人工湿地在农村生活污水处理中的应用及研究进展

林卉, 姜忠群, 冒建华

(北控水务(中国)投资有限公司, 北京 100102)

根据《2019年国民经济和社会发展统计公报》[1]，我国有5.5亿人口居住在农村，按照人均生活用水量83 L·d-1、排放系数0.8估算，全年累计排放污水近133亿m3。在农村生活污水收集提高的同时，其有效处理却亟待完善。2017年，农村污水处理率不足30%[2]。生活污水未经处理直接排放是农村村容村貌破坏、水源污染、湖泊和河流富营养化的重要原因。

农村生活污水来源主要为厨房、洗衣、洗浴和冲厕废水等。由于农村的经济发展程度、居住特点和用水习惯等原因，农村污水处理系统与市政污水处理系统相比，具有处理规模较小、进水水量水质变化幅度大、污水成分简单，氮磷浓度高、后期运维资金少、运维队伍职业水平较低的特点[3-6]。

农村污水处理的原理与城市污水处理基本相同，主要有物化处理技术、生物处理技术和生态处理技术。物化处理技术如重力沉淀、过滤、化学沉淀等，运行成本较高，对溶解性生物需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)和氮的去除能力差，因此主要用于预处理和深度处理。生物处理技术利用微生物的特性对污水进行处理，可分为活性污泥法、生物膜法等。其中，以A/O法为代表的活性污泥法是目前城市市政污水处理的主流技术，处理效果稳定，但对反应装置的控制要求较高，运营维护较为复杂[6]。

人工湿地是污水生态处理技术的典型代表，通常指用人工筑成水池或沟槽，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化的构筑物。按照污水流动方式，人工湿地又分为表面流人工湿地(surface flow wetland，FWS)、水平潜流湿地(horizontal subsurface flow，HSSF)和垂直潜流湿地(vertical flow，VF)。人工湿地技术具有系统简单、操作管理方便、建设投资和运转成本低、生态景观价值高的优点，但也具有占地面积大的缺点。由于农村污水量小、用地相对充裕，人工湿地占地大的劣势被削弱，而操作简单、低能耗的优点受到重视，成为农村污水处理常用技术。《农村生活污染防治技术政策》(环发[2010]20号)及《农村生活污染控制技术规范》(HJ574-2010)都将人工湿地列入推荐的处理工艺清单。

然而，农村污水人工湿地在我国的早期推广中也暴露出一些问题。据王勇[8]统计，北京房山区2015年有58.3%人工湿地污水站点无法正常运行。究其原因是由于管网建设不到位、运维资金不足等农村污水系统的共性问题，但人工湿地技术未形成成熟的设计、施工、运维模式也是重要原因。随着《水污染防治行动计划》的颁布，国家对农村污水治理的管理强度进一步加强，对农村污水设施的稳定运行和达标排放提出了更加严格的要求，随之出现一些问题亟待解决，例如人工湿地与预处理工艺组合、选取设计参数、合理制订排放标准、保证冬季运行效果等。本文结合国内外最新研究和应用进展，针对以上问题进行浅析和探讨。

1 农村污水人工湿地应用现状

利用湿地生态系统处理污水的理念在世界各国古已有之，中国的桑基鱼塘系统就是其中的典型代表。自1952年德国科学家Seidel开始进行工程化的人工湿地研究以来，人工湿地技术在欧洲、北美洲、南美洲、亚洲、大洋洲、非洲均陆续得到应用。由于低成本、生态理念符合当地土著文化价值等原因，人工湿地在新西兰的村庄污水处理中发展迅速，除了处理生活污水外还用于处理农场的乳制品加工废水、削减农业面源污染等[7]。世界银行对尼加拉瓜、萨尔瓦多、秘鲁、哥伦比亚、巴西等国示范工程的净化效果进行跟踪分析后，认为人工湿地处理效果稳定、成本低廉，对于中小社区是可行的污水处理技术，但应由专业人员设计，并对本地运营团队进行专业培训[9]。

欧美国家对于人工湿地的应用相对起步更早、研究更深入。欧洲有超过50 000座人工湿地用于污水处理[3]，大部分人工湿地位于乡村或小城镇，用于中小规模的生活污水处理。英国广泛采用人工湿地用于原有农村污水站点出水的深度净化，并成立了人工湿地协会，建立了由超过900座人工湿地组成的数据库[10]。据Molle等[11]统计，法国有超过500座农村污水人工湿地，采用垂直潜流湿地为主的工艺，净化效果稳定。人工湿地在气候寒冷的波兰也有超过30 a的应用历史，其中大部分人工湿地用于小于5 m3·d-1的单户农村生活污水处理[12]。英国、法国、意大利、德国、丹麦、捷克等国相继颁布了用于分散型生活污水处理的人工湿地设计规范[7]。北美则建成了超过10 000座人工湿地，且从南到北均有分布，仅在美国肯塔基一州就有超过4 000个用于单户生活污水处理的潜流人工湿地[7]。目前，北美洲有大量从事人工湿地研究的科研人员，并建立案例数据库，为该领域的进一步发展创造了良好的条件。

我国污水处理人工湿地研究工作始于1987年，在天津、北京等地建成了试验工程[13]。2004年以来，人工湿地在我国进入快速发展期，截止2015年，我国有公开文献报道的人工湿地工程超过700个[12]。人工湿地在我国的应用不论是处理规模还是污水类型都向多元化发展。处理规模方面，有设计处理量25万m3·d-1的地表水净化湿地[14]，也有10 m3·d-1以下的农村污水湿地[12]。在污水类型方面，人工湿地已用于处理包括生活污水、河湖水、垃圾渗滤液等多种类型的污水[12]。由于我国环境问题复杂、人口密度大、土地资源稀缺等特点，我国人工湿地研究为该技术的规模化、精细化发展提供了创新视角和数据支撑。

2 人工湿地及预处理单元的工艺组合

对于人工湿地在污水处理流程中的工艺定位，或称人工湿地对预处理的要求，当前业界观点不一。在北美和欧洲，一般将潜流人工湿地用于处理经化粪池或沉淀池预处理后的生活污水，即作为二级处理工艺。在法国的农村污水处理中，甚至直接将未经预处理的生活污水排入潜流人工湿地中，即在人工湿地中同时进行一级和二级处理过程[10]，这种不需预处理的人工湿地运行已超过30 a，处理效果良好。但应认识到，欧美农村用地充裕，通常采用3～5 m2·PE-1的人工湿地面积(即单位服务人口的湿地面积)，大约相当于吨水占地面积15～50 m2，这在我国的很多地区难以实现。而当采用显著低于上述处理面积的人工湿地直接处理污水时，容易出现基质堵塞、出水恶化等问题。因此，在用地满足要求的情况下，人工湿地可以作为农村污水处理主工艺，如前述北京平谷、广东郁南等一些条件允许的村落以人工湿地作为主处理单元，取得了良好的效果[16,20]。相关规范也明确，化粪池、沉淀池等均可以作为人工湿地的预处理设施，并非只有经过二级处理的污水才适合采用人工湿地进行净化。但在用地紧张的情况下，从技术经济角度考虑，人工湿地更适宜作为深度净化单元。部分农村污水人工湿地工程工艺组合及运行情况见表1。

表1 典型案例工艺流程及主要参数Table 1 Treatment process and parameters of representative studies

当前，活性污泥法二级处理+人工湿地深度净化的工艺流程目前已成为市政污水厂提标改造的常用方法。这种工艺组合同样适用于处理水量较大的集中村落，但对于分散村落的适用性值得商榷。活性污泥工艺可控性高，但能耗高、对运营人员要求高；人工湿地耗能低、运行简便，但占地大，且有植物收割处置的运营需求。因此，若将两种工艺结合，对于农村分散污水处理而言，既需要专业污水处理运营，又要进行湿地绿化维护，造成运营工作量加倍。因此，建议针对分散型农村污水处理，优先采用单一的好氧生物处理技术或厌氧预处理+生态处理技术，从而最大化地发挥两种方法各自的优点。

3 人工湿地设计标准化进展

人工湿地技术在发展初期缺乏统一实施标准，缺乏成熟运维模式等问题，导致部分项目后期运行效果不佳。住建部与原环境保护部分别于2009 年、2010 年出台了《人工湿地污水处理技术导则》与《人工湿地污水处理工程技术规范》两部规范，有力地推进了技术应用，但未针对不同地域对具体单元设计进行参数制订[25]。张涛等[26]指出，《人工湿地污水处理工程技术规范》尚不能满足农村污水实际工程的需要，还需要不断完善相关设计参数。

表2 国内外部分人工湿地规范参数取值Table 2 Design parameters of representative CW guidelines

与丹麦、德国等地的设计规范[31]对比发现，欧洲设计规范主要以服务人口计算湿地面积，污染负荷取值仅为辅助，且对营养盐污染负荷涉及较少，在我国的工程中无法直接套用。德国人工湿地规范针对农村污水处理，按一级处理、二级处理、深度处理分类，对人工湿地的填料种类、粒径分布、配水频率、预处理池容等均做出了详细的规定，基本实现了技术标准化，但同时也削弱了灵活性。

4 农村污水人工湿地出水指标制订进展

由于农村污水处理设施水量小、位置分散、管理水平较低，对其出水指标的要求不宜照搬大型市政污水处理厂的严格标准。据徐志荣等[5]统计，浙江省各县市在2015年执行的农村污水COD排放限值从50到200 mg·L-1不等，未形成适合农村环境实际情况的标准体系。

2017年以来，我国部分省市相继颁布了农村污水排放标准。表3对国内外有代表性的排放标准进行对比。

表3 各国农村污水排放标准Table 3 Discharge limits of rural wastewater treatment effluent

5 人工湿地低温运行效果及保证措施

人工湿地在我国北方寒冷地区也有应用和研究，但由于温度影响和北方农村经济水平的限制，其进展较缓于气候温暖地区。陈晓东[42]以沈阳大孤家子镇400 m3·d-1的污水处理系统为例，研究认为厌氧预处理+潜流人工湿地的工艺路线适用于沈阳的农村污水特点，冬季运行可靠，出水可达到城镇污水处理厂污染物排放标准[19]中二级标准。《辽宁省农村生活污水处理技术指南(试行)》(征求意见稿)[43]中提出，潜流人工湿地适用于资金短缺、土地面积相对充足的农村地区，但处理效果受季节影响。

当前，为保障人工湿地低温运行效果，通常采用以下几种方法。一是采取保守设计[44]，即较小的处理负荷、较长的停留时间，以补偿冬季净化效率降低的影响；二是采用单元内保温措施，如在表流湿地利用挺水植物截留降雪形成保温层、在潜流湿地表面铺设秸秆层等[5]；三是采用单元外保温措施，如拉萨市甘曲湿地采用了外设钢架玻璃温室的方法[45]；四是设置额外存储池容，如吉林通化的一处农村污水人工湿地，冬季仅储存污水不排放，其他三季处理后排放[46]。夏秋季出水水质基本可以达到一级A标准，春季对冬、春两季污水合并处理，出水水质基本可以达到一级B标准。

6 展望及建议

“十二五”以来，人工湿地技术在我国农村生活污水处理中得到了广泛的应用，针对该技术的研究和规范制订也得到了长足的进步。结合国家水污染防治行动计划的相关要求，认为在人工湿地处理农村污水方面，以下几个方面还需要重点关注和研究：一是针对用地受限的地区，如何通过强化手段，提高单位面积处理负荷，实现人工湿地的小型集约化；二是针对不同的受纳水体开展设计、运维研究，尤其是对环境敏感、排放标准严苛地区开展深度净化稳定达标技术的研究；三是针对水量小、波动性大的农村污水人工湿地，研究建立适宜的设计、施工、运维体系，使其与项目管理模式相适应；四是对人工湿地的详细设计进行归纳优化，形成类似于传统给排水工程的设计手册；五是人工湿地资源循环技术研究，包括肥水资源利用、植物秸秆的回收利用等。