潜流人工湿地对实际农村生活污水的净化效果

杨贞武，钟晨，周梦雨，胡玉洁

（1.葛洲坝集团生态环保有限公司，湖北 武汉 430000；2.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

引言

随着经济快速发展，农村水环境污染问题日益突出，农村水环境保护已然成为我国农村环境治理工作的重要内容。大多数农村地区缺少污水收集和处理系统，致使农村生活污水处理率普遍偏低，而未经处理的农村生活污水中含有大量有机物、氮和磷等污染物，直接排入水环境会造成受纳水体富营养化，破坏水生态系统。我国农村生活污水主要有4 个特点，即①排污面大且排放点分散；②欠缺污水收集处理系统，处理率普遍较低且难以集中收集处理；③有机物和氮磷浓度高，可生化性较好；④水量波动大，总排放量小，但排放量会随着生活质量的提高和生活习惯的改变快速增长。结合我国农村生活污水的特点，其净化处理需要一种能耗低、价格低廉、操作管理简便和处理效率高的污水处理技术。现有农村生活污水处理技术多为人工湿地、化粪池、浮床、厌氧净化槽、稳定塘和土地快速渗滤等分散型污水处理技术[1]。而与其他分散式处理技术相比，人工湿地技术通常就地取材，施工及运营管理成本低，易于维护且处理效果好，是一种适应性强的农村生活污水处理技术。

20 世纪50 年代以来，人工湿地处理技术发展迅速，且已进入大规模工程应用阶段。据统计，美国约有600 座人工湿地投入实际应用，主要用于处理工业、农业和城市污水；在欧洲，潜流人工湿地被广泛使用，丹麦、德国和英国等国家人工湿地系统均多达200 余座[2][3]。我国人工湿地技术应用起步较晚，2010 年，广东省广州市茅岗村采用水平潜流+垂直流人工湿地处理农村生活污水，工程处理能力为200m3/d，系统运行稳定且出水水质可达一级B 标准[4]；2016 年，四川省广安市岳池县城南工业园区为了提高污水处理厂的出水水质，采用垂直流人工湿地处理城市污水处理厂的出水，设计处理能力为2.6 万m3/d，出水水质可达地表水III 类水质标准[5]。

人工湿地技术应用于农村生活污水处理时面临的填料易堵塞、基质填料施工强度大和脱氮除磷效率低等难点，制约了该技术的大规模推广应用。本研究旨在探究潜流人工湿地系统处理实际农村生活污水的可行性，评估其对污染物的净化效果，以期为人工湿地技术应用于农村生活污水处理提供更多参考资料。

1 材料与方法

1.1 潜流人工湿地构成及运行方式

试验所采用的小试潜流人工湿地由有机玻璃构建而成，主要分为进水区、反应区和出水区，其中反应区尺寸为0.56m×0.28m×0.6m，填料层高度为0.55m；系统由时控开关控制蠕动泵进水，每天开启4 次以实现间歇进水，同时采用电磁阀控制出水；人工湿地前端设置曝气系统。潜流人工湿地装置如图1 所示。

图1 潜流人工湿地装置示意图

人工湿地布水区设置溢流堰，布水区内填充直径为40～80mm 的砾石，以防止反应区填料堵塞穿孔管。反应区选择多种填料组合填充，从上到下依次为沸石（粒径2～4 mm）、石英砂（粒径2～8 mm）和砾石（8～16 mm）。为了防止不同填料层下沉，特别是颗粒较小的填料层下沉，填料层间采用2mm 不锈钢网格隔开。本试验湿地植物选用菖蒲，株间距为10～15cm，在秋季前进行收割。

小试潜流人工湿地系统主要包括进水池、格栅、初沉池、潜流人工湿地和出水池。进水先经由格栅去除污水中的漂浮物和较大颗粒物，再经过初沉池去除悬浮物，然后流入潜流人工湿地系统，最后排入出水池。试验系统共运行136d，运行参数见表1。

表1 试验系统运行参数

1.2 实际生活污水排放特征及典型水质

试验所用的实际生活污水取自陕西省西安市某村，为了解其特点，连续监测1a 内该村所排放生活污水特征，如见图2 所示。生活污水水质波动基本与居民作息时间相一致，主要集中于6:00～18:00；以月为基准，主要波动集中于春、夏2 个季节，这主要是由于该村居民多经营农家乐，春季、夏季客流量较大所致。试验所用生活污水的平均水质指标同样存在较大波动，但与典型生活水质基本一致，其月平均水质特性见表2。

表2 月平均水质特性

图2 实际生活污水特征

1.3 常规指标测定方法

化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法测定；总磷（TP）和磷酸盐（PO43--P）分别采用过硫酸钾-钼锑抗和钼锑抗分光光度法测定；总氮（TN）采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；氨氮（NH3-N）采用纳氏试剂分光光度法测定；悬浮物（SS）采用重量法测定。以上方法均基于《水与废水监测分析方法》（第四版）。

2 潜流人工湿地系统的启动

由于系统调试、作物适应等过程较为耗时，因而小试潜流人工湿地系统启动期共36d。潜流人工湿地系统通常可根据COD 去除率判断潜流湿地是否正常运行，倘若去除率相对稳定，则表示在此操作条件下系统启动成功。

启动期内小试潜流人工湿地系统COD 去除效果见图3。在启动期内，植株和微生物对环境逐渐适应，湿地基质填料表层和植物生长根系的间隙形成生物膜，待植物根系生长稳定后，COD 去除率得以稳步提升，结果显示，第36d 时COD 去除率达90%，这说明系统运行逐渐平稳且处理效果良好。

图3 启动期COD 浓度及去除率

3 潜流人工湿地系统运行期净化效果

3.1 COD 去除性能

稳定运行期内小试潜流人工湿地系统进、出水COD 浓度及去除率随时间的变化特征如图4 所示。受分散型生活污水水质波动较大的影响，小试潜流人工湿地系统的进水COD 浓度波动大，系统进水COD 浓度在160.5～289.34mg·L-1之 间，平 均 浓 度 为222.66mg·L-1；系统出水COD 平均浓度稳定在20.06mg·L-1，去除率可达91%。这表明，人工湿地具有良好的COD 去除效果，并且具有一定的抗冲击能力。已有研究显示，两级垂直潜流-表面潜流湿地系统对实际农村生活污水的COD 去除率为50%～85%[6]。事实上，人工湿地系统的COD 净化效果主要源自填料和植物根系的拦截吸附作用及微生物的降解作用，因而填料类型及级配、植物种类、环境条件等对COD 去除率具有显著影响[7]。

图4 稳定运行期COD 浓度及去除率

3.2 NH3-N 去除性能

稳定运行期进出水NH3-N 浓度及去除率变化见图5。系统进水NH3-N 浓度波动性较大，而出水NH3-N 浓度相对稳定，平均出水浓度为1.05mg·L-1，平均去除率达94.51%，表明系统具有良好的氨氮去除能力。陶昱明等[8]采用AO 滤池+人工湿地组合工艺处理实际农村生活污水，TN 去除率达到65.76%。湿地系统中NH3-N 主要通过硝化细菌转化为硝态氮和亚硝态氮，再在反硝化菌作用下通过反硝化过程转为N2，从而在系统中脱除。温度和pH 等环境条件均会显著影响硝化菌和反硝化菌活性，因而人工湿地系统在运行时需调控环境条件以营造适宜功能菌生长的环境。与此同时，填料的物理和化学性质对NH3-N 的去除效果亦存在显著影响。砾石对水中NH3-N 的去除率为58.9%[9]，天然锰矿石对NH3-N 的去除率可达65%[10]，农业废料（如小麦秸秆、杏核和核桃壳）处理低碳氮比污水时NH3-N 去除率则可达到98.8%[11]。基质填料可借助吸附作用去除水中的NH3-N，但鉴于基其活性位点有限，故而通常难以长期参与污水中氮素的去除和净化，转而为微生物吸附、降解提供活动空间和附着载体。另外，人工湿地所用植物本身对NH3-N 的吸附作用较弱，其合成代谢对氨的消耗也无法与微生物脱氮作用相比，因而植物本身对NH3-N 的去除性能不占据主导作用。已有研究显示，香蒲、四季鸢尾和睡莲的综合净化效能最强，在高温季节，花叶芦竹对NH3-N 和COD 的去除效果欠佳[12]。不同植物所造成的净化效果差异则可能来源于植物本身生长特性的不同，以及由生长特性所促成的与微生物联合作用的差异。

图5 稳定运行期NH3-N 浓度及去除率

3.3 PO43--P 及TP 去除性能

稳 定 运 行 期 进 出 水PO43--P、TP 浓 度及去除率变化见图6，人工湿地系统中进水PO43--P 平均浓度为1.58mg·L-1，出水PO43--P 平均浓度为0.68mg·L-1，平均去除率为54.62%，出水PO43--P 平均浓度未满足一级A排放标准，整体达标率仅为25%；人工湿地系统中进水TP 浓度仍波动较大，浓度范围在0.94～2.95mg·L-1之间，进水TP 平均浓度为1.88mg·L-1，出水TP 平均浓度为0.97mg·L-1，平均去除率为47.93%，出水TP 浓度难以满足一级A 排放标准。以上结果表明，人工湿地对PO43--P 和TP 的去除效果欠佳。

图6 稳定运行期PO-P、TP 浓度及去除率

有研究采用水生蔬菜滤床串联潜流人工湿地组合工艺处理农村生活污水尾水，试验结果显示TP 浓度亦难以达标[13]。究其原因，人工湿地除磷作用主要是通过湿地中植物、微生物降解和填料吸附相协调，包括植物根系的吸收拦截、填料的吸附以及微生物的降解转化[14]。填料对磷的吸附在人工湿地除磷过程中起主导作用，且填料对磷的吸附速率快，但此吸附为不可逆物理过程，随着时间推移终会达到饱和[15]。无机磷可作为植物的营养物质，能被植物的根系吸收，当植物被收割时磷也随之从系统中去除，但植物吸收磷的速率慢且受环境条件影响较大。另外，反应区内聚磷菌具有厌氧释放PO43--P、好氧超量吸收PO43--P 的生理特性，但需为其营造厌氧好氧交替的生长环境，因而在人工湿地系统中除磷贡献率占比较小。曾倩[16]研究了煤渣、牡蛎壳和青石3 种材料作为人工湿地基质填料的除磷效果，研究显示3种填料对TP 的去除率分别为80.67%、50.45 和62.37%。可见不同填料对磷的去除效果差异很大，人工湿地系统除磷效果不佳的主要原因可能为填料的吸附效果有限，因而后续研究应着重提升系统对PO43--P 的吸附作用，如采用改性填料，确保人工湿地对PO43--P 具有良好的去除性能。高镜清等[17]采用镁盐和铝盐改性膨胀蛭石，其PO43--P 去除率可提升至97%以上，改性钢渣和改性沸石对TP 的去除效率分别可达86.3%和78.8%[18]。综上，选取经济且性能优异的填料是维持人工湿地除磷性能的重要途经。

结论

潜流人工湿地系统对实际农村生活污水具有良好的净化效果，在进水水质波动较大时仍能稳定运行。在表面负荷为0.035m3(m2·d)-1、HRT 为6d 时，COD 平均去除率达到91%，NH3-N 平均去除率达到94.51%，出水浓度均能满足一级A 排放标准。潜流人工湿地系统对PO43--P 和TP 去除效果不佳，原因在于所用填料吸附作用有限，在实际应用中需特别注意提升系统对磷元素的去除效果，以满足排放标准。因此，采用潜流人工湿地系统处理农村生活污水处理具有可行性，是分散式处理技术的理想选择。