南方農村生活污水人工濕地處理工藝應用研究

韋宗敏

（廣東韶科環(huán)保科技有限公司 廣東韶關 512026）

引言

隨著經濟社會的快速發(fā)展，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，農村生活污水處理問題成為社會各界關注的熱門領域之一。根據住建部發(fā)布的《2021 年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》數(shù)據顯示，截至2021 年，我國城鎮(zhèn)污水處理總能力達24746 萬m3/d，較2020 年同比增長了1709 萬m3/d。但農村生活污水處理還面臨著污水收集難、基礎設施滯后、思想認識不高等問題。因此，本文根據南方農村生活污水水量及水質的特點，從生態(tài)環(huán)保效益、經濟效益等方面考量，選擇適宜、高效及無二次污染的生活污水處理工藝技術。

1 南方農村生活污水特點

與北方干旱氣候相比，南方四季雨水充沛，尤其是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施后農村人居環(huán)境改善，大部分村民使用水廁，且淋浴設施配套齊全，生活用水量大幅上升。其中，約85%生活污水為洗滌污水和廚房污水。由于南方雨水量大，農村生活污水經雨水沖刷后，污水中的氮、磷及有機物等污染物濃度降低。同時，南方地區(qū)人口密度較大，且常年平均氣溫要高于北方地區(qū)，有利于南方農村生活污水的收集和處理。因此，總體來看，與北方農村生活污水相比，南方地區(qū)的農村生活污水具有排放量大、污染物濃度低、可生化性好、基本不含重金屬及相關有毒物質和易于收集處理的顯著特點[1]。此外，農村居民生活較為規(guī)律，生活污水排放量主要集中于早晨、中午、晚上三個排水量較大，夜間農村生活污水排放較小，甚至會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，因此，綜合變化系數(shù)大。農村生活污水還呈現(xiàn)出節(jié)假日期間，因務工人員回流，在此期間生活污水排放量倍增，污水綜合變化系數(shù)大。

表1 農村居民生活用水量參考取值

與工業(yè)廢水相比，農村生活污水的處理難度較低。由于農村經濟條件因素的制約，環(huán)境污染治理人才力量的缺乏，以及污水處理基礎設施投入較少等現(xiàn)實問題，應研究開發(fā)基建簡單、管理便捷、成本低廉，且處理農村生活污水中氮、磷等營養(yǎng)元素效率高的工藝技術[2]。

目前，全國尚未有農村生活污水處理方面的統(tǒng)一水質標準。根據 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002），以及《水污染排放限值》（DB44/26-2001），并結合南方地區(qū)的農村生活污水處理現(xiàn)狀，其進/出水水質參考標準見表2。

表2 南方農村地區(qū)生活污水進/出水水質參考值及標準

近年來，隨著農村經濟發(fā)展，以及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，農村環(huán)境得到大幅改善。但農村生產生活方式的轉變，諸如農村地區(qū)由以前的相對分散式居住，逐漸邁向相對集中式居住，生活污水的排放量較以往更加的集中，為農村生活污水收集、處理提供有利條件[3]。

2 南方農村生活污水處理原則

從南方農村生活污水中的污染物含量，以及農村生活污水進出水水質現(xiàn)狀來看，處理農村生活污水要注重運用物理、生物、生態(tài)等工藝方法，以及各種工藝方法的復合應用，大力提升農村生活污水的處理效率和質量。從經濟、環(huán)保及社會效益等方面綜合考慮，農村生活污水處理應本著“無害化、減量化和資源化”處理理念，本著因地制宜、經濟適用等原則，把握農村生活污水處理的相關流程，逐步實現(xiàn)農村生活污水的有效處理[4]。

2.1 因地制宜

不同地區(qū)氣候、生活污水水質差異較大，即便是同一區(qū)域，不同地方的農村生活污水處理所面臨的形勢和現(xiàn)實情況也存在較大差異。例如，北方與南方農村地區(qū)，適宜北方的農村生活污水處理未必在南方具有推廣應用價值[5]。此外，同一區(qū)域，不同地方的農村經濟水平、居住地集中度、農業(yè)生產經營，以及農村生活污水管網基礎設施建設等等，都有較大差異。因此，農村生活污水處理應堅持實事求是，因地制宜，從氣候條件、經濟要素、環(huán)保要素以及社會發(fā)展情況等等，綜合施策，選擇適宜的處理工藝技術。

2.2 資源利用

與城市污水主要依賴污水處理廠的集中處理不同，農村大量的水塘，濕地，廢棄種養(yǎng)殖的洼地均可以用于農村生活污水人工濕地的重要組成部分，實現(xiàn)就地取材，減少農村生活污水處理及運行成本，還可以就地實現(xiàn)污水達標排放，就近用于農業(yè)生產灌溉[6]。

2.3 經濟適用

與城鎮(zhèn)擁有成熟的污水管網收集系統(tǒng)，以及利用污水處理廠集中處理不同，農村生活污水主要以散亂式排放為主，進水量相對較小。此外，經濟、技術及專業(yè)人才隊伍等也是影響農村生活污水工藝技術選型的重要因素。

因此，針對農村經濟及生產生活水平的現(xiàn)狀，及其污水特征及排放情況，應選擇經濟性、合理性和可持續(xù)性較強的工藝技術，低能耗或無能耗、工程造價低，后期運行維護簡便，出水水質穩(wěn)定可靠，是農村生活污水處理的重要參考工藝因素。

3 人工濕地處理技術

綜合上述原則考慮，低能耗或無能耗、工程造價低、操作管理方便、處理效果穩(wěn)定的人工濕地處理工藝有望成為農村污水處理的主力技術。目前人工濕地類型主要包括三大類[7～13]。

3.1 表面流人工濕地處理技術

表面流人工濕地處理技術，其水位較淺，一般是10-30cm，污水主要在濕地的地表流動。表面流人工濕地與自然濕地情況相似。表面流人工濕地處理污水，其主要利用了在表面流濕地中種植的大量種植物，利用這些種植物的莖葉或根系，截留污水中的漂浮物，或者將其截留于表面流人工濕地的基質表面。經植物根系或莖葉截留后，進一步降低了污水中的污染物濃度。表面流人工濕地工藝技術構建難度小，操作簡便，工程量不大，建設及運行成本低。但該工藝技術的也存在醫(yī)學不足，種植于濕地中的植物生長周期較長，且受季節(jié)、氣候變化。此外，表面流人工濕地還占用較大面積，需要在設計建設方案時，為節(jié)約成本，優(yōu)先選擇使用類濕地或天然洼地資源，降低前期建設成本，以及后期的維護成本，保護自然資源。表面流人工濕地技術的應用，重點是要做好挺水植物的選擇，并選擇推流式作為污水在濕地表面的流動形態(tài)[14][15]。

3.2 垂直流人工濕地處理技術

垂直流人工濕地處理技術，其運行原理是污水經技術系統(tǒng)表面縱向流動，進入濕地基質填料底部。在污水流動過程中，由于經歷不同種的填料層，在填料層的截留、吸附作用下，達到凈化水質的效果。垂直流人工濕地系統(tǒng)含有功能十分完備的集水系統(tǒng)以及布水系統(tǒng)，可以將處理的污水分散至不同系統(tǒng)，提升污水處理效果。垂直流人工濕地處理技術的特點主要表現(xiàn)在：需要較大埋深，實際占地面積較小，無論是集水系統(tǒng)還是布水系統(tǒng)均可建于地下，在多層填料共同作用下，系統(tǒng)運行過程中具有很好的耐水負荷及抗沖擊力，污水的實際處理效率高，尤其是生活污水中的氮磷處理效果較好。該技術的不足之處，系統(tǒng)建設位于地下，土方工程較大，前期工程建設，以及后期的運行維護成本較高，系統(tǒng)中硝化反應占主導地位，反應過程中所需要的氧氣是通過大氣表層擴散、液質傳導以及植物根系傳輸?shù)饺斯竦叵到y(tǒng)中，因此氧的供應量決定了處理效果的好壞。

3.3 水平潛流人工濕地處理技術

水平潛流人工濕地系統(tǒng)處理污水，其建設及運行原理，是將土壤、填料等填入床內，并將濕地植物種植于濕地表層結構，植物在其生長過程中，根系向土壤、填料層不斷生長、進入，形成根區(qū)微環(huán)境。根區(qū)微環(huán)境與填料協(xié)同作用處理污水效果良好。水平潛流人工濕地處理污水，利用高度落差使需要處理的污水在處理技術系統(tǒng)中實現(xiàn)自然流動，經填料過濾、吸附污水中的雜質，種植于濕地中的植物根系吸收污水中的無機鹽，污水中的有機物經細菌分解得到降低，實現(xiàn)污水凈化效果。水平潛流人工濕地的優(yōu)勢在于其衛(wèi)生條件好，處理污水過程中不易滋生蚊蠅，脫氮效果更佳。但選擇水平潛流人工濕地處理污水，氧通量的保證，以及布水均勻是其技術難點。保證均勻布水，勢必水增加系統(tǒng)占地的面積；由于氧氣的傳導可能會波動的條件限制，植物根系和微生物群無法產生更大的效益，整體的處理效率變化幅度較大。

4 案例分析

4.1 背景資料

選擇南方某地區(qū)農村生活污水處理為例，采取由生物濾池+人工濕地+穩(wěn)定塘生態(tài)處理工藝技術。在已有化糞池、沼氣池處理基礎上，構建分散式農村生活污水生態(tài)處理工藝，實現(xiàn)農村居民生活污水凈化處理。常住居民人口230 余人，屬亞熱帶濕潤氣候，雨量充沛，日照充足，年平均氣溫在18.5℃，周邊建有化糞池、沼氣池，以及池塘。生活污水標準及變化參照《村鎮(zhèn)進水工程技術規(guī)范》《給水排水設計手冊》，進水水質及排放標準執(zhí)行 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級B 標準。

表3 南方某農村生活污水進水水質及排放標準

4.2 工藝流程

基于南方某農村生活污水排放量水量總體較小、水質相對不穩(wěn)定，以及周邊的地勢、地形、交通及氣候條件，選擇“生物處理+生態(tài)重建組合工藝”，積極打造生物濾池+人工濕地+穩(wěn)定塘生物修復處理工藝技術。利用農村現(xiàn)有的水塘、濕地等自然條件，輔之以種植相關植物、人工水草填料，以及微生物等功能，實現(xiàn)去除生活污水中的氮、磷含量，以及化學需氧量、五日生化需氧量、懸浮物等污染物，使農村生活污水經處理后出水水質達到 《城市污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A 標準。有效處理農村生活污水，打造田園式處理系統(tǒng)，改善農村人居環(huán)境。

4.3 單元設計

（1）格柵—調節(jié)池。污水出口設置管網，農村居民分散式污水通過總匯水管輸送至格柵池（2.5m×1.5m×1m）進行預處理。格柵對農村生活污水中的顆粒物、懸浮物進行截留、除塵，去除雜物。格柵溢流出水進入調節(jié)池（6m×4m×1m），泥沙及顆粒懸浮物再進一步沉淀截留。

（2）生物濾池。調節(jié)池出水經輸水管道輸入生物濾池（7.5m×3m），生物濾池底部填放稻草，表面覆蓋綠狐尾藻，形成一個小型稻草—綠狐尾藻生態(tài)系統(tǒng)。生物濾池能夠有效去除生活污水中的氮磷及COD。南方地區(qū)，氣候適宜綠狐尾藻生長，有效控制污水臭味。

（3）人工濕地、穩(wěn)定塘。人工濕地根據植物差異，分為一級表面流人工濕地和二級表面流人工濕地。其中，一級表面流中的挺水植物梭魚草能夠緩沖濾池出水，梭魚草根吸收并去除污水中的氮、磷等污染物，隨著綠狐尾藻生長，可有效凈化水質。二級表面流人工濕地與一級人工流表面濕地形成自然落差（0.1m 以上），在二級表面流人工濕地種植水芹、西洋菜等。穩(wěn)定塘（35m×15m）四周種植挺水植物菖蒲，沉睡植物睡蓮，進一步凈化處理農村生活污水，達標后通過溢流排水管溢出周邊農田，實現(xiàn)水資源再利用。

4.4 監(jiān)測結果

為進一步掌握人工濕地工藝處理農村生活污水的效果，每月中、月底采集兩次，采樣點設置于單元出水口。該工藝流程于2020 年12 月投入運行，2021 年4月-2022 年3 月監(jiān)測結果顯示，利用該人工濕地工藝處理農村生活污水，出水中COD、NH4+-N、TP、TN、SS濃度分別為42、1.35、0.56、1.13、15mg/L，達到了預期設計標準（見表4）。農村生活污水中的COD、NH4+-N、TP、TN、SS 平均去除率達到85.2%、90.32%、43.98%、86.62%、95.6%。

表4 生物濾池+人工濕地+穩(wěn)定塘生態(tài)處理工藝技術應用前后水質監(jiān)測結果

4.5 效果評價

（1）從經濟效益分析來看，該工藝流程的運用，前期建設投資費用為5 萬元，工程無動力成本，人工費和維護修繕費約0.4 萬元/a，組合工藝年均運行成本為0.5 萬元，工藝技術穩(wěn)定，管理簡便。且，濕地達標排放出水可作為濕地周圍農業(yè)灌溉用水，或者坑塘補水，有效減少農業(yè)用水成本，經濟效益明顯。

（2）從環(huán)保效益來看，該人工濕地處理農村生活污水保持長期穩(wěn)定運行，預計年削減TN 約450kg，TP 約31.5kg（以N、P 計），種植景觀水生植物，與農村周圍環(huán)境相融合，實現(xiàn)美化農村周邊環(huán)境，符合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施，實現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村建設。

（3）從社會效益來看，該人工濕地投入使用，經基質過濾、植物吸收、生物吸附降解，去除了農村生活污水中污染物，或降低污染物濃度，促使微污染農村水體凈化，是可持續(xù)發(fā)展的生動體現(xiàn)。因此，農村生活污水人工濕地處理系統(tǒng)，具有清潔安全、零動力、運維簡便、費用低等，具有良好的經濟環(huán)境社會效益，具有積極的現(xiàn)實推廣應用價值。

結語

南方農村居民點較為分散，多采取單獨收集、分散處理模式，且不同村莊經濟、人口、地形等差異大，不能簡單套用某一種污水處理模式，而應綜合施策，結合本地的實際特點，從經濟、環(huán)保及運維等諸多因素考慮，選擇適宜的處理模式。

人工濕地是近年來迅速發(fā)展的生物—生態(tài)治污技術，可處理多種廢水。人工濕地工藝技術的顯著特點之一是其對有機污染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用；廢水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。利用人工濕地處理生活污水的優(yōu)勢：一是運維成本低。二是處理效果好。可直接排入環(huán)境水體中，也可作小區(qū)景觀水體的補充水，或用作農灌，在缺水地區(qū)是水資源循環(huán)利用的有效措施。人工濕地處理南方農村生活污水，在實際運行過程中還需要注重調控濕地氧補充方式，提升人工濕地處理氨氮和有機污染物去除效果；進一步改進濕地水力性能，從水深、水流及水力停留時間和負荷等，優(yōu)化人工濕地運行條件，改善人工濕地內部水力性能，提升工藝處理去污效果。