人工湿地在农村生活污水综合治理中的应用

邓 晨

湖南鑫时予环保科技有限公司，湖南 娄底 417000

0 引言

在农村发展过程中，受基础设施建设落后的影响，如缺乏完善的污水处理系统及污水排放渠道等，大量未经处理的污水直接被排放，影响农村环境，不利于农村地区的可持续发展。因此，加强农村生活污水处理势在必行。利用人工湿地进行污水处理具有成本投入少、操作简便、处理效果显著等优点，十分适合在农村生活污水综合治理中应用，可解决农村生活污水处理与排放问题。有关部门应充分认识到人工湿地的应用优势，并结合农村生活污水综合治理需求，积极探索科学高效的应用措施，从而提升农村生活污水综合治理水平和成效，助力农村地区的可持续发展。

1 农村生活污水的特点

农村生活污水可以分为黑水与灰水两大类。其中，黑水主要是指冲厕排水，此类污水污染浓度高、处理难度大；灰水则主要是指冲洗用水等。相较于黑水，灰水污染物浓度较低。但无论是哪种类型的农村生活污水，都具有分散性强、难以集中处理的特点。因此，村民针对灰水通常都会采用直排的形式处理，针对黑水则多借助化粪池储存并定期清掏处理。近年来，随着农村地区经济的发展及村民生活水平的提升，越来越多的农村家庭设置了相应的洗浴设施，并且采用了冲水厕所。受此影响，农村生活污水不仅排放量增多，而且黑水、灰水合流排放的趋势愈发明显，进一步提升了农村生活污水处理难度，使农村地区的地下水污染、河水污染及土壤污染等现象越来越严重，对农业生产、农民生活及农村地区的可持续发展等均产生了十分不利的影响。除此之外，间歇性排放、悬浮物与有机物含量高、日变化系数大及污水成分复杂等，也是农村生活污水的主要特点［1］。另外，农村生活污水还具有污染物浓度相对较低、可生化性强等特征，这为污水处理中人工湿地的应用提供了条件。

2 人工湿地概述

人工湿地不仅在农村生活污水处理中有着广泛的应用，而且在工业污水处理中的应用效果也比较理想。人工湿地在降解污水有机物方面优势显著，湿地的沉淀与过滤作用能够有效处理污水中的有机物，适合大范围污水处理。另外，人工湿地中的植物可以吸收污水中的部分有机物，进而起到净化污水的作用。人工湿地包括表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地等［2］。其中，表面流人工湿地可以在水体缓慢流动过程中借助水体中的微生物及植物对污水进行净化处理。这种湿地形式具有运行费用低、污水处理操作简便等优势，但是也具有占地面积大、受温度影响大等不足，因此其在农村生活污水综合治理中的应用并不广泛。水平潜流人工湿地在污水综合治理中的应用比较广泛，其通常由一个或者多个基质填充床组成，污水在基质层内部流动，并在流动过程中与水体中的微生物及植物相接触，进而实现水体的净化。污水净化效果好及影响因素少是水平潜流人工湿地的主要应用优势，但是这种湿地形式也存在一定的弊端和不足，如易堵塞、污水处理效率不高、脱氮除磷效果不理想等。垂直流人工湿地可以使污水从湿地表面垂直流向床底，在垂直流动过程中，污水会经过不同的基质层，与水体中的微生物和植物根系接触更加充分，这能更好地保障污水处理效果。同时，水流垂直经过基质层，可通过基质材料的吸附作用进一步被净化。因此，这种类型的湿地在农村生活污水处理中的应用效果比较理想。此种湿地形式由于整个污水处理系统均处于地下，因此占地面积小。同时，此种湿地形式还具有污水处理效率高等优势，在农村生活污水综合治理中有着十分广泛的应用前景［3］。

人工湿地是人工打造的半生态型污水处理系统，主要由3 大要素组成，分别为土壤基质、微生物、水生植物。因此，人工湿地不仅可以发挥污水处理作用，而且能起到调节区域小气候、美化环境、丰富生物多样性的作用。因此，人工湿地的应用优势十分显著，适合在污水分散性强的农村地区应用［4］。

3 人工湿地在农村生活污水综合治理中的应用关键

潜流人工湿地虽然有着受环境影响小及污水处理效果好等方面的优势，但是也存在容易堵塞的问题。为降低潜流人工湿地堵塞问题发生概率，有关部门应借助预处理系统对农村生活污水进行预处理，然后再由潜流人工湿地进行处理。这既有助于强化污水处理效果，也能避免发生堵塞。笔者以某村生活污水处理中的人工湿地工程建设为例，总结人工湿地的应用要点。该村生活污水通过暗渠直接排放至村东排水沟，后经排水沟下游约100 m 汇入农灌渠［5］，采用预处理与潜流人工湿地处理相结合的处理方式。

3.1 预处理系统建设

预处理系统由格栅、沉砂池、水解酸化池构成。其中，格栅能够起到截留农村生活污水中较大的漂浮物、悬浮物的作用。为保障农村生活污水预处理效果，有关部门应分别设置一道粗格栅、一道细格栅（格栅材料为钢材），并定期人工清理残渣。

在该工程建设中，因为设计的排水系统为明渠，导致其污水中不仅含有大量的悬浮物，还含有大量的泥沙，进而增加了污水处理难度。因此，有关部门在设置格栅的同时，通过建设沉砂池进一步去除污水中的悬浮物，然后人工清理其中的泥沙。沉砂池采用钢筋混凝土结构，沉砂池的长、宽、高分别为6.0、2.5、3.0 m，污水在沉砂池中的停留时间控制在2 h左右［6］。

除了格栅与沉砂池外，有关部门可借助水解酸化池提升农村生活污水处理效果，进一步提高农村生活污水的可生化性。修建水解酸化池是应用水解酸化工艺的基础。采用水解酸化工艺可以将厌氧过程停留在酸化阶段，在此过程中可以使农村生活污水中的非溶解性有机物转化为溶解性有机物，同时能将污水中难以生物降解的有机物转化为易生物降解的有机物。这样不仅可以有效降低农村生活污水中的悬浮物浓度，并且还能起到提升农村生活污水可生化性的作用，进而为接下来的好氧处理奠定基础。该村人工湿地的预处理系统设置了水解酸化池，其规格为长5.0 m、宽4.5 m、高4.0 m，同样采用钢筋混凝土结构。这种结构的水解酸化池具有耐毒性强及抗冲击负荷强的特点，污水停留时间控制在6 h左右［7］。

3.2 人工湿地处理系统建设

在人工湿地污水处理系统设计过程中，有关部门应综合考虑污染负荷、湿地面积、湿地床结构、基质材料及植被选择等因素。只有综合考虑各方面因素，才能保证人工湿地污水处理系统的科学性，才能使其在农村生活污水处理中发挥更大的作用。

3.2.1 污染负荷与湿地面积的确定。为避免发生堵塞问题，有关部门需要严格控制农村生活污水中的固体悬浮物浓度。通常情况下，应将进水中的固体悬浮物浓度控制在50 mg/L 以内，以便降低堵塞问题发生概率。对于人工湿地而言，其污染负荷并不固定，不同类型的人工湿地在污染负荷方面存在一定的差异。该村的人工湿地污水处理工程主要是预处理系统加水平潜流式人工湿地，潜流人工湿地的污染负荷在0.80～1.20 kg/hm2［8］。除此之外，有关部门在人工湿地污水处理系统设计过程中还要合理确定人工湿地面积。在设计过程中，相关工作人员应对农村生活污水处理量做出科学评估，并以此为依据，综合考虑水力负荷情况，再确定人工湿地面积，从而确保人工湿地的污水处理能力能够满足实际需求。工作人员应根据水力负荷确定湿地面积，可以借助公式A=Q/Nq进行计算（公式中A为湿地面积，Q为污水流量，Nq为水力负荷）。由此可见，人工湿地的设计面积应根据拟处理污水量和水力负荷确定。

3.2.2 湿地床结构的设计。湿地床结构是人工湿地污水处理系统的重要组成部分，是影响水力状况的主要因素。有关部门在设计过程中应合理确定湿地床的规格，既要做好湿地床结构的长宽比设计，也要合理确定其坡度，同时要科学设计湿地床结构的深度。在实际设计过程中，有关部门应将湿地床结构的长宽比控制在2 以上，将坡度控制在0.5%～1.0%，同时将其深度控制在0.2～1.2 m。除此之外，有关部门在人工湿地污水处理系统设计过程中还应明确具体的布水方式，如果条件允许，应尽量选用重力流的布水方式。采用这种布水方式不仅能够节约能源和运行成本，而且能够更好地保障排水顺畅。有关部门在设计过程中还应确保湿地出水口高程能够人工调节，以便更好地控制湿地床体的水位，保证排水效果。确定人工湿地的水力负荷也是湿地床结构设计的重要内容之一。有关部门在设计过程中，应根据湿地的类型及污水量等确定水力负荷。相较于表面流式人工湿地，潜流式人工湿地的水力负荷更高。在该村的人工湿地污水处理系统中，水力负荷为0.1～0.2m3/m2·d。在这样的水力负荷下，污水停留时间可以保持在0.5～7.0 d［9］。

3.2.3 基质材料的选择。基质材料的选择关乎人工湿地的污水处理效果，常用的基质材料为矿砂、碎石、砂子等。如果选用的基质材料养分不足，并且基质材料的孔隙过大，则需要在基质上覆盖土壤，借助土壤提升基质养分含量，同时填补孔隙。这既有助于发挥基质的作用，也能为植物的生长创造有利的环境条件。有关部门在人工湿地污水处理系统设计过程中，应将基质上覆盖的土壤厚度控制在15～25 cm。这样的土壤厚度能够满足植物生长需求。人工湿地污水处理系统的基质类型较为多样，不同类型的基质对湿地也会产生不同的影响。因此，有关部门在设计过程中应结合污水处理需求确定基质材料类型。中性基质材料通常不会对生物处理产生过大的影响；碱性基质以矿渣为主，会对植物和微生物的生长产生一定的影响。因此，有关部门如果选用矿渣等碱性基质，则需要对其进行预处理，以减少碱性基质造成的影响。例如，在应用之前可以对矿渣等碱性基质进行充分浸泡，降低其碱性，使其趋于中性，从而减少对植物与微生物生长造成的影响。

基质不仅会影响植物与微生物的生长，同时会对农村生活污水的净化效果产生重要影响，尤其对污水中的重金属离子等的净化效果产生的影响最大。为强化农村生活污水处理效果，有关部门应选用含有铝、铁、钙等成分的基质，借助其中的铝、铁、钙等成分加快离子交换，提升污水净化效果。但随着时间的推移，基质对重金属等吸附作用会逐渐减弱。在吸附饱和的情况下，人工湿地的污水处理效果会随之大幅度降低，此时便需要及时更换基质材料。

有关部门不仅要合理选择基质材料，而且还要合理把控基质粒径。基质粒径是影响基质层孔隙率的主要因素，同时会对人工湿地污水处理系统的水力传导率产生重要影响。相较于大粒径基质材料，小粒径基质材料不仅孔隙率更低，而且有助于改善水流条件，同时起到促进植物根系发育的作用。但值得注意的是，选用小粒径基质材料更容易引发堵塞问题，而选用大粒径基质材料不仅有助于降低堵塞问题发生概率，同时能有助于保障水力传导效果。因此，有关部门应综合考虑水力传导、堵塞概率、植物生长、便于取材等因素，合理确定基质材料粒径。目前，应用较多的基质有土壤、砂子、砾石、碎石、炉渣、自然岩石与矿物材料等。以某村人工湿地污水处理工程为例，根据就地取材及便于后期维护的原则，设计人员采用砂子、青石子、大小粒径碎石作为基质材料［10］。

3.2.4 植物的选择。水生植物在农村生活污水净化过程中发挥着至关重要的作用，合理选择植物是保障人工湿地系统作用发挥的前提和基础。人工湿地污水处理系统栽培的水生植物主要包括浮水植物、挺水植物、沉水植物三大类。有关部门应结合人工湿地工程所在地的环境气候特点合理选择植物种类，同时应综合考虑建设成本、植物的美观效果等。有关部门要确保选择的植物能够在pH 值变化大、水位变化大、温度变化大的情况下生长，具备成活率高、抗污染能力强、污染物处理性能好等优点。乡土植物具有环境适应性强、成活率高、抗病虫害能力强等优势，同时便于取材，有助于节约建设成本。因此，有关部门应尽量选择乡土植物。植物的种类应控制在3～7 种，并确保所选的植物中有3 种为优势物种。在人工湿地污水处理系统设计过程中，有关部门可选用灯芯草、香蒲、芦苇等植物。这些植物不仅成活率高，而且繁殖能力强，同时其根系比较发达，有助于扩大污水处理面积和强化污水处理效果，十分适合在人工湿地中应用［11］。以某村人工湿地工程为例，人工湿地介质表层种植的植物分别为黄菖蒲（种植间距为15 cm）、水生美人蕉（种植间距为15 cm）、花叶芦竹（种植间距为10 cm）。

3.2.5 水力状况。不同的人工湿地类型，水位不同。通常表流人工湿地的水位在20～80 cm，而潜流人工湿地的水位通常处于土壤表面下方10～30 cm。但是无论采用哪种人工湿地类型，其水位均不固定。因此，有关部门应结合污水量适当调节水位。水位不同，污水处理效果也不相同。通常水位越深，污水处理效果越好，但在深度超过1.2 m 的情况下，污水处理提升效果降低。为保证农村生活污水处理效果，有关部门应将人工湿地深度控制在1.2 m左右。

4 结语

在可持续发展战略背景下，农村环境问题越来越受到人们的关注。近年来，随着农村污水排放量的增加，农村水环境、土壤环境不断恶化。利用人工湿地进行污水处理具有成本投入少、操作简便、处理效果显著等优点。为改善农村环境，保障农村可持续发展，有关部门应积极推广应用人工湿地处理农村生活污水。