人工湿地系统处理小型城镇生活污水工艺研究——以伏虎镇为例

龙　泉，徐　威，王　恒，杨怡阁，吴　怡,2

(1. 四川省环境保护科学研究院，成都　610041;2. 四川省环境保护科学研究院四川省环境保护重金属污染防治重点实验室，成都　610041)

· 试验研究 ·

人工湿地系统处理小型城镇生活污水工艺研究
——以伏虎镇为例

龙泉1，徐威1，王恒1，杨怡阁1，吴怡1,2

(1. 四川省环境保护科学研究院，成都610041;2. 四川省环境保护科学研究院四川省环境保护重金属污染防治重点实验室，成都610041)

小城镇污水处理问题已成为我国新型城镇化建设的一大掣肘，本研究针对四川省较为典型的北部丘陵区乡镇污水处理现状，选取并设计了南充市某乡镇污水的人工湿地处理工艺，其采用的工艺为：预调节池、四级“塘床结构”潜流式人工湿地，重点考察了人工湿地出水中COD，氨氮和色度的去除效果，结果表明COD和氨氮的去除率分别达到69%～81%和46%～85%，并对人工湿地处理过程中的季节性效应作了分析，这对于四川省乡镇污水处理工艺的选择和应用提供了技术参考与实际工程实例。

潜流式人工湿地；生活污水；氮；水力负荷

1　前　言

1.1小城镇污水处理现状

小城镇污水目前已成为农村面源污染的主要源头之一，同时也是我国城镇化进程与农村环境改善的重难点任务之一。根据《全国环境统计公报》2012年我国城镇生活污水排放量462.7亿吨，化学需氧量(COD)912.8万吨，氨氮144.6万吨，分别占排放总量的67.6%，37.6%和57.0%[1]，其中农村集镇污水处理率不到10%，约90%小城镇生活污水直接排入河流和沟渠之中，未经处理的生活污水对农村环境已带来了极大的环境压力，但由于认识不足，在小城镇层面上的环保处理方面几乎处于空白状态[2]。小城镇污水处理普遍面临污水处理量小，规模小、进水量与水质时间波动大、地形差距大，管网建设与接入困难，污水收集系统不完善、区域化差距明显，运行资金与技术要求较多等多方面问题[3]，在这种背景下，我国绝大多数城镇污水处理厂大多采用低负荷活性污泥法，虽然能实现出水稳定达标，但存在建设费用大、运行费用高、反应时间长、占地面积大等缺点[4]，对于处理规模较小的乡镇或农村污水并不适用。因此，在关键技术的应用与推广方面，还需要更多能够操作的实用技术。

1.2人工湿地处理污水技术特点

人工湿地是由人工设计、建造并控制运行的与天然湿地类似的生态系统，它充分利用植物、微生物构建复合生态系统的物理、化学和生物三重协同作用来实现对污水的净化，其投资低、运行维护简单，对负荷适应能力强，且具有景观生态的作用[5]。对于人工湿地来说，最大的特点在于系统内水生植物发达的根系与基质组成稳定的生物系统为有机污染物的微生物降解提供了适合条件，大量生物膜的生长促进了污染物的削减，并且通过对水量的调节可以使根部地区形成好氧、缺氧和厌氧区，为微生物培养提供了良好环境，利于硝化与反硝化作用进一步对污水进行脱氮除磷，促进污染物的多渠道降解。研究发现，人工湿地对于COD、氮、磷、SS、某些重金属和病原体等污染物的去除作用尤为突出，在进水浓度较低的条件下，对COD、BOD5的去除率可达80%以上，氮、磷去除率高于50 %，SS出水小于20 mg/L，该工艺在发达国家与发展中国家的生活污水处理中得到了较为广泛的应用[6～8]。

四川省多为山地丘陵地区，整体经济水平不高，人口密度较低，且丘陵地区地势起伏，缺乏适合修建人工湿地的大片平地。而潜流式人工湿地工艺使污水沿垂直方向流动，污水流程短，供氧能力强，硝化作用较为充分，相对占地面积小，可实现较大水力负荷长期运行，提高布水均匀性，尤其对于氨氮含量较高的生活污水有着较好的处理效果。作为近几年发展起来的一项技术在小城镇污水处理有着独特的优势，是目前较为实用的工艺之一，但该技术在使用过程中多发生填料淤堵现象，在某种程度上限制了潜流式人工湿地的功效，目前还未有较为全面的解决办法。

本文在对四川南部县伏虎镇污水产生的实际调研基础上，针对传统潜流式人工湿地易堵塞的问题，采用进水预处理手段，同时设计了多级“塘床结构”的潜流式人工湿地处理工艺，避免了基质系统淤堵问题，并通过伏虎镇人工湿地工程研究了该工艺的实际处理效果，分析了该工艺的优点与需要改进的问题，结果将对目前我国西南小城镇污水处理的实用技术推广，人工湿地的维护与稳定运行提供实例参考。

2　材料与方法

2.1研究区域概况

伏虎镇位于四川省南部县、西充县、盐亭县3县交界处，地处唐巴公路(101线)干线中段，是南充市与绵阳市边界区域，是该区域经济、文化、交通、商贸、交通中心，下辖4个居委会，19个行政村，总人口3.6万人，其中城镇人口近2万。伏虎镇人工湿地工程选址于凤台观村的铁板桥处，占地11.5亩，设计日处理污水量为1500吨，用于处理伏虎场镇的生活污水。

2.2样品采集与分析方法

课题组分别于2008年2月、6月、10月采集了湿地入口处、湿地出口处的水样，现场加酸密封后，立即带回实验室冷冻(-20℃)保存。样品色度、COD和氨氮指标按照国家标准《水和废水监测分析方法(第四版)》[9]分别采用稀释倍数法、快速消解分光光度法以及纳氏试剂分光光度法进行分析，水样中pH与水温使用YSI-550A多参数探测仪现场测定。

2.3污水处理工艺

本人工湿地工艺主要采用潜流式人工湿地，湿地主要包括3个处理系统：

①预处理系统：库容为2000 m3的预调节池及配水渠；其中设置格栅筛滤垃圾，预调节池为拦截天然河渠对污水作第一级沉淀处理，污水经过配水渠进入进水槽，实现湿地系统的均匀布水。

②多级塘床处理系统：即前端为塘后端为床，体积比约1∶6～1∶7，每套塘床交替串联，每一级塘床在同一池内沿水流方向布设为“塘+床”结构，每级塘床出水由水位控制器控制进入下一级塘床，最终形成四级塘、四级床的人工湿地处理系统。

③湿地基质及生物系统：内建8个植物塘和8个植物床。植物塘可起二次沉淀作用，植物塘和植物床中植物选择因因地制宜，在植物床中选择耐水、根系发达、多年生，气温耐受力强，吸收有机物、氮、磷能力强，且具有观赏性和经济性的植物。根据以上原则，在植物塘内种植凤眼莲(Eichhorniacrassipes)、水浮莲 (PistiastratiotesL.)、浮萍(LemnaminorL.)等浮游植物进行沉淀、过滤和生物吸收处理，并养殖一定数量的鱼类；植物床内放置大小规格不等的含钙破口石(6～30mm)，通过配水管把污水引入植物床，在植物床内种植芦苇(Phragmitesaustralis)、芦竹(Arundodonax)、香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(CannaindicaL.)进行净化。

此湿地工程由两套塘床系统并联而成，每套系统内部塘床交替串联，最后一级出水汇入排水渠，最终排入地表河流。处理流程请见图1。

图1　伏虎镇人工湿地工艺流程Fig.1　Process flowchart of wastewater treatment in constructed wetland of Fuhu Town

2.4运行方式

该人工湿地日处理水量约为1150～1400m3/d，采用自流式进出水，定期安排人员对沉淀池及人工湿地单元进行维护和清理，特别是堵塞人工湿地与进水沟渠中的杂草、腐败植物残体，垃圾进行清理，总体运行情况正常，出水水质感观良好。

3　结果与分析

3.1处理效果

由进水和出水的情况可以看出，湿地进水反映了该乡镇污水基本以生活污水为主，未有其他畜禽养殖废水混杂流入，水温一年在3℃～23℃不等。在秋季的色度较高，pH值为中性偏弱碱性，基本保持不变，在经过人工湿地处理后有不同程度的降低。如表1，表2。

表1　人工湿地不同季节进出水的物化参数变化

表2　人工湿地不同季节的处理效果

3.2潜流式人工湿地的效果

总体来看，COD进水主要体现出了乡镇污水主要特点，COD一般在100～200mg/L之间，氨氮含量主要在15.9～27.54mg/L之间，由表1实际处理的数据来看，人工湿地对伏虎镇生活污水的处理效果较好，出水水质基本都达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002 )》一级B标，该人工湿地工艺处理城镇废水效果比较明显，COD和氨氮的去除率基本都达到了69%～81%，氨氮去除率46%～85%，出水色度也有较大的改善作用。

对比我国北方农村地区的人工湿地，其运行过程中往往需要经过沉淀、升降流、布水、跌水、集水、布水、集水、排放几个过程，运行工艺上将一体化预处理系统与水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地以及景观湿地结合起来[10]，既要考虑冬天结冰，又需考虑夏天基质填料堵塞问题，工艺往往十分复杂和繁琐。而针对西南丘陵区气温较高但地势起伏不平，污水水量水质不均的特点，对后期的处理来说尽可能解决负荷不均匀，处理效果波动大的缺点，因此为使污水流入量在一定时间内均等，确保停留时间，在湿地前端设置容量较大的调节池，利用丘陵地区地形高差可修建多级塘床单元实现自流净化，从而达到无动力、低能耗的目的。

潜流式人工湿地工艺污水在湿地床表面下渗流，两级以上湿地串联，处理单元并联组成，水流在地表下流动，整个系统完全建在地下，处理能力高，适宜我国西南丘陵地区的气候特点，耐冲击负荷，有效抵抗水量和有机物的冲击，运行效果稳定，出水水质较好且操作灵活，流程简单，造价低，对设备和处理设施的管理和维护要求较低，对于川西典型丘陵区小城镇的污水处理有着较为实际的作用。

3.3季节性变化

采样时间分别选择了2月(冬季)，6月(夏季)和10月(秋季)进行数据监测，从图2可看出该潜流式人工湿地的季节性处理效果差异。

图2　伏虎镇人工湿地处理生活污水效果Fig.2　Effect of constructed wetland on the wastewater treatment in Fuhu Town in different seasons

人工湿地仍存在冬夏季处理效果不均匀的现象，其季节性的变化影响COD和氨氮的去除率，可以看到温度和季节性因子与人工湿地的运行效果有着较为密切的联系。人工湿地建成并于冬季开始运行时，平均水温约3℃，其COD进水浓度194 mg/L，而出水浓度约36 mg/L，而夏季在进水较之冬季减少的情况下，出水反而增加，究其原因，可能是湿地刚建成后纳污容量较大，开始进水的污染物被塘床结构的湿地系统所降解吸收，水力负荷较低，而夏秋季由于前级植物床中基质出现不同程度的堵塞，提高了水力负荷，相应增加了有机物的负荷，增大了滤层的过流速度使得生物膜难以附着，起到降解消纳作用，从而导致出水COD含量增高的原因。

秋季水量较大时氨氮去除率较低(仅为46%)，究其原因，可能是人工湿地在秋季运行过程中曾发生过堵塞现象，一度造成处理系统的断流，大量泥土或高SS含量的进水冲入湿地系统堵塞了填料空隙，超过系统的缓冲能力，因此系统堵塞问题也是影响人工湿地处理效果的重要因素。

3.4工程效果对比

较之我国北方干旱地区采用地埋式一体化设施、多级复合式人工湿地系统[10]的工程案例处理场镇生活污水，多级潜流式人工湿地对于有机物去除效果较为明显，出水符合北京市水污染排放标准一级B限值，对于北方干燥气候较为适用，但预处理系统对于氮、磷去除效果不理想，导致后端湿地系统堵塞情况较为严重，也是影响最终处理效果的重要原因之一。而华南亚热带地区应用生物法-人工湿地组合工艺处理工业园区混合污水[4]的研究中，COD去除率可达63.1 %，在采用垂直流、表面流、潜流式三级人工湿地在避免人工湿地堵塞的前提下减少了约44 %湿地面积。Neralla[11]在对美国Texas州8个居住区生活废水发现，单级潜流式人工湿地结构对于BOD5和氨氮有较好的去除作用，但对于病原菌的去除仍然显得较为薄弱，该工艺作为生活污水的次级处理设施较为实用。与国内外的人工湿地相比，本工程案例特点即在于增加初级预处理与沉淀系统，核心为利用丘陵地区的高差建设多级塘+潜流式床复合处理结构，对有机污染物起到了良好的过滤和净化作用，堵塞情况得到了较好控制，既节约了土建费用，运行过程又采用无动力自流式配水方式，管理较为方便，由此可见，串联多级人工湿地工艺在西南丘陵地区低负荷的乡镇废水处理方面是较为实用的工艺之一。

4　结论与展望

针对西南丘陵区乡镇污水处理普遍存在的人口居住相对分散，污水收集、处理难度大的特点，建立了经济、简便易用的污水处理工艺，该人工湿地 采用两级预处理，四级串联，二级并联多级处理的潜流式人工湿地系统，结果表明：

4.1采用潜流式人工湿地技术处理乡镇污水，废水中有机物的去除效果较为明显，出水水质能满足国家标准相关要求，同时运行成本低，维护管理要求不高，对于四川省丘陵地区乡镇污水净化处理是一种值得推广的实用工艺技术。

4.2从实际处理的效果看，采用预处理系统与多级“塘床结构”的伏虎镇人工湿地在防止基质堵塞方面取得了较好的效果，但在秋季也曾发生过堵塞现象，伴随进水浓度的升高，造成了氨氮的去除率较之上半年度降低，系统堵塞问题也是影响人工湿地处理效果的重要因素，因此需要在夏秋转换时期加强对前级植物床的清淤工作，避免基质堵塞，提高人工湿地的利用率。

4.3相对于有机物的去除率，氮的去除率不高，并且受季节性影响较大，需进一步探寻人工湿地工艺中氮、磷等污染物的专门处理工艺，设置处理单元，以实现提高污水综合处置率，进一步优化和推广人工湿地技术。

[1]李伟，徐国勋，鲁剑，等. 小城镇污水处理设施的特点及对策[J]，中国给水排水，2012，28(6): 29-32.

[2]施昌平，陈媛媛，肖磊，等，厌氧预处理+潜流式人工湿地处理农村生活污水[J]. 环境工程，2011，29(3): 27-29.

[3]梁继东，周启星，孙铁珩. 人工湿地污水处理系统研究及性能改进分析[J]. 生态学杂志，2003，22(2):49-55.

[4]卢建，杨扬，尹振娟，等，生物法-人工湿地组合工艺处理小城镇混合污水研究[J].环境工程学报，2010，4(6): 1262-1266.

[5]邓国海，席英伟，李贵芝，等，几种潜流式人工湿地的工程应用与处理效果对比[J].四川环境，2014，33(2)：84-88.

[6]Dong H, Qiang Z, Li T, Jin H, et al. Effect of artificial aeration on the performance of vertical-flow constructed wetland treating heavily polluted river water[J]. Journal of Environmental Sciences, 2012, 24(4):596-601.

[7]Chang J J, Wu S Q, Dai Y R, et al. Treatment performance of integrated vertical-flow constructed wetland plots for domestic wastewater[J]. Ecological Engineering, 2012, 44:152-159.

[8]Vymazal J. The use of sub-surface constructed wetlands for wastewater treatment in the Czech Republic: 10 years experience[J]. Ecological Engineering, 2002, 18:633-646.

[9]国家环境保护总局，《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].北京: 中国环境科学出版社，2002.

[10]李静，姜冰冰，王飞宇，等，北京市杨镇一中人工湿地设计及污水处理效果[J]. 湿地科学，2012，10(1): 102-108.

[11]Neralla S, Weaver R W, Lesikar B J, et al.Improvement of domestic wastewater quality by subsurface flow constructed wetlands[J]. Bioresources Technology, 2000, 75: 19-25.

Study on Sewage Wastewater Treatment by Constructed Wetland System——an Application of Fuhu Town

LONG Quan1, XU Wei1, WANG Heng1, YANG Yi-ge1, WU Yi1,2

(1.SichuanAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610041,China;2.SichuanEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofPollutionControlforHeavyMetals,Chengdu610041,China)

The treatment of wastewater generated in rural area is a problem for new urbanization of China. In order to control the pollution by sewage drainage, constructed wetland is one of the recently proven efficient technologies for wastewater treatment. In this paper, we have verified the applicability of subsurface-flow constructed wetland on the treatment of wastewater, by producing and monitoring a demonstration in the Fuhu Town, Nanchong City. This technology is mainly comprised of pretreatment system, four levels of “pond & bed” treatment units. The results showed that the removal efficiency of COD and NH3-N were 69%～81%, and 46%～85%, respectively, and the seasonal effect was discussed as well. This study could provide reference of wastewater treatment technology selection and good application demonstration for typical rural area in Sichuan Province.

Subsurface-flow constructed wetland; sewage; nitrogen; hydraulic loading

2015-04-08

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07104-003)项目资助。

龙泉(1970-)，男，四川成都人，高级工程师，注册监理工程师，注册咨询工程师,从事环境工程设计工作。

吴怡,yiwu@scaes.cn。

X703

A

1001-3644(2015)04-0007-05