小型人工潜流湿地装置在农村生活污水处理中的应用

宋俊密，王 芳，王闻琰，李孟坤

(1.甘肃省环境监测中心站,甘肃 兰州 730020;2.德州学院 化学化工学院,山东 德州 253023)

1 引言

近年来，随着农村经济的飞速发展、农民生活水平的不断提高，农村生活污水的排放量也迅速增加。农村生活污水的肆意排放已成为农村水环境污染的重要来源，严重破坏了地表水环境，若不加以重视将会引起对土壤甚至地下水的污染[1，2]。农村生活污水处理模式主要包括分散处理、集中处理和纳管收集统一处理。Huang等[3]、陈娟等[4]通过模型对污水处理模式进行研究，发现相对集中的处理模式和联户模式更具优势，但对经济条件较差，环境要求较高的地区，生态处理则更适用。Eva Risch等[5]应用生命周期评价法对污水处理模式进行了比较，发现从对污染物排放的管控效果来说集中处理模式较好，从可持续发展来看分散处理模式更具优势，但从保护人类健康来说，则各具优势。污水处理模式对处理技术的选择至关重要。目前，我国农村生活污水处理技术主要包括生物处理技术、生态处理技术以及生物和生态的组合处理技术。生物处理技术在农村生活污水处理中应用较广泛，技术较成熟，如厌氧池[6～8]、化粪池[9,10]、沼气池[11]、活性污泥法[12]、生物膜法[13,14]等，该技术在实际应用中需更多的考虑农村生活污水水质水量稳定性差、技术维护水平低、经济运行成本高等特点。生态处理技术更适用于高原地区和分散式处理模式[15]，该技术通过水体或土壤中植物、微生物的自净作用来实现对污染物的降解和吸收，主要优点是投资少，运维费用低，缺点是易受环境影响，导致出水水质不稳定。如人工湿地[16]、土地渗滤系统[17]等。

农村生活污水处理技术的选择，首先考虑污水收集、处理和排放情况，以及能耗、维护管理等费用；其次考虑生态化、节能化、景观化，从而实现氮、磷的资源化和污水的回收利用。与传统生化处理技术相比，生态处理技术中的人工湿地法具有运行维护成本低、水质处理效果好，且兼顾生态修复与景观等特点。本文研发设计了一种人工潜流湿地污水处理一体化装置，经单池处理模拟生活污水实验结果表明：该系统运行稳定，对CODcr的去除效率在85%～91%，氨氮的去除效率在70%～79%，总磷的去除效率在68%～75%。

2 农村生活污水来源与特征

我国农村区域约占全国总面积的90%，人口超过6.3亿人。农村生活污水主要来源于厨房污水、洗漱沐浴污水、厕所污水以及牲畜粪便，时间多分布在早(5：00～6：00)、中(11：00～13:00)、晚(18:00～20:00)3个阶段。

农村生活污水排放特点显著，一是各户污水产生量小、排放分散，但成分差别较大。与城镇相比，受经济发展和环境条件限制，农村地区总用水量较少，污染物成分相对单一，有毒有害的污染物成分较少；二是受区域性、季节性和时段性影响，农村地区污水产生量随空间和时间变化较大。农村居民生活作息习惯导致用水和排水高峰时段集中在早、中、晚，夜间基本无用水和排水产生，且用水和排水量均与季节和气候变化关联，夏季用水较多，冬季用水较少；三是农村生活污水排放分散、很难集中，导致污水处理程度较低。目前大多数农村采取直接或经化粪池简单处理后排放，甚至许多农户采取直接泼洒方式，污水基本未经处理则排放，对周边流域和地下水水质、土壤土质造成污染；四是农村生活污水可生化处理性较强。受农村生活习惯影响，农村生活污水中虽含有较高浓度的氮、磷和有机物，但一般不含有毒、有害物质，生化处理较容易。

3 农村生活污水危害

我国农村居民居住分散，管网收集系统难以铺设，加之农村环保意识较弱，各种生活污水、人畜粪便未经处理随意排放，流入河流，其中含有大量的氮、磷、细菌病毒，造成地表水水体污染、地下水水质恶化等一系列环境问题。生活污水未经处理直接排放进入水体导致水体富营养化，造成水华，使鱼虾死亡，水体发黑发臭，严重污染各类水源；如果渗入地下水中，还会污染地下水；生活污水也是传染疾病的源头，村庄中的污水塘、臭水沟是疾病天然的温床，易造成流行病。现阶段，我国河流中超过80%受到不同程度的污染，农村生活饮用水中，大肠杆菌超标的饮用水涉及大约7亿人，有机物超标的饮用水涉及大约1.7亿人。同时农药等化学物质的泛滥使用，使农村地区大部分地下水的饮用再受限制，对农村经济发展及人民群众身体健康造成严重影响[18]。

4 农村生活污水生态处理技术

生态处理技术是利用土壤、微生物、动植物之间产生的一系列物理、化学、生物作用，对农村污水中的污染物进行降解。目前常见的农村生活污水生态处理技术如下。

4.1 高效藻类塘系统

基于传统藻类塘技术和形式，美国加州大学Oswald和Gotaas等在20世纪50年代强化藻类增殖提出了高效藻类塘。该技术充分利用藻类光合作用产生的氧气，促进有利于微生物生长和繁殖的环境，通过藻菌共生关系去除水体中氮、磷、病原体、有机碳等污染物[19]。该技术优点是投资少，运行费用低，无能耗或低能耗，维护简单，无污水回用需求时可作为处理水的暂存池使用；缺点是负荷低，占地面积大，处理效果受气候影响大，冬季易结冰。

4.2 污水灌溉新技术

将污水处理技术和出水回用灌溉相结合，污水处理满足要求后用于灌溉，灌溉后的水又通过地下暗管收集并排放，该技术不仅满足灌溉作物对水分和营养物质的要求，又降低了污水排放中污染物的含量。该技术适用于地广人稀、可以轮作轮耕的地区[20]。

4.3 沼气发酵技术

该技术在传统化粪池和沼气池基础上改进而成。污水中有机物经厌氧发酵后产生的沼气可作为家庭所需能源，发酵后的污水水质得到净化，沼液可作为液态肥料[21]，适合分散居住的农户，一般与人工湿地结合使用来实现达标排放。该技术优点是投资小、能耗低、产沼气、污泥量小，不同的类型可满足不同出水要求；缺点是沼气利用不完全。

4.4 人工湿地技术

人工湿地系统通过表层种植植物，中层填充基质材料，底层铺设防渗层，建立“微生物-基质-植物”的复合生态系统，利用基质、植物根系、微生物的物理吸附、化学反应和微生物分解的综合功能实现污水的净化[22,23]。根据水流方式的差异和布水方式的不同，分为垂直流人工湿地、水平流人工湿地和表面流人工湿地类型。该技术优点是投资建造费用低、处理效果好、运管护方便等；缺点是传统单一的人工湿地占地面积大，脱氮效果相对较差，受季节影响较大等。

4.5 土地渗滤处理系统

该系统是利用土壤及其生存于该土壤中的植物、动物和微生物的生物、化学、物理作用，对污水中污染物进行去除的生态学方法。该技术优点是造价低，处理效果好，维护管理简便等；缺点是占地面积大，污染负荷低，易堵塞，易污染地下水等。

5 小型人工潜流湿地一体化处理装置

5.1 设计理念

党的“十九大”提出乡村振兴战略，开展农村生态环境综合整治，优化农村生活污水治理方式，全面提高农村水环境质量，不断加强农村污水处理设施的建设和运行维护管理，对保护农村生态环境、提升农民科技知识、促进美丽农村建设的重要举措具有重要意义[24]。由于农村污水具有总量大，个体小，污染源分散，日变化系数大，污染物浓度低，维护管理技术人员缺乏等特点，污水管网收集往往成本巨大[25]，因此应采取运行稳定且成本低，就地治理为原则，实现无人值守。针对农村分散式生活污水处理并结合当今污水处理工艺，人工湿地系统更适合当今农村污水处理，能够更好地适应农村条件。本文针对以上特点，设计采用“小型人工潜流湿地一体化装置”对农村生活污水进行治理。

小型人工潜流湿地一体化装置采用植物+微生物+基质复合生态处理污水，无需动力、加药，具有良好的内部循环机制和抵抗外部环境变化能力的稳定可持续生态系统，建设和运营成本低，管理操作简单，出水水质好，既能够处理农村分散式生活污水，又能够起到美化农村环境的作用。

5.2 设计方案

本装置由模拟水箱、池体、配水装置组成，用来模拟农村生活污水的处理过程。装置内部装填砾石、石英砂、铁碳一体微电解填料，装置底部由粒径较大的砾石组成，污水通过布水管网间歇式布水，可避免污水表面溢流或者暴露。

5.2.1 模拟水箱

模拟水箱用来盛装模拟生活污水的水样，本实验中水箱采用塑料材质(长60cm，宽45cm，高40cm)，水箱底部设有开关，通过开光控制废水流速(图1)。

图1 模拟水箱

5.2.2 池体部分

池体采用塑料材质(长40 cm，宽40 cm，高50 cm)，底部有出水口，安装开关，控制出水，通过底部出水口可与另一池体相连接(图2)。

图2 池体外观

5.2.3 填料

铁碳微电解技术无需通电，在酸性废水溶液中投加铁碳微电解填料即可形成“原电池”，利用原电池反应、氧化还原、絮凝沉淀、物理吸附、电化学富集等机理协同去除污染物，该技术主要优点是运维成本低、环境友好、操作方便、可生化性强等，适合农村及土壤粗放的管理。本文将铁碳微电解技术与人工湿地技术相结合处理废水中磷和氮。经实验，本装置填料采用10 cm厚砾石，10 cm厚石英砂，10 cm厚活性炭和铁粉混合物(活性炭∶铁=4∶1)，20 cm厚土壤组成。考虑到粒径大小对污水流速、装置堵塞以及净水效果的影响，本研究选用的填料粒径规格约20～40 mm(图3)。

图3 砾石、石英砂、活性炭、铁粉

5.2.4 湿地植物

因不同植物对湿地中污染物的吸收能力不同，选择湿地植物时主要考虑以下几方面：首先是根据水体中污染物的监测结果进行针对性的植物配置；其次是宜优先选择乡土湿地植物，因其具有良好的生态营建功能和生态适应能力；再次是考虑湿地植物的年生长周期，以及兼顾人工湿地的景观；最后是所选植物不能对当地生态环境构成威胁或隐患，确保生态环境的安全性。生命力顽强的美人蕉可很快适应周围环境并在短时间内生根发芽。它不仅可以吸收促进自身生长的微生物，排斥有害的物质，而且在其茁壮成长时能吸收二氧化硫、二氧化碳等气体，净化空气，更能美化环境。因此本研究的湿地植物选用美人蕉(图4)。

图4 湿地植物

5.2.5 实验装置整体结构示意

本文单池一体化装置(图5)和双池一体化装置(图6)的结构示意图如下。

图5 单池一体化装置结构示意

图6 双池一体化装置串联结构示意

5.3 工作原理及性能分析

5.3.1 工作原理

实验装置采用自制的一体化装置，长×宽×高=40 cm×40 cm×50 cm，实验植物为美人蕉，填料为砾石、石英砂、铁碳混合物和土壤。为防止人工潜流湿地装置使用过程中的填料堵塞、植物生长萎靡缓慢、污染物去除效率低等问题，促进湿地植物健康快速生长，提高人工湿地脱氮除磷处理效率，本研究选用铁粉和活性炭为湿地填料，采用串联池体，进水出水周期性交替运行的方式预防填料堵塞。利用填料-微生物-植物复合生态系统中物理、化学和生物的综合作用进行废水处理，使水质得到不同程度的改善，同时营养物质和水分可用于植物生长的营养成分，实现废水的资源化和无害化。

5.3.2 实验用水及水质

实验污水为实验室自配水样(葡萄糖作为碳源，氯化铵作为氮源，磷酸氢二钾为磷源)，采用一体化装置模拟农村生活污水垂直流湿地处理过程。模拟农村生活污水水质见表1。

表1 进水水质

5.3.3 实验方法

模拟人工湿地构建后，稳定15 d，期间用自来水检验装置完好性，实验用植物通过一段时间的种植培养，待生长正常稳定后，将植物株型基本一致的个体植物植入各模拟人工湿地实验装置中，植入密度以实际人工湿地的种植密度为参考。系统运行期间，采用间歇配水方式，对植株的生长状况进行动态观测，并定期测定进出水水质，测定指标包括CODcr、NH3-N、SS、TN和TP。所有指标测定方法均选用国家标准方法。

5.3.4 实验结果

实验为单池处理模拟生活污水，实验时间为1个月，共进行了4次实验，每次实验时间为1周，1周后测定出水水质，结果见表2。

表2 进出水水质

从实验数据可知，实验系统运行稳定，对CODcr的去除效率为85%～91%，氨氮的去除效率为70%～79%，总磷的去除效率为68%～75%。

6 结论

本文研发设计的人工潜流湿地污水处理一体化装置包括模拟水箱、池体、填料、湿地植物、布水装置。填料分层装填在池体内，湿地植物种植在填料上，布水系统设置在池体内，可采用单个池体处理，多池并联处理，或2个或多个池体串联处理污水。串联处理污水的方法采用上行流和下行流两种工作方式交替运行，通过改变污水流向，可有效预防基质堵塞，湿地填料选用砾石、石英砂、活性炭+铁粉，湿地植物选用美人蕉。该装置可事先批量生产、种好植物、驯化好微生物，即可实现即刻安装，即刻使用的效果。单池处理模拟生活污水实验结果表明，该系统运行稳定，对CODcr的去除效率在85%～91%之间，氨氮的去除效率在70%～79%之间，总磷的去除效率在68%～75%之间。经研究，本装置可模拟农村生活污水湿地处理的试验，下一步可对装置放大，对农村生活污水处理进行中试验，进一步分析其在我国农村生活污水处理推广应用中的技术、经济和环境效益的可行性，为研发适合我国农村生活污水的处理设施和处理技术提供科学依据。