人工濕地處理農(nóng)村污水的探討

虞啟義 全曉泉

近年來，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村污水排放量迅猛增加，而據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2006年，我國96%的農(nóng)村沒有污水處理設(shè)施，基本處于空白［1，2］，這些加劇了我國水體污染和富營養(yǎng)化。目前，城鎮(zhèn)污水處理主要依賴于傳統(tǒng)模式的集中式或點(diǎn)式水處理工藝，但對于廣大農(nóng)村地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力及技術(shù)手段的欠缺，位置偏僻，缺乏公共的排水管網(wǎng)，顯然無法照搬城鎮(zhèn)的污水處理系統(tǒng)。

人工濕地污水處理系統(tǒng)因其建設(shè)費(fèi)用少，運(yùn)行成本低，操作簡便，易于管理等優(yōu)點(diǎn)，很適合在我國廣大農(nóng)村應(yīng)用，特別對當(dāng)前我國正開展新農(nóng)村建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3-5］。

1 人工濕地概念及處理機(jī)理

1． 1 人工濕地概念

人工濕地(Constructed Wetland，簡稱CW)處理系統(tǒng)源于對自然濕地的模擬，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對污水的凈化處理［6］。

人工濕地根據(jù)水流方式可以分為3類:表面流濕地、水平潛流濕地、垂直流濕地。具體的特征和優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 不同類別人工濕地的特點(diǎn)

1． 2 人工濕地的處理機(jī)理

人工濕地利用自然生態(tài)系統(tǒng)中基質(zhì)—微生物—植物的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解，及硝化和反硝化作用實(shí)現(xiàn)廢水的凈化［7］。1)有機(jī)物的去除。廢水中的有機(jī)物可分為可溶性有機(jī)物和不溶性有機(jī)物。對于不溶性的有機(jī)物，人工濕地主要是通過沉淀、過濾作用而被截留在濕地中;可溶性的有機(jī)物則通過植物根系生物膜或微生物的吸附、吸收及生物降解代謝被分解去除，最終轉(zhuǎn)化為生物的自身結(jié)構(gòu)成分或通過有氧呼吸分解為CO2與H2O。2)氮的去除。人工濕地對氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附、過濾、沉積，其主要是通過植物吸收、微生物硝化和反硝化作用。廢水中的氮以無機(jī)氮和有機(jī)氮兩種形式存在，有研究表明無機(jī)氮僅占總氮量的8%～16%［8-10］，這些無機(jī)氮被人工濕地中的植物直接吸收，合成植物蛋白質(zhì)。大部分的有機(jī)氮?jiǎng)t需要通過微生物的硝化和反硝化作用得以去除，這基于濕地系統(tǒng)中的植物根系的輸氧及對氧的釋放，使得床體內(nèi)部存在許多好氧、缺氧和厭氧區(qū)，這相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2/O單元，使得硝化和反硝化同時(shí)進(jìn)行。其過程可以人總結(jié)國內(nèi)研究人工濕地治理各種含氮的污水［8］，發(fā)現(xiàn)人工濕地的TN去除率可達(dá)64%～98%。研究還發(fā)現(xiàn)人工濕地除氮效率，與濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、植物種類、植物根部環(huán)境的化學(xué)性質(zhì)、植物攝取量、可利用碳源、pH及基底材料類型有關(guān)［11］。3)人工濕地對磷的去除。人工濕地對磷的去除作用包括吸收、化學(xué)沉積、植物和藻類吸收。研究表明［8］:植物在人工濕地P的去除中起的作用很少，而主要是通過基底材料中鈣、鎂與磷作用形成沉淀得以去除;但當(dāng)隨著時(shí)間的推移，Ca，Al，F(xiàn)e和土壤顆粒沉淀反應(yīng)的飽和及泥炭累積，植物將起到最大的除磷作用，但系統(tǒng)整體除磷效果將會(huì)明顯下降［8，12］。因此為了加強(qiáng)濕地的除磷能力，在濕地建造中盡可能的選擇含鈣、鎂和鐵豐富的材料作為基底。據(jù)資料顯示，人工濕地對污水中TP的去除率可達(dá)48．0%～97．2%［8］。

2 國內(nèi)外研究狀況

人工濕地凈化污水始于1953年德國的Max Planck研究所，到了20世紀(jì)70年代末期大面積開展試驗(yàn)應(yīng)用［16］。隨著研究不斷深入，污染物凈化機(jī)理逐漸清晰，工藝參數(shù)愈加優(yōu)化，技術(shù)日趨完善，人工濕地逐漸發(fā)展成為一種獨(dú)具特色的新型污水處理技術(shù)［13-17］。在歐洲，如瑞典，自1996年到2002年間，在農(nóng)業(yè)流域建設(shè)了超過2 350 hm2濕地;丹麥也建造了大約3 200 hm2濕地。在美國，目前有數(shù)百處人工濕地工程用于各類廢水處理［16］。我國，人工濕地起步于20世紀(jì)90年代，在深圳白泥坑建立起中國第一個(gè)人工濕地污水實(shí)驗(yàn)基地。近年來，人工濕地得到長足的發(fā)展，已在城鎮(zhèn)污水處理、農(nóng)田徑流廢水處理、工業(yè)廢水處理、養(yǎng)殖廢水處理等方面得到了相關(guān)應(yīng)用［18-20］。劉亞瓊等人研究總結(jié)國內(nèi)有關(guān)人工濕地處理生活污水成果［8］，指出人工濕地凈化生活污水，在進(jìn)水濃度較低的情況下，人工濕地對BOD的去除率可達(dá)85%～95%，對COD的去除率可大于80%，經(jīng)濕地處理后出水BOD的濃度一般在10 mg/L左右，SS＜20 mg/L。楊俊等人總結(jié)并綜合我國有關(guān)人工濕地處理農(nóng)村生活污水的研究和工程實(shí)踐，提出人工濕地處理農(nóng)村生活污水的典型水力負(fù)荷及典型村莊人工濕地占地面積估算(見表2，表3)(以潛流濕地為例)［20］。

表2 水力負(fù)荷

表3 典型村莊人工濕地工程估算

3 人工濕地技術(shù)在農(nóng)村應(yīng)用的優(yōu)勢

3． 1 投資處理費(fèi)用低

對于我國農(nóng)村地區(qū)，因經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)手段偏低，投資運(yùn)行費(fèi)用已直接成為影響是否需要污水處理的重要因素。表面流和潛流人工濕地因無需大量人工構(gòu)筑物和機(jī)電設(shè)備，無需曝氣、投加藥劑和回流污泥，也沒有剩余污泥產(chǎn)生，大大節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用。為此，潘寧［3］對人工濕地技術(shù)與傳統(tǒng)處理工藝投資及運(yùn)行成本進(jìn)行比較，具體見表4。

表4 二級污水處理廠與人工濕地處理系統(tǒng)投資及運(yùn)行費(fèi)用比較 元/t

由表4不難發(fā)現(xiàn)人工濕地的運(yùn)行、建設(shè)成本均比傳統(tǒng)二級污水處理遠(yuǎn)低，這對現(xiàn)階段我國農(nóng)村污水處理，經(jīng)濟(jì)上說明了比較切實(shí)可行。

3． 2 維護(hù)管理技術(shù)要求低

人工濕地技術(shù)基本上不需要機(jī)電設(shè)備，無剩余污泥處理的困擾;維護(hù)上僅做清理渠道及作物的管理，而這些往往是農(nóng)村人員的長處，故日常管理一般人員完全可以承擔(dān)，僅需個(gè)別專業(yè)人員定期檢查。故維護(hù)技術(shù)管理低，十分適合農(nóng)村技術(shù)力量薄弱，粗放型管理。

3． 3 應(yīng)用范圍廣且具有景觀效果

人工濕地的主要缺點(diǎn)是占地面積大，處理負(fù)荷低。而當(dāng)前農(nóng)村生活污水水質(zhì)具有污染物相對簡單、濃度低的特點(diǎn)，且村莊四周往往池塘、水溝遍布，土地資源供應(yīng)相對豐富，十分有利于人工濕地技術(shù)的應(yīng)用。人工濕地自身就是一個(gè)小型水生生態(tài)系統(tǒng)，特別是表面流濕地，可作為濱水景觀的一部分。在濕地設(shè)計(jì)時(shí)，納入景觀設(shè)計(jì)，如引入涼亭，小橋，蓮池等美化設(shè)計(jì)，充分利用部分濕生植物(如美人蕉、鳶尾等)的景觀作用，這樣既實(shí)現(xiàn)人工濕地本身的功能，同時(shí)也滿足了良好的景觀效果，一舉兩得。

4 人工濕地技術(shù)應(yīng)用中注意的問題

1)人工濕地的堵塞:人工濕地在農(nóng)村的長期運(yùn)行，并隨著有機(jī)物在基質(zhì)中不斷積累，過多地種植植物等容易造成濕地的堵塞，這在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)十分關(guān)注。2)污水回用需消毒:長期以來農(nóng)村居民生活衛(wèi)生條件較差，若經(jīng)人工濕地處理的污水回用農(nóng)田灌溉應(yīng)注意滅菌消毒，以減少致病細(xì)菌傳播的可能。3)溫度影響:氣溫是影響人工濕地主要影響因素，特別是表面流人工濕地，低溫條件下，植物生長代謝緩慢，微生物活性大大降低，從而導(dǎo)致污染物的去除率降低。因此在冬季應(yīng)降低人工濕地的負(fù)荷。4)衛(wèi)生問題:人工濕地，如果進(jìn)水負(fù)荷過高，供氧不足，易形成厭氧反應(yīng)，將釋放出難聞的氣體。此外，若管理不善，夏季易滋生蟲蠅，衛(wèi)生條件差等問題。因此實(shí)際運(yùn)行應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)水的負(fù)荷控制。

5 結(jié)語

長期以來由于資金短缺和污水處理意識淡薄，農(nóng)村污水污染隨意排放。人工濕地作為一種低能耗、高效率，且本身就是一個(gè)小型水生生態(tài)景觀系統(tǒng)，其充分利用農(nóng)村的優(yōu)勢條件，較好處理了農(nóng)村污水，即將在我國新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮出重要作用。

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