人工湿地净化农村生活污水
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摘要：分析了农村生活处理现状以及基本特征,因地制宜地选择和推广具有投资少、运行稳定、维护管理方便的人工湿地及其组合工艺,是目前农村污水处理的首选方式。阐述了人工湿地及其组合工艺净化机理和设计原则，指出这项技术适合我国国情,尤其适合广大农村,中小城市的污水处理,具有极其广阔的应用前景。
关键词：农村生活污水;人工湿地;净化机理;
Abstract: Through analysis of the status quo of the treatment of country life and basic characteristics, the author proposed constructed wetland and their combination process as preferred method of rural sewage treatment thanks its fitting to local conditions, with less investment, stable operation, convenient maintenance and management . By expounding the mechanism and the design principle of constructed wetland and their combination process purification, the paper points out the technology is suitable for China's national conditions, especially suitable to the rural, small and medium-sized city sewage treatment, thus has the great application potential.
Key Words: rural sewage; artificial wetland; purification mechanism
中图分类号： [R123.3]文献标识码：A 文章编号：
1农村生活污水处理现状
近年来国外的专家学者对农村生活污水的处理越来越关注,农村生活污水处理技术逐渐成熟,工艺呈现出多样性。现阶段,我国小城镇污水处理率还不到10%[1],农村地区生活污水的处理率更低,绝大部分生活污水未经处理直接排放。国内对农村生活污水的治理随着三河、三湖污染的加重才刚刚兴起,但农村生活污水治理工程较少,很多处理技术也仅仅处在示范研究阶段。目前农村生活污水的治理存在一个较大的难点,即基建投资以及运行费用较大,农村经济实力以及技术力量很难满足常规城市生活污水处理厂技术要求等[2]。因此,急需要开发高效、低能耗、低成本的污水资源化技术,引进适合我国国情的国外发达国家的先进技术与工艺,解决农村生活污水污染问题［3］。
2农村生活污水的基本特征
农村生活污水是农村居民在生活和家庭养殖等过程中产生的污水的总称。农村生活污水包括厨房炊事废水(淘米洗菜用水、泔水等)、洗衣、洗浴和厕所污水、家养蓄禽粪便、废水等。与城镇生活污水相比,农村生活污水无论是排放点分布还是排放量大小,无论是污染物浓度还是资源化需求都具有明显特征。
（1）农村人均用水量明显低于城市
一般来说,农村居民人均用水量明显低于城市居民。居民生活用水包括居民家庭用水和“三产”服务业用水。在城市,“三产”服务业用水占市民生活用总量的30%以上。根据水利部公报显示,2004年,我国城镇人均生活用水量为每日212L(含公共用水),农村居民人均生活用水量为每日68L。之所以出现如此差距主要就是农村“三产”服务业明显滞后于城市所致。此外，居民生活用水量与居民生活水平呈正比相关。一般来说,在目前情况下,村民生活水平与城市相比还是有较大差距的。因此,农村居民生活用水量一般仅为城市居民生活用水量的30%左右。
（2）农村生活污水排放系数明显低于城市
对农村而言,生活用水在某种意义上是一种资源。例如,厨房泔水就是家禽家畜的好饲料;卫生清洁用水完全可以直接倒人附近农田,既有一定肥力,还有抗旱润土之效。因此,真正需要处理的生活污水量(即排放系数)并不高。在城市,生活污水排放系数一般为0.8左右,在农村一般不到0.5。
（3）农村生活污水污染物浓度低于城市
如前所述,农村生活污水中浓度较高的部分如厨房泔水等一般都被综合利用了,真正需要处理的生活污水污染物浓度并不高,且可生化性强[4］。
3人工湿地模式
废水处理的目的是将废水中有害、有毒物质加以分离,另行处理或回收利用,或使有毒物质转变成无毒物。处理方法大体可分为物理处理法、物化处理法及生化处理法。物理处理法包括自然沉降、浮选、过滤、蒸发等。物化法包括混凝沉淀、中和、氧化还原、萃取、吸附、离子交换、反渗透、电渗析。生化处理包括活性污泥、生物滤池、氧化塘、污水灌溉、湿地及人工湿地。其中人工湿地污水处理系统具有以下优点:1.建造和运行费用低:2.易于维护,技术含量低;3.可进行有效可靠的废水处理;4.可缓冲对水力和污染负荷的冲击;5.可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。
根据废水流径的方式,人工湿地可分为表面流湿地(SFW)、潜流湿地(SSFW)、立式流湿地(VFW)。表面流湿地与自然湿地最为接近,废水在填料表面漫流,绝大部分有机物的降解由位于植物水下茎秆上的生物膜来完成,但这种类型未能充分发挥填料和丰富的植物根系的作用,卫生条件也不好;潜流湿地是水在填料表面下潜流,充分利用整个系统的协同作用,且卫生条件较好,占地小,处理效果较好;立式流湿地水流情况综合了表面流湿地和潜流湿地的特点,但其建造要求高,又易孳生蚊虫。故人工湿地大部分采用潜流式湿地系统［5］。
3.1净化机制
人工湿地是一种由人工建造和监督控制得，与沼泽地类似得地面，它利益自然生态系统中物理、化学及生化反应三重协同作用来实现对污水的净化[6]。
物理作用,主要是过滤、沉积作用。土壤-植物是一个活的过滤器,污水进入湿地, 经过基质层及密集的植物茎叶和根系,可以过滤、截留污水中的悬浮物,并沉积在基质中。
化学反应,由于植物、土壤-无机胶体复合体、土壤微生物区系及酶的多样性, 人工湿地中可以发生各种化学反应过程如化学沉淀、吸附、离子交换、拮抗 、氧化还原反应等,这些化学反应的发生主要取决于所选择的基质类型。一般而言,含有机质丰富的基质有助于吸附各种污染物;含CaCO3较多的石灰石有助于磷的去除 。
生化反应,对于去除有机污染物主要依赖于系统中的生物。首先,所有人工湿地都类似于附着生物膜的反应器,有机物质被填料吸附后, 可以通过生物的同化吸收和异化分解去除。其次,根据德国学者KickuthR.1977年提出的根区法理论,由于生长在湿地中的挺水植物对氧的运输、释放、扩散作用,将空气中的氧转运到根部,再经过植物根部的扩散,在植物根须周围微环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区,有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用,达到除氮、磷效果,另一方面通过在厌氧条件下有机物的降解、或开环、或断键成简单分子、小分子, 提高对生物难降解有机物的去除效果。因而生化反应对净化污水起重要作用。
3.2污染物的去除
人工湿地去除污染物的范围广泛,包括N、P、SS、有机物、微量元素、病原体等。
1）氮的去除
人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生长的必需元素,废水中的无机氮包括NH3-N和NO3-N,均可以被人工湿地中的植物吸收,合成植物蛋白质,最后通过植物的收割形式从人工湿地的废水中去除。一部分NH3-N可转化成NH3后,以气态的形式挥发到大气中。
微生物的硝化、反硝化作用对氮的去除起重要作用。根据根区法理论,人工湿地植物中根毛的输氧,根区附近湿地土壤中连续出现好氧、缺氧、厌氧状态,为自养型好氧微生物亚硝酸菌、硝酸菌和异养型微生物反硝化细菌大量的存在提供了条件,使要求好氧条件的硝化反应和要求厌氧的反硝化反应可以同时完成。另外,对硝化反应有抑制作用的是NH3-N、重金属、氰化物及有机物,人工湿地对这些物质也有一定的去除作用。因此人工湿地比一般污水处理系统具有较强的氮处理效率。根据试验实测结果[7],人工湿地中氨化细菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌数量都处于较高水平,因此人工湿地具硝化、反 硝化、脱氮的良好基础和潜力。
2）磷的去除
磷和氮一样是生物的必需元素,但水体中磷又是富营养化的限制性元素,含量过高时又可造成藻类过度繁殖而成富营养化状态 。废水中磷的存在形态取决于废水中磷的类型,最常见的是磷酸盐(包括H2PO4、HPO4、PO3-4)、聚磷酸盐和有机磷酸盐。人工湿地对磷的去除作用包括基质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除及物理化学作用。基质中的吸收和过滤对无机磷的去除作用,因填料不同而存在差异,若土壤中含有较多的铁、铝氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝,使土壤固磷能力大大增加;若以砾石为填料的湿地, 砾石中的钙可以生成不溶性磷酸钙而从废水中沉淀。植物吸收无机磷和吸收无机氮一样,都是在吸收同化作用下, 将无机磷变成植物体的组成部分,最后通过植物收割去除。
微生物对磷去除包括对磷的正常吸收和对磷的过量积累,由于人工湿地根区附近土壤中不同的含氧状态而相当于许多A-A-O处理单元,使某些细菌种类在厌氧条件下吸收低分子的有机物(如脂肪酸),同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来,提供必需的能量,又在好氧条件下,氧化所吸收的有机物,并提供能量,同时从废水中吸收超过其生长所需的磷,并以聚磷酸盐的形式成为微生物细胞的内含物而被贮存起来,因此人工湿地有较高的除磷效果。
3）有机物的去除
人工湿地对有机物有较强的降解能力 ,废水中的不溶性有机物通过湿地沉淀、过滤作用,从废水中截留下来而被微生物利用;可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代谢降解过程被去除。有关研究结果表明,在进水浓度较低的条件下,人工湿地对BOD5的去除率可达85%~95%,COD去除率达80%以上,处理出水中BOD5的浓度在10mg/L左右,SS小于20mg/L[8]。废水中大部分有机物作为异养微生物的有机养分,最终被转化为微生物体及CO2、H2O。
3.3人工湿地的构造
绝大多数自然和人工湿地由五部分组成:1.具有各种透水性的基质,如土壤、砂、砾石;2.适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物,如芦苇;3.水体(在基质表面下或上流动的水);4.无脊椎或脊椎动物;5.好氧或厌氧微生物种群。
湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如砾石等)混合组成填料 床,废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动 ,并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇、蒲草等)形成一个独特的动植物生态系统,对废水进行处理。
其中湿地植物具有三个间接的重要的作用:1.显著增加微生物的附着(植物的根茎叶);2.湿地中植物可将大气氧传输至根部,使根在厌氧环境中生长;3.增加或稳定土壤的透水性。
植物通气系统可向地下部分输氧,根和根状茎向基质中输氧,因此可向根际中好氧和兼氧微生物提供良好环境。植物的数量对土壤导水性有很大影响,芦苇的根可松动土壤,死后可留下相互连通的孔道和有机物。不管土壤最初的孔隙率如何,大型植物可稳定根际的导水性相当于粗砂2~5年。
而土壤,砂,砾石基质具有:为植物提供物理支持;为各种复杂离子、化合物提供反应界面,为微生物提供附着。水体为动植物、微生物提供营养物质［9］。
3.4人工湿地应用于农村生活污水处理的设计原则
1）工艺简单
农村地区的污水处理具有缺乏专业技术管理人员和要求运行费用低廉这个特点，人工湿地系统最大的优势就在于其简单性。通过预处理、曝气、回流以及其他机械方法来改善湿地性能将在一定程度上失去湿地技术简单性的优势。所以在工程设计中理想的人工湿地系统是充填砾状介质、没有移动颗粒及只需要太阳能和简单的管理。较大的湿地系统可以考虑一些辅助设备，只有针对特殊水质要求时才值得考虑附加设置曝气池等处理工艺的复杂湿地系统。
2）大系统分区
较大的人工湿地应该分区分成几个平行的单元，这样可以利于流量分配。同时利于植物管理和植物病虫危害防治。另外床体的长宽比影响氨的去除效果，一般可采用较大的长宽比。
3）植物选种乡土性
充分重视乡土品种的生态特性，不宜在未考虑当地生态环境条件下盲目引进外来物种。通过对当地植物在人工湿地系统中的应用研究，了解植物对水力、营养及其他因素的物种特性，并加以充分利用来提高人工湿地的净化效率。同 时也应关注湿地的生物多样性。
3.5人工湿地工艺处理农村生活污水设计流程
1依据实地调查数据资料，选择适宜的工艺系统。2进行湿地物种挑选试验，为了考核物种对当地的生态环境的适应性及对污水的净化程度。对所挑选的物种要进行2个试验：一是试验室模拟试验。考察植物在特定的环境中的适应性、生存能力分析植物对污染物的吸附能力和最佳吸附时间。二是现场试验。考察内容与上一环节类似，并为工程的具体实施提供基本工艺参数。特别注意植物在当地是否有生物侵害的现象。
4结束语
目前,我国绝大部分城市污水厂均采用传统的二级活性污泥法处理工艺。这种工艺工程投资高,耗能大,运行管理要求高,对控制大城市的水环境污染起到了关键作用。然而由于我国经济发展水平不高,能源短缺,许多地方,尤其中小城市和乡村缺乏具有一定操作管理和技术水平的人员。同时我国的乡镇企业迅猛发展,对当地造成了严重的环境污染。因此在我国大力开发具有高效、简易、低耗的污水处理技术,具有很大意义。
人工湿地是一个综合的生态系统,具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、耗电低、运行费用低等特点,它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理,结构与功能协调原则,在促进废水中污染物质良性循环的前提下,充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益。它具有环境效益、经济效益及社会效益,是一种较好的废水处理方式,比较适合于处理水量不大、水质变化不很大,管理水平不很高的城镇污水,如我国农村中、小城镇的污水处理。人工湿地作为一种处理污水的新技术有待于广大环境工作者结合各个地区的实际情况,积累设计经验,制定出一定的设计规范,以促进它的推广和应用。
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