人工濕地在農(nóng)村生活污水綜合治理中的應(yīng)用

鄧 晨

湖南鑫時予環(huán)保科技有限公司，湖南 婁底 417000

0 引言

在農(nóng)村發(fā)展過程中，受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后的影響，如缺乏完善的污水處理系統(tǒng)及污水排放渠道等，大量未經(jīng)處理的污水直接被排放，影響農(nóng)村環(huán)境，不利于農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因此，加強農(nóng)村生活污水處理勢在必行。利用人工濕地進行污水處理具有成本投入少、操作簡便、處理效果顯著等優(yōu)點，十分適合在農(nóng)村生活污水綜合治理中應(yīng)用，可解決農(nóng)村生活污水處理與排放問題。有關(guān)部門應(yīng)充分認識到人工濕地的應(yīng)用優(yōu)勢，并結(jié)合農(nóng)村生活污水綜合治理需求，積極探索科學(xué)高效的應(yīng)用措施，從而提升農(nóng)村生活污水綜合治理水平和成效，助力農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 農(nóng)村生活污水的特點

農(nóng)村生活污水可以分為黑水與灰水兩大類。其中，黑水主要是指沖廁排水，此類污水污染濃度高、處理難度大；灰水則主要是指沖洗用水等。相較于黑水，灰水污染物濃度較低。但無論是哪種類型的農(nóng)村生活污水，都具有分散性強、難以集中處理的特點。因此，村民針對灰水通常都會采用直排的形式處理，針對黑水則多借助化糞池儲存并定期清掏處理。近年來，隨著農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展及村民生活水平的提升，越來越多的農(nóng)村家庭設(shè)置了相應(yīng)的洗浴設(shè)施，并且采用了沖水廁所。受此影響，農(nóng)村生活污水不僅排放量增多，而且黑水、灰水合流排放的趨勢愈發(fā)明顯，進一步提升了農(nóng)村生活污水處理難度，使農(nóng)村地區(qū)的地下水污染、河水污染及土壤污染等現(xiàn)象越來越嚴重，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民生活及農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展等均產(chǎn)生了十分不利的影響。除此之外，間歇性排放、懸浮物與有機物含量高、日變化系數(shù)大及污水成分復(fù)雜等，也是農(nóng)村生活污水的主要特點［1］。另外，農(nóng)村生活污水還具有污染物濃度相對較低、可生化性強等特征，這為污水處理中人工濕地的應(yīng)用提供了條件。

2 人工濕地概述

人工濕地不僅在農(nóng)村生活污水處理中有著廣泛的應(yīng)用，而且在工業(yè)污水處理中的應(yīng)用效果也比較理想。人工濕地在降解污水有機物方面優(yōu)勢顯著，濕地的沉淀與過濾作用能夠有效處理污水中的有機物，適合大范圍污水處理。另外，人工濕地中的植物可以吸收污水中的部分有機物，進而起到凈化污水的作用。人工濕地包括表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地等［2］。其中，表面流人工濕地可以在水體緩慢流動過程中借助水體中的微生物及植物對污水進行凈化處理。這種濕地形式具有運行費用低、污水處理操作簡便等優(yōu)勢，但是也具有占地面積大、受溫度影響大等不足，因此其在農(nóng)村生活污水綜合治理中的應(yīng)用并不廣泛。水平潛流人工濕地在污水綜合治理中的應(yīng)用比較廣泛，其通常由一個或者多個基質(zhì)填充床組成，污水在基質(zhì)層內(nèi)部流動，并在流動過程中與水體中的微生物及植物相接觸，進而實現(xiàn)水體的凈化。污水凈化效果好及影響因素少是水平潛流人工濕地的主要應(yīng)用優(yōu)勢，但是這種濕地形式也存在一定的弊端和不足，如易堵塞、污水處理效率不高、脫氮除磷效果不理想等。垂直流人工濕地可以使污水從濕地表面垂直流向床底，在垂直流動過程中，污水會經(jīng)過不同的基質(zhì)層，與水體中的微生物和植物根系接觸更加充分，這能更好地保障污水處理效果。同時，水流垂直經(jīng)過基質(zhì)層，可通過基質(zhì)材料的吸附作用進一步被凈化。因此，這種類型的濕地在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用效果比較理想。此種濕地形式由于整個污水處理系統(tǒng)均處于地下，因此占地面積小。同時，此種濕地形式還具有污水處理效率高等優(yōu)勢，在農(nóng)村生活污水綜合治理中有著十分廣泛的應(yīng)用前景［3］。

人工濕地是人工打造的半生態(tài)型污水處理系統(tǒng)，主要由3 大要素組成，分別為土壤基質(zhì)、微生物、水生植物。因此，人工濕地不僅可以發(fā)揮污水處理作用，而且能起到調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、美化環(huán)境、豐富生物多樣性的作用。因此，人工濕地的應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著，適合在污水分散性強的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用［4］。

3 人工濕地在農(nóng)村生活污水綜合治理中的應(yīng)用關(guān)鍵

潛流人工濕地雖然有著受環(huán)境影響小及污水處理效果好等方面的優(yōu)勢，但是也存在容易堵塞的問題。為降低潛流人工濕地堵塞問題發(fā)生概率，有關(guān)部門應(yīng)借助預(yù)處理系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水進行預(yù)處理，然后再由潛流人工濕地進行處理。這既有助于強化污水處理效果，也能避免發(fā)生堵塞。筆者以某村生活污水處理中的人工濕地工程建設(shè)為例，總結(jié)人工濕地的應(yīng)用要點。該村生活污水通過暗渠直接排放至村東排水溝，后經(jīng)排水溝下游約100 m 匯入農(nóng)灌渠［5］，采用預(yù)處理與潛流人工濕地處理相結(jié)合的處理方式。

3.1 預(yù)處理系統(tǒng)建設(shè)

預(yù)處理系統(tǒng)由格柵、沉砂池、水解酸化池構(gòu)成。其中，格柵能夠起到截留農(nóng)村生活污水中較大的漂浮物、懸浮物的作用。為保障農(nóng)村生活污水預(yù)處理效果，有關(guān)部門應(yīng)分別設(shè)置一道粗格柵、一道細格柵（格柵材料為鋼材），并定期人工清理殘渣。

在該工程建設(shè)中，因為設(shè)計的排水系統(tǒng)為明渠，導(dǎo)致其污水中不僅含有大量的懸浮物，還含有大量的泥沙，進而增加了污水處理難度。因此，有關(guān)部門在設(shè)置格柵的同時，通過建設(shè)沉砂池進一步去除污水中的懸浮物，然后人工清理其中的泥沙。沉砂池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沉砂池的長、寬、高分別為6.0、2.5、3.0 m，污水在沉砂池中的停留時間控制在2 h左右［6］。

除了格柵與沉砂池外，有關(guān)部門可借助水解酸化池提升農(nóng)村生活污水處理效果，進一步提高農(nóng)村生活污水的可生化性。修建水解酸化池是應(yīng)用水解酸化工藝的基礎(chǔ)。采用水解酸化工藝可以將厭氧過程停留在酸化階段，在此過程中可以使農(nóng)村生活污水中的非溶解性有機物轉(zhuǎn)化為溶解性有機物，同時能將污水中難以生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為易生物降解的有機物。這樣不僅可以有效降低農(nóng)村生活污水中的懸浮物濃度，并且還能起到提升農(nóng)村生活污水可生化性的作用，進而為接下來的好氧處理奠定基礎(chǔ)。該村人工濕地的預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)置了水解酸化池，其規(guī)格為長5.0 m、寬4.5 m、高4.0 m，同樣采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的水解酸化池具有耐毒性強及抗沖擊負荷強的特點，污水停留時間控制在6 h左右［7］。

3.2 人工濕地處理系統(tǒng)建設(shè)

在人工濕地污水處理系統(tǒng)設(shè)計過程中，有關(guān)部門應(yīng)綜合考慮污染負荷、濕地面積、濕地床結(jié)構(gòu)、基質(zhì)材料及植被選擇等因素。只有綜合考慮各方面因素，才能保證人工濕地污水處理系統(tǒng)的科學(xué)性，才能使其在農(nóng)村生活污水處理中發(fā)揮更大的作用。

3.2.1 污染負荷與濕地面積的確定。為避免發(fā)生堵塞問題，有關(guān)部門需要嚴格控制農(nóng)村生活污水中的固體懸浮物濃度。通常情況下，應(yīng)將進水中的固體懸浮物濃度控制在50 mg/L 以內(nèi)，以便降低堵塞問題發(fā)生概率。對于人工濕地而言，其污染負荷并不固定，不同類型的人工濕地在污染負荷方面存在一定的差異。該村的人工濕地污水處理工程主要是預(yù)處理系統(tǒng)加水平潛流式人工濕地，潛流人工濕地的污染負荷在0.80～1.20 kg/hm2［8］。除此之外，有關(guān)部門在人工濕地污水處理系統(tǒng)設(shè)計過程中還要合理確定人工濕地面積。在設(shè)計過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)對農(nóng)村生活污水處理量做出科學(xué)評估，并以此為依據(jù)，綜合考慮水力負荷情況，再確定人工濕地面積，從而確保人工濕地的污水處理能力能夠滿足實際需求。工作人員應(yīng)根據(jù)水力負荷確定濕地面積，可以借助公式A=Q/Nq進行計算（公式中A為濕地面積，Q為污水流量，Nq為水力負荷）。由此可見，人工濕地的設(shè)計面積應(yīng)根據(jù)擬處理污水量和水力負荷確定。

3.2.2 濕地床結(jié)構(gòu)的設(shè)計。濕地床結(jié)構(gòu)是人工濕地污水處理系統(tǒng)的重要組成部分，是影響水力狀況的主要因素。有關(guān)部門在設(shè)計過程中應(yīng)合理確定濕地床的規(guī)格，既要做好濕地床結(jié)構(gòu)的長寬比設(shè)計，也要合理確定其坡度，同時要科學(xué)設(shè)計濕地床結(jié)構(gòu)的深度。在實際設(shè)計過程中，有關(guān)部門應(yīng)將濕地床結(jié)構(gòu)的長寬比控制在2 以上，將坡度控制在0.5%～1.0%，同時將其深度控制在0.2～1.2 m。除此之外，有關(guān)部門在人工濕地污水處理系統(tǒng)設(shè)計過程中還應(yīng)明確具體的布水方式，如果條件允許，應(yīng)盡量選用重力流的布水方式。采用這種布水方式不僅能夠節(jié)約能源和運行成本，而且能夠更好地保障排水順暢。有關(guān)部門在設(shè)計過程中還應(yīng)確保濕地出水口高程能夠人工調(diào)節(jié)，以便更好地控制濕地床體的水位，保證排水效果。確定人工濕地的水力負荷也是濕地床結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一。有關(guān)部門在設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)濕地的類型及污水量等確定水力負荷。相較于表面流式人工濕地，潛流式人工濕地的水力負荷更高。在該村的人工濕地污水處理系統(tǒng)中，水力負荷為0.1～0.2m3/m2·d。在這樣的水力負荷下，污水停留時間可以保持在0.5～7.0 d［9］。

3.2.3 基質(zhì)材料的選擇。基質(zhì)材料的選擇關(guān)乎人工濕地的污水處理效果，常用的基質(zhì)材料為礦砂、碎石、砂子等。如果選用的基質(zhì)材料養(yǎng)分不足，并且基質(zhì)材料的孔隙過大，則需要在基質(zhì)上覆蓋土壤，借助土壤提升基質(zhì)養(yǎng)分含量，同時填補孔隙。這既有助于發(fā)揮基質(zhì)的作用，也能為植物的生長創(chuàng)造有利的環(huán)境條件。有關(guān)部門在人工濕地污水處理系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)將基質(zhì)上覆蓋的土壤厚度控制在15～25 cm。這樣的土壤厚度能夠滿足植物生長需求。人工濕地污水處理系統(tǒng)的基質(zhì)類型較為多樣，不同類型的基質(zhì)對濕地也會產(chǎn)生不同的影響。因此，有關(guān)部門在設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合污水處理需求確定基質(zhì)材料類型。中性基質(zhì)材料通常不會對生物處理產(chǎn)生過大的影響；堿性基質(zhì)以礦渣為主，會對植物和微生物的生長產(chǎn)生一定的影響。因此，有關(guān)部門如果選用礦渣等堿性基質(zhì)，則需要對其進行預(yù)處理，以減少堿性基質(zhì)造成的影響。例如，在應(yīng)用之前可以對礦渣等堿性基質(zhì)進行充分浸泡，降低其堿性，使其趨于中性，從而減少對植物與微生物生長造成的影響。

基質(zhì)不僅會影響植物與微生物的生長，同時會對農(nóng)村生活污水的凈化效果產(chǎn)生重要影響，尤其對污水中的重金屬離子等的凈化效果產(chǎn)生的影響最大。為強化農(nóng)村生活污水處理效果，有關(guān)部門應(yīng)選用含有鋁、鐵、鈣等成分的基質(zhì)，借助其中的鋁、鐵、鈣等成分加快離子交換，提升污水凈化效果。但隨著時間的推移，基質(zhì)對重金屬等吸附作用會逐漸減弱。在吸附飽和的情況下，人工濕地的污水處理效果會隨之大幅度降低，此時便需要及時更換基質(zhì)材料。

有關(guān)部門不僅要合理選擇基質(zhì)材料，而且還要合理把控基質(zhì)粒徑。基質(zhì)粒徑是影響基質(zhì)層孔隙率的主要因素，同時會對人工濕地污水處理系統(tǒng)的水力傳導(dǎo)率產(chǎn)生重要影響。相較于大粒徑基質(zhì)材料，小粒徑基質(zhì)材料不僅孔隙率更低，而且有助于改善水流條件，同時起到促進植物根系發(fā)育的作用。但值得注意的是，選用小粒徑基質(zhì)材料更容易引發(fā)堵塞問題，而選用大粒徑基質(zhì)材料不僅有助于降低堵塞問題發(fā)生概率，同時能有助于保障水力傳導(dǎo)效果。因此，有關(guān)部門應(yīng)綜合考慮水力傳導(dǎo)、堵塞概率、植物生長、便于取材等因素，合理確定基質(zhì)材料粒徑。目前，應(yīng)用較多的基質(zhì)有土壤、砂子、礫石、碎石、爐渣、自然巖石與礦物材料等。以某村人工濕地污水處理工程為例，根據(jù)就地取材及便于后期維護的原則，設(shè)計人員采用砂子、青石子、大小粒徑碎石作為基質(zhì)材料［10］。

3.2.4 植物的選擇。水生植物在農(nóng)村生活污水凈化過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，合理選擇植物是保障人工濕地系統(tǒng)作用發(fā)揮的前提和基礎(chǔ)。人工濕地污水處理系統(tǒng)栽培的水生植物主要包括浮水植物、挺水植物、沉水植物三大類。有關(guān)部門應(yīng)結(jié)合人工濕地工程所在地的環(huán)境氣候特點合理選擇植物種類，同時應(yīng)綜合考慮建設(shè)成本、植物的美觀效果等。有關(guān)部門要確保選擇的植物能夠在pH 值變化大、水位變化大、溫度變化大的情況下生長，具備成活率高、抗污染能力強、污染物處理性能好等優(yōu)點。鄉(xiāng)土植物具有環(huán)境適應(yīng)性強、成活率高、抗病蟲害能力強等優(yōu)勢，同時便于取材，有助于節(jié)約建設(shè)成本。因此，有關(guān)部門應(yīng)盡量選擇鄉(xiāng)土植物。植物的種類應(yīng)控制在3～7 種，并確保所選的植物中有3 種為優(yōu)勢物種。在人工濕地污水處理系統(tǒng)設(shè)計過程中，有關(guān)部門可選用燈芯草、香蒲、蘆葦?shù)戎参铩＿@些植物不僅成活率高，而且繁殖能力強，同時其根系比較發(fā)達，有助于擴大污水處理面積和強化污水處理效果，十分適合在人工濕地中應(yīng)用［11］。以某村人工濕地工程為例，人工濕地介質(zhì)表層種植的植物分別為黃菖蒲（種植間距為15 cm）、水生美人蕉（種植間距為15 cm）、花葉蘆竹（種植間距為10 cm）。

3.2.5 水力狀況。不同的人工濕地類型，水位不同。通常表流人工濕地的水位在20～80 cm，而潛流人工濕地的水位通常處于土壤表面下方10～30 cm。但是無論采用哪種人工濕地類型，其水位均不固定。因此，有關(guān)部門應(yīng)結(jié)合污水量適當(dāng)調(diào)節(jié)水位。水位不同，污水處理效果也不相同。通常水位越深，污水處理效果越好，但在深度超過1.2 m 的情況下，污水處理提升效果降低。為保證農(nóng)村生活污水處理效果，有關(guān)部門應(yīng)將人工濕地深度控制在1.2 m左右。

4 結(jié)語

在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，農(nóng)村環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注。近年來，隨著農(nóng)村污水排放量的增加，農(nóng)村水環(huán)境、土壤環(huán)境不斷惡化。利用人工濕地進行污水處理具有成本投入少、操作簡便、處理效果顯著等優(yōu)點。為改善農(nóng)村環(huán)境，保障農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展，有關(guān)部門應(yīng)積極推廣應(yīng)用人工濕地處理農(nóng)村生活污水。