人工濕地法處理農村生活污水淺析
[摘要]我國是農業大國，有八億農業人口，很多農村面臨生活污水失控的問題，由此帶來地表水質量嚴重下降，農村生活用水困難，人們的健康受到影響，生態平衡遭到破壞，這是目前農村改善生活環境遇到的難題。文章從介紹人工濕地的概念，人工濕地的分類，人工濕地的構造，結合人工濕地處理生活污水的技術，淺析了人工濕地處理農村生活污水系統。
[關鍵詞]農村生活污水；人工濕地
我國是農業大國，有八億農業人口，很多農村面臨生活污水失控的問題，由此帶來地表水質量嚴重下降，農村生活用水困難，人們的健康受到影響，生態平衡遭到破壞，這是目前農村改善生活環境遇到的難題。農村生活污水處理問題是當前農村環境綜合整治的重要內容。目前生活污水的生化處理技術已是十分成熟，可供選擇的工藝有普通活性污泥法、氧化溝法和人工濕地等，以及一些演變工藝。這些工藝花樣繁多，人們在不斷探索和改進，力圖使工藝更加高效和節能。
人工濕地系統是一個完整的生態系統，它形成了內部的良好循環并具有較好的經濟效益和生態效益，具有投資低、出水水質好、抗沖擊力強、增加綠地面積、改善和美化生態環境、維護和運行費用低廉等優點。這項技術適合我國國情，尤其適合南方廣大中小城市、農村的污水處理，具有廣闊的應用前景。
1 人工濕地概念
濕地系主要自然或人工、長久或暫時之沼澤地，濕原，泥地或水域地帶。濕地是陸地與水體之間的過渡地帶，是一種高功能的生態系統，具有獨特的生態結構和功能，對于保護生物多樣性，改善自然環境具有重要作用。由于人類的不合理開發，濕地資源在我國受到很大破壞，在特殊時期和環境條件下，研究和建立人工濕地生態系統是對自然濕地生態系統的適度補充，也是對其功能退化的恢復性建設。
人工濕地是以人工建造和監督控制的、與沼澤地相類似的地面,通過自然生態系統中的物理、化學和生物三者協同作用以達到對污水的凈化。濕地能凈化污水，是自然環境中自凈能力很強的區域之一，它利用自然生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈化。
2 人工濕地的分類
人工濕地根據濕地中主要植物形式可分為:(1)浮生植物系統；(2)挺水植物系統；(3)沉水植物系統。沉水植物系統還處于實驗室階段，其主要應用領域在于初級處理和二級處理后的精處理。浮水植物主要用于碳(Ｎ)、磷(Ｐ)去除和提高傳統穩定塘效率。目前一般所指人工濕地系統都是指挺水植物系統。挺水植物系統根據水流形式可分為：自由表面流、潛流和豎流系統。自由表面流系統中，廢水在濕地的土壤表層流動，水深較淺。與潛流和豎流系統相比，其優點是投資省，缺點是負荷低，夏季會滋生蚊蠅、散發臭味，目前已較少采用。潛流系統污水在濕地床的表面下流動，一方面可以充分利用填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留等作用，提高處理效果和處理能力;另一方面由于水流在地表下流動，保溫性好，處理效果受氣候影響較小，且衛生條件較好，是目前國際上較多研究和應用的一種濕地處理系統，但此系統的投資比自由表面流系統略高。
3 人工濕地的構造
絕大多數自然和人工濕地由五部分組成:(1)具有各種透水性的基質，如土壤、砂、礫石；(2)適于在飽和水和厭氧基質中生長的植物，如蘆葦；(3)水體(在基質表面下或上流動的水)；(4)無脊椎或脊椎動物；(5)好氧或厭氧微生物種群。
人工濕地系統正是在這種有一定長寬比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如礫石等)混合組成填料床，廢水在床體的填料縫隙中流動或在床體表面流動，并在床體表面種植具有性能好、成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀及具有經濟價值的水生植物(如蘆葦、蒲草等)形成一個獨特的動植物生態系統，對廢水進行處理。
濕地植物具有三個間接的重要的作用:(1)顯著增加微生物的附著；(2)濕地中植物可將大氣氧傳輸至根部，使根在厭氧環境中生長；(3)增加或穩定土壤的透水性。植物通氣系統可向地下部分輸氧，根和根狀莖向基質中輸氧，因此可向根際中好氧和兼氧微生物提供良好環境。植物的數量對土壤導水性有很大影響，蘆葦的根可松動土壤，死后可留下相互連通的孔道和有機物。不管土壤最初的孔隙率如何，大型植物可穩定根系的導水性相當于粗砂２~５倍。而土壤，砂，礫石基質具有:為植物提供物理支持;為各種復雜離子、化合物提供反應界面，為微生物提供附著。流動水體為動植物、微生物提供營養物質。
4 人工濕地污水處理系統
人工濕地污水處理系統由預處理單元和人工濕地單元組成。通過合理設計可將生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)、營養鹽、原生動物、金屬離子和其它物質處理達到二級和高級處理水平。預處理主要去除粗顆粒和降低有機負荷。構筑物包括酸化池(雙層沉淀池)、化糞池、組合塘、初沉池。人工濕地單元中的流態采用推流式、階梯進水式、回流式或綜合式。按進水方式可分為水平流(HF Horizontal-flow)和垂直流(VF Vertical-Flow)。
人工濕地的基本流程：階梯進水可避免處理床前部堵塞，使植物長勢均勻，有利于后部的硝化脫氮作用;回流式可對進水進行一定的稀釋，增加水中的溶解氧并減少出水中可能出現的臭味。出水回流還可促進填料床中的硝化和反硝化作用，采用低揚程水泵，通過水力噴射或跌水等方式進行充氧。綜合式則一方面設置出水回流，另一方面還將進水分布至填料床的中部，以減輕填料床前端的負荷。人工濕地的運行可根據處理規模的大小進行多種方式的組合，一般有單一式、并聯式、串聯式和綜合式等。在日常使用中，人工濕地還經常與氧化塘等進行串聯組合。
5 人工濕地污水處理系統的特點
人工濕地系統具有如下優點:(1)建造和運行費用便宜；(2)易于維護，技術含量低；(3)可進行有效可靠的廢水處理；(4)可緩沖對水力和污染負荷的沖擊；(5)可提供和間接提供效益，如水產、畜產、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育。
人工濕地不足之處:(1)占地面積大；(2)對生物學和水力學復雜性及重要工藝動力學參數研究不徹底；(3)易受病蟲害影響。人工濕地系統在達到其最優效率時，需２~３個生長周期。
6 人工濕地污染物的去除機理
人工濕地對廢水的處理綜合了物理、化學和生物三種作用。人工濕地運行穩定后，填料表面和植物根系中生長了大量的微生物形成生物膜，廢水流過時，懸浮物被填料及根系阻檔截留，有機質通過生物膜的吸附及同化、異化作用而得以去除。濕地床層中因植物根系對氧的傳遞釋放，使其周圍的微環境中依次呈現出好氧、缺氧和厭氧狀態，保證了廢水中的氮、磷不僅能被植物及微生物作用營養成分直接吸收，還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用從廢水中去除，最后通過濕地基質的定期更換或植物收割使污染物最終從系統中去除。人工濕地去除污染物的范圍廣泛,包括N、P、SS、有機物、微量元素、病原體等。
6.1 有機物的去除
人工濕地顯著特點之一是對有機物有較強的處理能力。不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾可以很快從廢水中截留下來，被微小生物加以利用；可溶性有機物則可通過生物膜的吸附及微生物的代謝過程被去除。研究表明：在進水濃度較低情況下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%~95%。COD去除率可大于80%，城市污水通過濕地處理后，出水BOD5 在10 mg/L 左右。試驗還表明：不溶性BOD5(約占總BOD5 的50%左右)和COD 在進水5 m的距離內可迅速地被去除；約90%的SS 在進水10 m以內得以去除。廢水中大部分有機物最終被厭養微生物轉化為CO2、H2O和少量的剩余微生物殘體。
6.2 氮的去除
人工濕地處理系統對氮的去除作用包括基質的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生長的必需元素，廢水中的無機氮包括NH3-N 和NO3-N，均可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質，最后通過植物的收割形式從人工濕地的廢水中去除。一部分NH3-N 可轉化成NH3 后，以氣態的形式揮發到大氣中。微生物的硝化、反硝化作用對氮的去除起重要作用。根據根區法理論，人工濕地植物中根毛的輸氧，根區附近濕地土壤中連續出現好氧、缺氧、厭氧狀態，為自養型好氧微生物(亞硝酸菌、硝酸菌)和厭養型微生物反硝化細菌大量的存在提供了條件，使要求好氧條件的硝化反應和要求厭氧的反硝化反應可以同時完成。另外，對硝化反應有抑制作用的是NH3-N、重金屬、氰化物及有機物，人工濕地對這些物質也有一定的去除作用。因此人工濕地比一般污水處理系統具有較強的氮處理效率。根據試驗實測結果，人工濕地中氨化細菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數量都處于較高水平，因此人工濕地具硝化、反硝化、脫氮的良好基礎和潛力。所以，人工濕地比傳統活性污泥處理系統(一般無法完成反硝作用)具有更強的氮的處理能力。
6.3 磷的去除
磷和氮一樣是生物的必需元素，但水體中磷又是富營養化的限制性元素，含量過高時又可造成藻類過度繁殖而成富營養化狀態。廢水中磷的存在形態取決于廢水中磷的類型，最常見的是磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽。人工濕地對磷的去除作用包括基質的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除及物理化學作用。基質中的吸收和過濾對無機磷的去除作用，因填料不同而存在差異，若土壤中含有較多的鐵、鋁氧化物，有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁，使土壤固磷能力大大增加;若以礫石為填料的濕地，礫石中的鈣可以生成不溶性磷酸鈣而從廢水中沉淀。
植物吸收無機磷和吸收無機氮一樣，都是在吸收同化作用下，將無機磷變成植物體的組成部分，最后通過植物收割去除。微生物對磷去除包括對磷的正常吸收和對磷的過量積累，由于人工濕地根區附近土壤中不同的含氧狀態而相當于許多Ａ-Ａ-Ｏ處理單元，使某些細菌種類在厭氧條件下吸收低分子的有機物(如脂肪酸) ，同時將細胞原生質中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來，提供必需的能量;又在好氧條件下，氧化所吸收的有機物，并提供能量，同時從廢水中吸收超過其生長所需的磷，并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細胞的內含物而被貯存起來，因此人工濕地有較高的除磷效果。
由于濕地中植物光合作用光反應、暗反應交替進行，根系輸氧的交替出現，以及系統內部不同區域對氧消耗量的差異，導致了系統中厭氧、好氧的交替出現，使磷的過量釋放和過量積累得以完成。這是常規二級處理方式所難以滿足的。
7 人工濕地處理工藝流程
根據社會主義新農村建設的發展思路，并結合農村的排水系統現狀、污水處理規模小等情況，為在降低工程投資和運行成本的同時，達到提高村中綠地建設面積，確保污水的處理達標排放，尤其是對污水中氮、磷的去除，并實現處理污水可作為農業灌溉用水，在前處理增加水解酸化池，形成“水解酸化+人工濕地”組合處理工藝。人工濕地處理污水主要工藝流程：污水→粗格柵→細格柵→沉砂池→綜合調節池→水解酸化池→第一級人工濕地→第二級人工濕地→第三級人工濕地→達標排放。
8 人工濕地技術在我國的應用研究及實例
我國在“七五”期間開始人工濕地的研究。1989年，國家環保局華南環境科研所與深圳東深供水局在深圳白泥坑建立人工濕地實驗基地，占地18.9畝，處理3100 t/d的城鎮綜合污水，效果十分好。
1990年在北京昌平進行的自由水面流人工濕地。處理量為500t/d的生活污水和工業廢水。
1990年，天津環保科研所建立11個實驗單元研究蘆葦濕地對城市污水的處理能力，并對水力負荷，有機負荷，停留時間及季節等與污水中主要污染物間規律進行探索。
華中農業大學李科德等采用人工模擬蘆葦床處理生活污水，對其凈化機理進行了研究。結果表明，蘆葦根際具有較高的氧化還原電勢，為好氧微生物的活動創造了有利條件。蘆葦床內根際微生物數量與污染物去除率之間有明顯相關性。污水中有機污染物是通過蘆葦床內各種微生物協同作用去除；NH3-N主要是通過硝化反硝化連續反應去除；SS和P的去除主要通過沉淀、過濾、吸附、固結等理化作用而實現。蘆葦床的優勢菌屬：假單胞菌屬、產堿桿菌屬、黃桿菌屬，原生動物以腎形蟲居多。
中國環境科研院劉文祥在1994~1995 年，采用由漂浮植物、沉水植物、挺水植物及草濾帶組成的人工濕地對控制農田徑流污染進行了研究。占地1257 m2，利用低洼棄耕地改造而成。
中科院南京植物所采用人工濕地系統處理酸性鐵礦廢水，面積130 m2，流量0.5 m3/h，運行兩個月表明：pH 由2.6 升到6.1，銅離子去除99.7%，鐵離子去除99.8%，錳離子去除70.9%，運行費5~10 萬元/年。
山東膠南市建設一座日處理6 萬t 污水的人工濕地系統，占地1000 畝，工藝為：格柵-沉砂池-調節池-人工濕地-排海。此系統利用海邊鹽堿地，投資三千萬元。
2005 年，浙江省長興縣在建設生態縣過程中，開展農村生活污水處理示范工程項目，利用地下厭氧池及人工濕地法相結合的新型污水生態處理技術。經過處理就可以降低水中的化學需氧量，而這上面種植的美人蕉、黑麥草，根系發達、喜濕、吸收能力強，其扎根在人工沙層中，污水滲入沙層后，含氨氮的水體腐殖質、泥漿等物種被美人蕉發達的根系吸收并消耗掉。長興縣對14 個村和5 個集鎮投入資金千萬余元，實施了“人工濕地”處理。預計到2013 年，該縣農村生活污水處理率將達到60%。
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(本文文獻格式：鄭君其．人工濕地法處理農村生活污水淺析
[J]．廣東化工，2012，39(8)：178-179)
[作者簡介] 鄭君其(1979-)，男，廣東人，大專，主要研究方向是環境監測技術及環境保護工程。
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