智能人工濕地在現(xiàn)代農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用

■胡潤(rùn)夏

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智能人工濕地在現(xiàn)代農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用

■胡潤(rùn)夏

（浙江達(dá)人環(huán)保科技股份有限公司浙江杭州310000）

農(nóng)村生活污水處理問(wèn)題在新農(nóng)村建設(shè)中日益嚴(yán)重，人工濕地以其投資低、處理效果好、運(yùn)營(yíng)維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注。本文通過(guò)結(jié)合工程案例介紹了人工濕地在農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用，同時(shí)介紹了最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工濕地中的應(yīng)用。

人工濕地 農(nóng)村生活污水 垂直流 智能

1 引言

如今農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，新農(nóng)村建設(shè)如火如荼，農(nóng)村環(huán)境問(wèn)題日益受到廣泛關(guān)注。大部分農(nóng)村由于遠(yuǎn)離城市，污水沒(méi)能納入市政管網(wǎng)，如果污水不經(jīng)處理隨意排放，將影響人們的居住環(huán)境，同時(shí)造成小溪、水塘、河流的污染，破壞生態(tài)環(huán)境。農(nóng)村由于其局限性，不適合建設(shè)成本較高、運(yùn)行費(fèi)用高、需要專業(yè)維護(hù)的污水處理廠進(jìn)行集中處理。

人工濕地在污水處理中應(yīng)用源于二十世紀(jì)初的英國(guó)約克郡，被公認(rèn)為世界上第一個(gè)用于污水處理的人工濕地一直運(yùn)行了近九十年[1]。人工濕地作為一種污水處理工藝被研究始于二十世紀(jì)七十年代德國(guó)學(xué)者Kickuth提出著名的“根區(qū)法理論”后，近幾十年來(lái)人工濕地技術(shù)在世界各地被廣泛研究。我國(guó)人工濕地研究起步較晚，從“七五”計(jì)劃開始建設(shè)不同規(guī)模的人工濕地，如今我國(guó)人工濕地以廣泛用于農(nóng)村生活污水處理[2]。人工濕地可根據(jù)村落大小及分部情況建設(shè)不同大小和數(shù)量的人工濕地，建成后能使用多年，且不需專人看管，維護(hù)簡(jiǎn)單，同時(shí)還能美化農(nóng)村景觀[3]。

2 人工濕地工藝

2.1 人工濕地原理

人工濕地是通過(guò)人工模擬自然濕地的結(jié)構(gòu)和功能而設(shè)計(jì)和建造的濕地，人工濕地主要由植物、介質(zhì)、微生物等組成，它充分利用物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化[4]。

2.2 人工濕地分類

根據(jù)濕地種植植物種類，人工濕地可分為沉水植物系統(tǒng)、挺水植物系統(tǒng)及浮生植物系統(tǒng)[5]。其中挺水植物系統(tǒng)根據(jù)污水進(jìn)水方式，可分為地表流濕地、水平潛流濕地及垂直流濕地。

地表流濕地，污水在濕地表層流動(dòng)，污水直接從進(jìn)水端水平流向出水端。該類型濕地污水處理能力較低，受環(huán)境溫度影響較大，且地容易滋生蚊蠅衛(wèi)生狀況較差，在實(shí)際污水處理中很少單獨(dú)使用，但由于造價(jià)較低一般作為二級(jí)凈化濕地串聯(lián)起強(qiáng)化水質(zhì)凈化效果。

水平潛流濕地，水流從進(jìn)水口到出水口延植物根系層緩慢流動(dòng)。該系統(tǒng)好氧微生物的供氧主要來(lái)至于植物根部供氧，由于供氧量往往不足，系統(tǒng)氨氮去除率較低從而導(dǎo)致脫氮效率不高[6]。但該系統(tǒng)由于很好利用介質(zhì)層中微生物，BOD5、COD的去除率較地表流濕地有較大提高。該系統(tǒng)水處理效果與布水均勻度有很大關(guān)系，如果自流布水分布不均勻會(huì)造成短流部分介質(zhì)接觸不到水，從而實(shí)際水處理效果低于設(shè)計(jì)效果。

垂直流濕地，水流方向?yàn)榇怪绷飨颍陨隙?，集水出水系統(tǒng)設(shè)置在濕地介質(zhì)層底部。與水平潛流濕地相比該系統(tǒng)提高了水體與介質(zhì)的兩相接觸，更加利于介質(zhì)表面微生物膜去除水中污染物，同時(shí)提高了濕地介質(zhì)層與大氣中氧氣的交換，提高了濕地中氧氣含量，提高了微生物降解污染物效率[7]?，F(xiàn)在大多數(shù)農(nóng)村生活污水的人工濕地，大多采用該類型濕地，除了污水處理效果上佳外，由于垂直流濕地水力負(fù)荷往往加大，所需占地面積大大減少。

3 人工濕地應(yīng)用案例

本案例采用農(nóng)村生活污水中應(yīng)用最廣的垂直流人工濕地，處理100戶農(nóng)村居民生活污水，污水量約為35m3/d。

3.1 人工濕地設(shè)計(jì)

垂直流人工濕地系統(tǒng)由多級(jí)沉淀池和垂直流濕地主體組成（如圖1-1）。多級(jí)沉淀池通過(guò)重力沉降去除水中漂浮物和懸浮物，降低濕地進(jìn)水中懸浮物濃度，同時(shí)污水在沉淀池中進(jìn)行厭氧反應(yīng)，起到防止?jié)竦囟氯徒档蜐竦匚廴疚镓?fù)荷的作用。最后一級(jí)沉淀池的污水通過(guò)水泵輸送至濕地表面布水系統(tǒng)，布水系統(tǒng)將污水均勻分布在濕地表面，污水再通過(guò)重力垂直向下流，在濕地介質(zhì)中進(jìn)行凈化，最后通過(guò)介質(zhì)層底部集水系統(tǒng)匯集排出。

多級(jí)沉淀池有效容積為24m3，分為4級(jí)，污水有效停留時(shí)間為16h。漂浮物和懸浮物質(zhì)主要在第一級(jí)及第二級(jí)沉淀池去除，后面兩級(jí)沉淀池水質(zhì)較為清澈，第四級(jí)沉淀池懸浮物濃度已經(jīng)下降至60mg/L以下，達(dá)到垂直流人工濕地進(jìn)水懸浮物標(biāo)準(zhǔn)。污水在沉淀池進(jìn)行厭氧反應(yīng)，大分子污染物降解為小分子，給后續(xù)濕地主體微生物進(jìn)一步降解起到很好的預(yù)處理作用。垂直流人工濕地主體面積為140m2，水力負(fù)荷為0.25m3/m2，污水經(jīng)處理能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)以上，即出水COD、BOD5、總氮、氨氮、總磷分別在60mg/L、20mg/L、20mg/L、8mg/L、1mg/L以下。垂直流人工濕地主體主要由植物、介質(zhì)及微生物構(gòu)成。

圖1 垂直流人工濕地系統(tǒng)

3.1.1 植物

植物的作用主要分為四個(gè)方面：一，植物通過(guò)葉子和根莖將地面氧氣輸送至根部，給介質(zhì)中微生物活動(dòng)提供氧氣；二，吸收污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低水中污染物含量，因?yàn)橹参镒陨砩L(zhǎng)需要從周圍環(huán)境中吸取養(yǎng)分，如污水中小分子有機(jī)物和N、P元素；三，提供微生物生長(zhǎng)載體，水生植物根系一般較為發(fā)達(dá)，根系表面積大且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足是微生物生長(zhǎng)的良好場(chǎng)所；四，植物起到美化景觀作用，人工濕地不僅能作為污水處理設(shè)施，同時(shí)植物通過(guò)合理設(shè)計(jì)搭配能作為優(yōu)美的景觀[8]。

3.1.2 介質(zhì)

垂直流濕地介質(zhì)一般采用沙、石復(fù)合填料，通過(guò)合理的級(jí)配使污水能良好滲漏的同時(shí)為微生物的生長(zhǎng)提供載體。介質(zhì)通過(guò)沉淀、過(guò)濾及吸附等作用直接去除部分污染物，如污水中磷酸根能與介質(zhì)中鈣離子結(jié)合固定[9]，還有一部分污染物通過(guò)介質(zhì)表面微生物去除。有研究表明，不同復(fù)合介質(zhì)對(duì)濕地水質(zhì)凈化具有很大影響，如果介質(zhì)選用小粒徑顆粒偏多則濕地介質(zhì)層與大氣氧氣交換速率就會(huì)大大降低，如果介質(zhì)選用粒徑過(guò)大則介質(zhì)層過(guò)濾作用大大降低且造成污水停留時(shí)間過(guò)短污染物去除率降低。

介質(zhì)層厚度同樣對(duì)污水處理效果有較大影響。介質(zhì)層厚度如果太深，植物根系難以生長(zhǎng)觸及，造成介質(zhì)層下部供氧不足，會(huì)使停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的水缺氧發(fā)生大范圍厭氧反應(yīng)發(fā)臭，降低出水品質(zhì)。介質(zhì)層厚度不夠則會(huì)影響植物根系正常生長(zhǎng)和造成停留時(shí)間不夠使污染物未充分去除。

3.1.3 微生物

濕地中微生物是去除污染物的主力軍，主要起降解有機(jī)物和硝化-反硝化脫氮作用。濕地中微生物通過(guò)吸收水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)繁殖，與此同時(shí)水中污染物濃度大大降低，COD、BOD5含量顯著下降。微生物通過(guò)硝化作用將水中NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-、NO2-，使污水臭味去除，接著通過(guò)反硝化作用將NO3-、NO2-轉(zhuǎn)化為N2及氮的氧化物，從而達(dá)到水體脫氮的效果[10]。

3.2 智能人工濕地

人工濕地以維護(hù)簡(jiǎn)單、處理效果良好在農(nóng)村生活污水中廣泛運(yùn)用，但人工濕地終端往往較為分散，運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)收集較為困難，如每個(gè)濕地終端日處理水量。在信息化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，“互聯(lián)網(wǎng)+”的國(guó)家戰(zhàn)略思維更是促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)思維在行業(yè)中的滲透。面對(duì)大量的人工濕地終端，需要借助信息化的手段，采用“互聯(lián)網(wǎng)+人工濕地污水治理”實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村污水治理的精細(xì)化管理和規(guī)模化管理，提高污水處理業(yè)務(wù)作業(yè)效率，降低運(yùn)營(yíng)管理成本。

智能化人工濕地較傳統(tǒng)濕地有三方面改進(jìn)：一，實(shí)時(shí)監(jiān)控濕地處理水量，通過(guò)泵的運(yùn)行時(shí)間和泵的參數(shù)計(jì)算出處理水量，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫?，管理員能實(shí)時(shí)監(jiān)控濕地運(yùn)行情況；二，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于較大項(xiàng)目可安裝在線監(jiān)測(cè)儀，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳到云端，使管理員能及時(shí)了解濕地水處理效果，從而迅速做出相應(yīng)調(diào)整；三，濕地現(xiàn)場(chǎng)在線觀察，濕地現(xiàn)場(chǎng)攝像頭拍攝畫面并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫耍芾韱T能實(shí)時(shí)觀察濕地現(xiàn)場(chǎng)，如果濕地現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)破壞能第一時(shí)間做出反應(yīng)。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了人工濕地及人工濕地在農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了智能化人工濕地這一概念，給分散式人工濕地終端運(yùn)營(yíng)、監(jiān)管提出了一個(gè)可行思路，提高了人工濕地在將來(lái)的應(yīng)用前景。

[1]白曉慧,王寶貞,余敏,等.人工濕地污水處理技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用 [J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1999(6):88-92.

[2]宋志文,畢學(xué)軍,曹軍.人工濕地及其在我國(guó)小城市污水處理中的應(yīng)用 [J].生態(tài)學(xué)雜志,2003,22(3):74-78.

[3]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.

[4]吳曉磊.人工濕地廢水處理機(jī)理 [J].環(huán)境科學(xué),1995(3):83-86.

[5]夏漢平.人工濕地處理污水的機(jī)理與效率 [J].生態(tài)學(xué)雜志,2002(4):51-59.

[6]孫亞兵,馮景偉,田園春,等.自動(dòng)增氧型潛流人工濕地處理農(nóng)村生活污水的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(3):404-408.

[7]付貴萍,吳振斌,任明迅,等.復(fù)合垂直流濕地反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及水流流態(tài)的研究 [J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2001,21(6):535-539.

[8]魏成,劉平,秦晶.不同基質(zhì)和不同植物對(duì)人工濕地凈化效率的影響 [J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(8):3691-3697.

[9]袁東海,景麗潔,高士祥,等.幾種人工濕地基質(zhì)凈化磷素污染性能的分析 [J].環(huán)境科學(xué),2005,26(1):51-55.

[10]梁威,胡洪營(yíng).人工濕地凈化污水過(guò)程中的生物作用 [J].中國(guó)給水排水,2003, 19(10):28-31.

TU992.3[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-408-2