小型人工潛流濕地裝置在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

宋俊密，王 芳，王聞琰，李孟坤

(1.甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站,甘肅 蘭州 730020;2.德州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,山東 德州 253023)

1 引言

近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、農(nóng)民生活水平的不斷提高，農(nóng)村生活污水的排放量也迅速增加。農(nóng)村生活污水的肆意排放已成為農(nóng)村水環(huán)境污染的重要來源，嚴(yán)重破壞了地表水環(huán)境，若不加以重視將會引起對土壤甚至地下水的污染[1，2]。農(nóng)村生活污水處理模式主要包括分散處理、集中處理和納管收集統(tǒng)一處理。Huang等[3]、陳娟等[4]通過模型對污水處理模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相對集中的處理模式和聯(lián)戶模式更具優(yōu)勢，但對經(jīng)濟(jì)條件較差，環(huán)境要求較高的地區(qū)，生態(tài)處理則更適用。Eva Risch等[5]應(yīng)用生命周期評價(jià)法對污水處理模式進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)從對污染物排放的管控效果來說集中處理模式較好，從可持續(xù)發(fā)展來看分散處理模式更具優(yōu)勢，但從保護(hù)人類健康來說，則各具優(yōu)勢。污水處理模式對處理技術(shù)的選擇至關(guān)重要。目前，我國農(nóng)村生活污水處理技術(shù)主要包括生物處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)以及生物和生態(tài)的組合處理技術(shù)。生物處理技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中應(yīng)用較廣泛，技術(shù)較成熟，如厭氧池[6～8]、化糞池[9,10]、沼氣池[11]、活性污泥法[12]、生物膜法[13,14]等，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中需更多的考慮農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量穩(wěn)定性差、技術(shù)維護(hù)水平低、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本高等特點(diǎn)。生態(tài)處理技術(shù)更適用于高原地區(qū)和分散式處理模式[15]，該技術(shù)通過水體或土壤中植物、微生物的自凈作用來實(shí)現(xiàn)對污染物的降解和吸收，主要優(yōu)點(diǎn)是投資少，運(yùn)維費(fèi)用低，缺點(diǎn)是易受環(huán)境影響，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。如人工濕地[16]、土地滲濾系統(tǒng)[17]等。

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的選擇，首先考慮污水收集、處理和排放情況，以及能耗、維護(hù)管理等費(fèi)用；其次考慮生態(tài)化、節(jié)能化、景觀化，從而實(shí)現(xiàn)氮、磷的資源化和污水的回收利用。與傳統(tǒng)生化處理技術(shù)相比，生態(tài)處理技術(shù)中的人工濕地法具有運(yùn)行維護(hù)成本低、水質(zhì)處理效果好，且兼顧生態(tài)修復(fù)與景觀等特點(diǎn)。本文研發(fā)設(shè)計(jì)了一種人工潛流濕地污水處理一體化裝置，經(jīng)單池處理模擬生活污水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對CODcr的去除效率在85%～91%，氨氮的去除效率在70%～79%，總磷的去除效率在68%～75%。

2 農(nóng)村生活污水來源與特征

我國農(nóng)村區(qū)域約占全國總面積的90%，人口超過6.3億人。農(nóng)村生活污水主要來源于廚房污水、洗漱沐浴污水、廁所污水以及牲畜糞便，時(shí)間多分布在早(5：00～6：00)、中(11：00～13:00)、晚(18:00～20:00)3個階段。

農(nóng)村生活污水排放特點(diǎn)顯著，一是各戶污水產(chǎn)生量小、排放分散，但成分差別較大。與城鎮(zhèn)相比，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境條件限制，農(nóng)村地區(qū)總用水量較少，污染物成分相對單一，有毒有害的污染物成分較少；二是受區(qū)域性、季節(jié)性和時(shí)段性影響，農(nóng)村地區(qū)污水產(chǎn)生量隨空間和時(shí)間變化較大。農(nóng)村居民生活作息習(xí)慣導(dǎo)致用水和排水高峰時(shí)段集中在早、中、晚，夜間基本無用水和排水產(chǎn)生，且用水和排水量均與季節(jié)和氣候變化關(guān)聯(lián)，夏季用水較多，冬季用水較少；三是農(nóng)村生活污水排放分散、很難集中，導(dǎo)致污水處理程度較低。目前大多數(shù)農(nóng)村采取直接或經(jīng)化糞池簡單處理后排放，甚至許多農(nóng)戶采取直接潑灑方式，污水基本未經(jīng)處理則排放，對周邊流域和地下水水質(zhì)、土壤土質(zhì)造成污染；四是農(nóng)村生活污水可生化處理性較強(qiáng)。受農(nóng)村生活習(xí)慣影響，農(nóng)村生活污水中雖含有較高濃度的氮、磷和有機(jī)物，但一般不含有毒、有害物質(zhì)，生化處理較容易。

3 農(nóng)村生活污水危害

我國農(nóng)村居民居住分散，管網(wǎng)收集系統(tǒng)難以鋪設(shè)，加之農(nóng)村環(huán)保意識較弱，各種生活污水、人畜糞便未經(jīng)處理隨意排放，流入河流，其中含有大量的氮、磷、細(xì)菌病毒，造成地表水水體污染、地下水水質(zhì)惡化等一系列環(huán)境問題。生活污水未經(jīng)處理直接排放進(jìn)入水體導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，造成水華，使魚蝦死亡，水體發(fā)黑發(fā)臭，嚴(yán)重污染各類水源；如果滲入地下水中，還會污染地下水；生活污水也是傳染疾病的源頭，村莊中的污水塘、臭水溝是疾病天然的溫床，易造成流行病?，F(xiàn)階段，我國河流中超過80%受到不同程度的污染，農(nóng)村生活飲用水中，大腸桿菌超標(biāo)的飲用水涉及大約7億人，有機(jī)物超標(biāo)的飲用水涉及大約1.7億人。同時(shí)農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的泛濫使用，使農(nóng)村地區(qū)大部分地下水的飲用再受限制，對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民群眾身體健康造成嚴(yán)重影響[18]。

4 農(nóng)村生活污水生態(tài)處理技術(shù)

生態(tài)處理技術(shù)是利用土壤、微生物、動植物之間產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)、生物作用，對農(nóng)村污水中的污染物進(jìn)行降解。目前常見的農(nóng)村生活污水生態(tài)處理技術(shù)如下。

4.1 高效藻類塘系統(tǒng)

基于傳統(tǒng)藻類塘技術(shù)和形式，美國加州大學(xué)Oswald和Gotaas等在20世紀(jì)50年代強(qiáng)化藻類增殖提出了高效藻類塘。該技術(shù)充分利用藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣，促進(jìn)有利于微生物生長和繁殖的環(huán)境，通過藻菌共生關(guān)系去除水體中氮、磷、病原體、有機(jī)碳等污染物[19]。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，無能耗或低能耗，維護(hù)簡單，無污水回用需求時(shí)可作為處理水的暫存池使用；缺點(diǎn)是負(fù)荷低，占地面積大，處理效果受氣候影響大，冬季易結(jié)冰。

4.2 污水灌溉新技術(shù)

將污水處理技術(shù)和出水回用灌溉相結(jié)合，污水處理滿足要求后用于灌溉，灌溉后的水又通過地下暗管收集并排放，該技術(shù)不僅滿足灌溉作物對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的要求，又降低了污水排放中污染物的含量。該技術(shù)適用于地廣人稀、可以輪作輪耕的地區(qū)[20]。

4.3 沼氣發(fā)酵技術(shù)

該技術(shù)在傳統(tǒng)化糞池和沼氣池基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。污水中有機(jī)物經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣可作為家庭所需能源，發(fā)酵后的污水水質(zhì)得到凈化，沼液可作為液態(tài)肥料[21]，適合分散居住的農(nóng)戶，一般與人工濕地結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是投資小、能耗低、產(chǎn)沼氣、污泥量小，不同的類型可滿足不同出水要求；缺點(diǎn)是沼氣利用不完全。

4.4 人工濕地技術(shù)

人工濕地系統(tǒng)通過表層種植植物，中層填充基質(zhì)材料，底層鋪設(shè)防滲層，建立“微生物-基質(zhì)-植物”的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，利用基質(zhì)、植物根系、微生物的物理吸附、化學(xué)反應(yīng)和微生物分解的綜合功能實(shí)現(xiàn)污水的凈化[22,23]。根據(jù)水流方式的差異和布水方式的不同，分為垂直流人工濕地、水平流人工濕地和表面流人工濕地類型。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是投資建造費(fèi)用低、處理效果好、運(yùn)管護(hù)方便等；缺點(diǎn)是傳統(tǒng)單一的人工濕地占地面積大，脫氮效果相對較差，受季節(jié)影響較大等。

4.5 土地滲濾處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)是利用土壤及其生存于該土壤中的植物、動物和微生物的生物、化學(xué)、物理作用，對污水中污染物進(jìn)行去除的生態(tài)學(xué)方法。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，處理效果好，維護(hù)管理簡便等；缺點(diǎn)是占地面積大，污染負(fù)荷低，易堵塞，易污染地下水等。

5 小型人工潛流濕地一體化處理裝置

5.1 設(shè)計(jì)理念

黨的“十九大”提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，開展農(nóng)村生態(tài)環(huán)境綜合整治，優(yōu)化農(nóng)村生活污水治理方式，全面提高農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量，不斷加強(qiáng)農(nóng)村污水處理設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)管理，對保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、提升農(nóng)民科技知識、促進(jìn)美麗農(nóng)村建設(shè)的重要舉措具有重要意義[24]。由于農(nóng)村污水具有總量大，個體小，污染源分散，日變化系數(shù)大，污染物濃度低，維護(hù)管理技術(shù)人員缺乏等特點(diǎn)，污水管網(wǎng)收集往往成本巨大[25]，因此應(yīng)采取運(yùn)行穩(wěn)定且成本低，就地治理為原則，實(shí)現(xiàn)無人值守。針對農(nóng)村分散式生活污水處理并結(jié)合當(dāng)今污水處理工藝，人工濕地系統(tǒng)更適合當(dāng)今農(nóng)村污水處理，能夠更好地適應(yīng)農(nóng)村條件。本文針對以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用“小型人工潛流濕地一體化裝置”對農(nóng)村生活污水進(jìn)行治理。

小型人工潛流濕地一體化裝置采用植物+微生物+基質(zhì)復(fù)合生態(tài)處理污水，無需動力、加藥，具有良好的內(nèi)部循環(huán)機(jī)制和抵抗外部環(huán)境變化能力的穩(wěn)定可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)，建設(shè)和運(yùn)營成本低，管理操作簡單，出水水質(zhì)好，既能夠處理農(nóng)村分散式生活污水，又能夠起到美化農(nóng)村環(huán)境的作用。

5.2 設(shè)計(jì)方案

本裝置由模擬水箱、池體、配水裝置組成，用來模擬農(nóng)村生活污水的處理過程。裝置內(nèi)部裝填礫石、石英砂、鐵碳一體微電解填料，裝置底部由粒徑較大的礫石組成，污水通過布水管網(wǎng)間歇式布水，可避免污水表面溢流或者暴露。

5.2.1 模擬水箱

模擬水箱用來盛裝模擬生活污水的水樣，本實(shí)驗(yàn)中水箱采用塑料材質(zhì)(長60cm，寬45cm，高40cm)，水箱底部設(shè)有開關(guān)，通過開光控制廢水流速(圖1)。

圖1 模擬水箱

5.2.2 池體部分

池體采用塑料材質(zhì)(長40 cm，寬40 cm，高50 cm)，底部有出水口，安裝開關(guān)，控制出水，通過底部出水口可與另一池體相連接(圖2)。

圖2 池體外觀

5.2.3 填料

鐵碳微電解技術(shù)無需通電，在酸性廢水溶液中投加鐵碳微電解填料即可形成“原電池”，利用原電池反應(yīng)、氧化還原、絮凝沉淀、物理吸附、電化學(xué)富集等機(jī)理協(xié)同去除污染物，該技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)維成本低、環(huán)境友好、操作方便、可生化性強(qiáng)等，適合農(nóng)村及土壤粗放的管理。本文將鐵碳微電解技術(shù)與人工濕地技術(shù)相結(jié)合處理廢水中磷和氮。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本裝置填料采用10 cm厚礫石，10 cm厚石英砂，10 cm厚活性炭和鐵粉混合物(活性炭∶鐵=4∶1)，20 cm厚土壤組成?？紤]到粒徑大小對污水流速、裝置堵塞以及凈水效果的影響，本研究選用的填料粒徑規(guī)格約20～40 mm(圖3)。

圖3 礫石、石英砂、活性炭、鐵粉

5.2.4 濕地植物

因不同植物對濕地中污染物的吸收能力不同，選擇濕地植物時(shí)主要考慮以下幾方面：首先是根據(jù)水體中污染物的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行針對性的植物配置；其次是宜優(yōu)先選擇鄉(xiāng)土濕地植物，因其具有良好的生態(tài)營建功能和生態(tài)適應(yīng)能力；再次是考慮濕地植物的年生長周期，以及兼顧人工濕地的景觀；最后是所選植物不能對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅或隱患，確保生態(tài)環(huán)境的安全性。生命力頑強(qiáng)的美人蕉可很快適應(yīng)周圍環(huán)境并在短時(shí)間內(nèi)生根發(fā)芽。它不僅可以吸收促進(jìn)自身生長的微生物，排斥有害的物質(zhì)，而且在其茁壯成長時(shí)能吸收二氧化硫、二氧化碳等氣體，凈化空氣，更能美化環(huán)境。因此本研究的濕地植物選用美人蕉(圖4)。

圖4 濕地植物

5.2.5 實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意

本文單池一體化裝置(圖5)和雙池一體化裝置(圖6)的結(jié)構(gòu)示意圖如下。

圖5 單池一體化裝置結(jié)構(gòu)示意

圖6 雙池一體化裝置串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意

5.3 工作原理及性能分析

5.3.1 工作原理

實(shí)驗(yàn)裝置采用自制的一體化裝置，長×寬×高=40 cm×40 cm×50 cm，實(shí)驗(yàn)植物為美人蕉，填料為礫石、石英砂、鐵碳混合物和土壤。為防止人工潛流濕地裝置使用過程中的填料堵塞、植物生長萎靡緩慢、污染物去除效率低等問題，促進(jìn)濕地植物健康快速生長，提高人工濕地脫氮除磷處理效率，本研究選用鐵粉和活性炭為濕地填料，采用串聯(lián)池體，進(jìn)水出水周期性交替運(yùn)行的方式預(yù)防填料堵塞。利用填料-微生物-植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的綜合作用進(jìn)行廢水處理，使水質(zhì)得到不同程度的改善，同時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)和水分可用于植物生長的營養(yǎng)成分，實(shí)現(xiàn)廢水的資源化和無害化。

5.3.2 實(shí)驗(yàn)用水及水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)污水為實(shí)驗(yàn)室自配水樣(葡萄糖作為碳源，氯化銨作為氮源，磷酸氫二鉀為磷源)，采用一體化裝置模擬農(nóng)村生活污水垂直流濕地處理過程。模擬農(nóng)村生活污水水質(zhì)見表1。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

5.3.3 實(shí)驗(yàn)方法

模擬人工濕地構(gòu)建后，穩(wěn)定15 d，期間用自來水檢驗(yàn)裝置完好性，實(shí)驗(yàn)用植物通過一段時(shí)間的種植培養(yǎng)，待生長正常穩(wěn)定后，將植物株型基本一致的個體植物植入各模擬人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置中，植入密度以實(shí)際人工濕地的種植密度為參考。系統(tǒng)運(yùn)行期間，采用間歇配水方式，對植株的生長狀況進(jìn)行動態(tài)觀測，并定期測定進(jìn)出水水質(zhì)，測定指標(biāo)包括CODcr、NH3-N、SS、TN和TP。所有指標(biāo)測定方法均選用國家標(biāo)準(zhǔn)方法。

5.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)為單池處理模擬生活污水，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1個月，共進(jìn)行了4次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1周，1周后測定出水水質(zhì)，結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)出水水質(zhì)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對CODcr的去除效率為85%～91%，氨氮的去除效率為70%～79%，總磷的去除效率為68%～75%。

6 結(jié)論

本文研發(fā)設(shè)計(jì)的人工潛流濕地污水處理一體化裝置包括模擬水箱、池體、填料、濕地植物、布水裝置。填料分層裝填在池體內(nèi)，濕地植物種植在填料上，布水系統(tǒng)設(shè)置在池體內(nèi)，可采用單個池體處理，多池并聯(lián)處理，或2個或多個池體串聯(lián)處理污水。串聯(lián)處理污水的方法采用上行流和下行流兩種工作方式交替運(yùn)行，通過改變污水流向，可有效預(yù)防基質(zhì)堵塞，濕地填料選用礫石、石英砂、活性炭+鐵粉，濕地植物選用美人蕉。該裝置可事先批量生產(chǎn)、種好植物、馴化好微生物，即可實(shí)現(xiàn)即刻安裝，即刻使用的效果。單池處理模擬生活污水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對CODcr的去除效率在85%～91%之間，氨氮的去除效率在70%～79%之間，總磷的去除效率在68%～75%之間。經(jīng)研究，本裝置可模擬農(nóng)村生活污水濕地處理的試驗(yàn)，下一步可對裝置放大，對農(nóng)村生活污水處理進(jìn)行中試驗(yàn)，進(jìn)一步分析其在我國農(nóng)村生活污水處理推廣應(yīng)用中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的可行性，為研發(fā)適合我國農(nóng)村生活污水的處理設(shè)施和處理技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。