段的水質(zhì)不同；廁所排放的污水水質(zhì)較差，但可進(jìn)入化糞池用作肥料[18]。因此，根據(jù)農(nóng)村生活污水的水質(zhì)特點(diǎn)，適合用生物法進(jìn)行處理。

2.2農(nóng)村生活污水分散式處理現(xiàn)狀

目前，在農(nóng)村生活污水的治理過程中，分散式污水處理已成為國(guó)內(nèi)外生活污水處理的一種理念和方法[19]。國(guó)外較早對(duì)于農(nóng)村生活污水分散處理技術(shù)展開了相關(guān)研究，并積累了一定經(jīng)驗(yàn)[20]，形成了較為完善的體系。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始開展生活污水分散式處理的研究工作，許多形式各異的無動(dòng)力或微動(dòng)力的低能耗型一體化污水處理裝置得到應(yīng)用。在我國(guó)農(nóng)村常用的分散式污水處理工藝主要有：化糞池、沼氣發(fā)酵、垂直流人工濕地、土地快速滲濾系統(tǒng)、高效藻類糖等以及上述各種工藝的組合[21～26]。例如，在上海針對(duì)相對(duì)落后的松江地區(qū)使用穩(wěn)定塘、土壤入滲的人工濕地系統(tǒng)、穩(wěn)定塘處理系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水，展現(xiàn)出良好的可行性[27]；朱海波等[28]在陜西關(guān)中農(nóng)村采用水解酸化池和人工濕地組合工藝，并提出冬季運(yùn)行管理技術(shù)要點(diǎn)，確保了污水處理效果的穩(wěn)定。

然而，受到經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)保意識(shí)的限制，農(nóng)村生活污水整體處理率仍然很低[1]。人工濕地作為一種靈活、成本低的分散式污水處理措施同樣面臨施工質(zhì)量、堵塞的問題，這限制了人工濕地的推廣應(yīng)用[13，14，29]。

3模塊化人工濕地在處理農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用

我國(guó)第一座人工濕地于1987年建成[30]，隨后約有450座人工濕地系統(tǒng)相繼建立。截至2012年，人工濕地已占農(nóng)村生活污水的20%。但是堵塞問題往往制約著人工濕地的推廣應(yīng)用[31]；同時(shí)，處理農(nóng)村分散式農(nóng)村生活污水的問題在于，工程量太小，專業(yè)施工隊(duì)伍參與的積極性不高，由村里的施工隊(duì)施工的質(zhì)量難以得到保證。人工濕地模塊化是解決以上問題的可行思路，通過模塊化和系列化實(shí)現(xiàn)施工過程的標(biāo)準(zhǔn)化，可以有效解決人工濕地基質(zhì)堵塞后的快速更換及農(nóng)村施工隊(duì)伍專業(yè)化程度不高的問題。在我國(guó)，現(xiàn)有的人工濕地模塊化設(shè)計(jì)思路主要有以下3種。

3.1單元型模塊化人工濕地

將人工濕地分為一個(gè)獨(dú)立的填料單元，兩個(gè)單元可以交替運(yùn)行實(shí)現(xiàn)人工濕地的輪休以解決堵塞問題。

張統(tǒng)等[32]公開了一種快速裝配式人工濕地填料單元，系統(tǒng)自上而下包括，土壤層、隔土層、承托層、人工填料單元層、卵石承托層、防滲層(圖1)，工廠可進(jìn)行批量生產(chǎn)，方便裝配施工，組建的人工濕地污水處理系統(tǒng)生物量大，水力停留時(shí)間短，處理效果好，并且系統(tǒng)不易堵塞、可修復(fù)、運(yùn)行費(fèi)用低、土地可復(fù)用。

3.2筐籃型模塊化人工濕地

筐籃型人工濕地是指在不影響人工濕地內(nèi)部水流前提下用一定尺寸的外部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將基質(zhì)一塊塊框起來，筐籃直接的縫隙利于供氧，同時(shí)方便人工濕地的施工及后續(xù)維護(hù)。章北平等[33]發(fā)明了一種長(zhǎng)、寬、高為100～1 000 mm的盒狀無蓋筐籃結(jié)構(gòu)(圖2)，壁厚2～4 mm，外框上有多個(gè)穿孔，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝施工，所用模塊有多種尺寸，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改裝和拆卸，能夠節(jié)省人力物力，降低成本。

3.3粘結(jié)型模塊化人工濕地

粘結(jié)型模塊化人工濕地是指在盡量不影響人工濕地基質(zhì)處理污水的情況下，用粘結(jié)劑將基質(zhì)粘結(jié)起來做成塊狀基質(zhì)并應(yīng)用于人工濕地的技術(shù)。堯平凡[34]針對(duì)垂直潛流人工濕地堵塞問題提出表層布水系統(tǒng)基質(zhì)模塊化的思想，即用骨料、水泥、水、減水劑為原材料制備成多孔混凝土磚塊，堵塞時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速更換，在施工上解決堵塞問題；王晟等[35]利用高爐渣、粉煤灰、水泥為粘結(jié)劑發(fā)明了小型人工濕地的模塊結(jié)構(gòu)，模塊分為有管模塊和無管模塊，有管模塊中含穿孔管用于輸送污水，無管模塊不含穿孔管在濕地中起支撐、蓄水和布水作用，模塊由套網(wǎng)、輕質(zhì)填充料和穿孔管組成，易于搬運(yùn)安裝，可由非專業(yè)施工隊(duì)伍完成，應(yīng)用于農(nóng)宅房前屋后庭院；曾麗璇等[36]將電廠廢棄物粉煤灰作為人工濕地填料的材料，結(jié)合碎石、水泥和萘系高效減水劑根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)得到所用碎石級(jí)配10～16 mm，粗骨料∶水泥∶粉煤灰∶水的質(zhì)量比為1∶0.15～0.20∶0.05～0.1∶0.06～0.08，減水劑按水泥和粉煤灰總質(zhì)量的1%～2%添加，并應(yīng)用于水平潛流濕地取得比傳統(tǒng)人工濕地更好的處理效果。Park等[37]在多孔混凝土凈化污水的實(shí)驗(yàn)中得出：浸泡在污水中的多孔透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)提供了適于微生物生長(zhǎng)的生存環(huán)境，可以去除90%的總懸浮顆粒物、65%的總磷和80%的總氮。因此，將多孔混凝土應(yīng)用于人工濕地基質(zhì)有廣闊的應(yīng)用前景。

4結(jié)論與展望

基于模塊化設(shè)計(jì)思路的人工濕地充分考慮了我國(guó)農(nóng)村施工水平的實(shí)際情況，利用核心技術(shù)集中生產(chǎn)模塊化產(chǎn)品，然后將其應(yīng)用于農(nóng)村分散式生活污水，不僅人工濕地施工質(zhì)量得到保證，而且無需專業(yè)的施工隊(duì)伍，日后對(duì)于人工濕地產(chǎn)生的堵塞問題也可根據(jù)堵塞周期進(jìn)行定期統(tǒng)一的更換，有利于長(zhǎng)時(shí)間的維護(hù)管理。

目前，在農(nóng)村生活污水分散式處理方面人工濕地模塊化產(chǎn)品還沒有統(tǒng)一的制備標(biāo)準(zhǔn)，包括原材料的選取、尺寸的統(tǒng)一、制備的工序等。單元型模塊化人工濕地尺寸較大，現(xiàn)場(chǎng)布置會(huì)受限制；筐籃型模塊化人工濕地基質(zhì)筐籃的孔隙尺寸及密度可能會(huì)影響人工濕地進(jìn)水的流動(dòng)狀態(tài)；粘結(jié)型模塊化人工濕地中的粘結(jié)劑會(huì)改變基質(zhì)成分，需要對(duì)模塊化人工濕地生活污水處理效果進(jìn)行大量的理論實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)人工濕地處理效果作比較，確保模塊化人工濕地的可行性，為將來人工濕地在農(nóng)村生活污水分散式處理中的推廣提供參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫鵬.人工濕地技術(shù)在農(nóng)村分散式生活污水處理中的應(yīng)用于探討[D].青島：青島大學(xué)，2013.

[2]張迎穎.潛流人工濕地處理農(nóng)村生活污水的工藝研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[3]張?jiān)鰟?農(nóng)村分散式污水處理適用技術(shù)及機(jī)理研究[D].上海：東華大學(xué)，2010.

[4]蘇鴻洋.中國(guó)村鎮(zhèn)分散生活污水處理技術(shù)現(xiàn)狀[J].給水排水，2015(41):197～200.

[5]Ronald Crites，Sherwood Reed，Robert Bastian.Land treatment systems for municipal and industrial wastes[M].USA:McGraw-Hill publishing，2000.

[6]韋慧.復(fù)合生態(tài)塘治理農(nóng)村生活污水應(yīng)用研究示范[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2008.

[7]Jan Vymazal.Constructed wetland for wastewater treatment[J].Ecological Engineering，2005，25(5):475～477.

[8]Kivaisi，Amelia K.The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and reuse in developing countries:a review[J].Ecological Engineering，2001，16(4):545～560.

[9]Vymazal J.Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[J]. Science of The Total Environment， 2007，380(1～3):48～65.

[10]Zhang T，Xu D，He F.Application of constructed wetland for water pollution control in China during 1990～2010[J].Ecological Engineering，2012(47):189～197.

[11]劉曉璐，牛宏斌，閆海，等.農(nóng)村生活污水生態(tài)處理工藝研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013(9)：184～191.

[12]譚學(xué)軍，張惠鋒，張辰.農(nóng)村生活污水收集與處理技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].凈水技術(shù)，2011(2):5～9，13.

[13]Langergraber G，Haberl R.Laber J，et al.Evaluation of substrate clogging processes in vertical flow constructed wetlands[J].Water Science & Technology，2003，48(5):25～34.

[14]李忠民.人工濕地研究進(jìn)展綜述[J].綠色科技，2012(6):151～154.

[15]李海明.農(nóng)村生活污水分散式處理系統(tǒng)與實(shí)用技術(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32(9):177～181.

[16]何安吉，黃勇.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究進(jìn)展及改進(jìn)設(shè)想[J].環(huán)境科技，2010，23(3):68～75.

[17]黃琳麗，潘晶，孫鐵珩，等.我國(guó)分散式生活污水生態(tài)處理綜析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(2):877～879，888.

[18]任婧文.農(nóng)村生活污水處理設(shè)施綜合技術(shù)應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[19]Hellstrom D，Jonsson L.Evaluation of small wastewater treatment systems[J].Water Science and Technology，2003(48):11～12.

[20]張家煒，周志勤.淺析農(nóng)村生活污水分散式處理適用技術(shù)[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2011，36(1):95～99.

[21]曹杰.人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[22]關(guān)華濱.新型化糞池處理生活污水的試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[22]王云龍，張徵晟，陶琪.四種農(nóng)村生活污水處理工藝比較[J].水處理技術(shù)，2011，37(7):133～136.

[23]李榮峰，蘭翠玲，馬博.沼氣發(fā)酵原料研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(30)：1～5.

[24]Zhou Q，He S L，He X J，et al.Nutrients removal mechnisms in high rate algal pond treating rural domestic sewage in East China[J].Water Science and Technology，2006，6(6):43～50.

[25]陳華清，李義連，寧宇，等.人工快速滲濾系統(tǒng)堵塞-恢復(fù)實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32(3):60～63.

[26]劉華波，楊海真.穩(wěn)定塘污水處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，9(1):19～23.

[27]Wang Y Q，Liu J S.Rural Domestic Sewage Treatment Systems of Shanghai Songjiang in China[C]//Destech Publicat Inc.4th International Conference on Mechanical Automation and Materials Engineering，Lancaster，2015：641～646.

[28]朱海波，梅凡民，趙秋利.人工濕地在關(guān)中農(nóng)村生活污水治理中的應(yīng)用[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，61(1):93～96.

[29]黃錦樓，陳琴，徐連煌.人工濕地在應(yīng)用中存在的問題及解決措施[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34(1):401～408.

[30]Yan Y J，Xu J C.Improving Winter Performance of Constructed Wetlands for Wastewater Treatment in Northern China:A Review[J].Wetlands，2014，34(2):243～253.

[31]張?jiān)鰟?農(nóng)村分散式污水處理適用技術(shù)及機(jī)理研究[D].上海：東華大學(xué)， 2010.

[32]張統(tǒng)，王守中，劉士銳，等.一種快速裝配式人工濕地污水處理系統(tǒng)及其填料單元[P].中國(guó)專利：CN 101293711A.2008-10-29.

[33]章北平，劉真，任擁政.一種填料模塊化人工濕地[P].中國(guó)專利：CN 200974788Y.2007-11-14.

[34]堯平凡.人工濕地基質(zhì)模塊化工藝研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

[35]王晟，徐祖信，吳芳.小型人工濕地的模塊結(jié)構(gòu)及應(yīng)用工藝[P].中國(guó)專利：CN 102583763A.2012-10-06.

[36]曾麗璇，李晨，呂向紅，等.一種基于模塊化內(nèi)置空隙性填料的人工濕地污水處理方法[P].中國(guó)專利:CN102765804A.2012-11-07.

[37]Park S B，Tia M.An experimental study on the water-purification properties of porous concrete[J].Cement And Concrete Research，2004，34(2):177～184.

Application of ModularizedArtificialWetlands inthe Treatment of Rural Domestic Sewage in Rural Areas

Liu Zhendong， Wang Jian

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai20092，China)

Abstract:The article elaborates the characteristics of domestic sewage in rural areas in China.Based on extensive review of literatures，this article concludes the present status of individualtreatment of rural domestic sewage，and analyzes the problems of artificial wetland′s existing in the construction qualityand flow-up clogging.Then the article proposes that the modularization of artificial wetland isan efficient way to solve this problem.In addition，the article points out that themodular productsof cell type，basket type and stickingtype are three directions of application in artificial wetlands.

Key words:rural domestic sewage; construction quality; clogging; modularization of artificialwetlands

文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0045-03

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉振東(1989—)，男，山東郯城人，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(編號(hào)：2013ZX07312-003-005)

收稿日期：2015-12-04