潛流人工濕地對實際農村生活污水的凈化效果

楊貞武，鐘晨，周夢雨，胡玉潔

（1.葛洲壩集團生態環保有限公司，湖北 武漢 430000；2.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

引言

隨著經濟快速發展，農村水環境污染問題日益突出，農村水環境保護已然成為我國農村環境治理工作的重要內容。大多數農村地區缺少污水收集和處理系統，致使農村生活污水處理率普遍偏低，而未經處理的農村生活污水中含有大量有機物、氮和磷等污染物，直接排入水環境會造成受納水體富營養化，破壞水生態系統。我國農村生活污水主要有4 個特點，即①排污面大且排放點分散；②欠缺污水收集處理系統，處理率普遍較低且難以集中收集處理；③有機物和氮磷濃度高，可生化性較好；④水量波動大，總排放量小，但排放量會隨著生活質量的提高和生活習慣的改變快速增長。結合我國農村生活污水的特點，其凈化處理需要一種能耗低、價格低廉、操作管理簡便和處理效率高的污水處理技術。現有農村生活污水處理技術多為人工濕地、化糞池、浮床、厭氧凈化槽、穩定塘和土地快速滲濾等分散型污水處理技術[1]。而與其他分散式處理技術相比，人工濕地技術通常就地取材，施工及運營管理成本低，易于維護且處理效果好，是一種適應性強的農村生活污水處理技術。

20 世紀50 年代以來，人工濕地處理技術發展迅速，且已進入大規模工程應用階段。據統計，美國約有600 座人工濕地投入實際應用，主要用于處理工業、農業和城市污水；在歐洲，潛流人工濕地被廣泛使用，丹麥、德國和英國等國家人工濕地系統均多達200 余座[2][3]。我國人工濕地技術應用起步較晚，2010 年，廣東省廣州市茅崗村采用水平潛流+垂直流人工濕地處理農村生活污水，工程處理能力為200m3/d，系統運行穩定且出水水質可達一級B 標準[4]；2016 年，四川省廣安市岳池縣城南工業園區為了提高污水處理廠的出水水質，采用垂直流人工濕地處理城市污水處理廠的出水，設計處理能力為2.6 萬m3/d，出水水質可達地表水III 類水質標準[5]。

人工濕地技術應用于農村生活污水處理時面臨的填料易堵塞、基質填料施工強度大和脫氮除磷效率低等難點，制約了該技術的大規模推廣應用。本研究旨在探究潛流人工濕地系統處理實際農村生活污水的可行性，評估其對污染物的凈化效果，以期為人工濕地技術應用于農村生活污水處理提供更多參考資料。

1 材料與方法

1.1 潛流人工濕地構成及運行方式

試驗所采用的小試潛流人工濕地由有機玻璃構建而成，主要分為進水區、反應區和出水區，其中反應區尺寸為0.56m×0.28m×0.6m，填料層高度為0.55m；系統由時控開關控制蠕動泵進水，每天開啟4 次以實現間歇進水，同時采用電磁閥控制出水；人工濕地前端設置曝氣系統。潛流人工濕地裝置如圖1 所示。

圖1 潛流人工濕地裝置示意圖

人工濕地布水區設置溢流堰，布水區內填充直徑為40～80mm 的礫石，以防止反應區填料堵塞穿孔管。反應區選擇多種填料組合填充，從上到下依次為沸石（粒徑2～4 mm）、石英砂（粒徑2～8 mm）和礫石（8～16 mm）。為了防止不同填料層下沉，特別是顆粒較小的填料層下沉，填料層間采用2mm 不銹鋼網格隔開。本試驗濕地植物選用菖蒲，株間距為10～15cm，在秋季前進行收割。

小試潛流人工濕地系統主要包括進水池、格柵、初沉池、潛流人工濕地和出水池。進水先經由格柵去除污水中的漂浮物和較大顆粒物，再經過初沉池去除懸浮物，然后流入潛流人工濕地系統，最后排入出水池。試驗系統共運行136d，運行參數見表1。

表1 試驗系統運行參數

1.2 實際生活污水排放特征及典型水質

試驗所用的實際生活污水取自陜西省西安市某村，為了解其特點，連續監測1a 內該村所排放生活污水特征，如見圖2 所示。生活污水水質波動基本與居民作息時間相一致，主要集中于6:00～18:00；以月為基準，主要波動集中于春、夏2 個季節，這主要是由于該村居民多經營農家樂，春季、夏季客流量較大所致。試驗所用生活污水的平均水質指標同樣存在較大波動，但與典型生活水質基本一致，其月平均水質特性見表2。

表2 月平均水質特性

圖2 實際生活污水特征

1.3 常規指標測定方法

化學需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定；總磷（TP）和磷酸鹽（PO43--P）分別采用過硫酸鉀-鉬銻抗和鉬銻抗分光光度法測定；總氮（TN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法測定；懸浮物（SS）采用重量法測定。以上方法均基于《水與廢水監測分析方法》（第四版）。

2 潛流人工濕地系統的啟動

由于系統調試、作物適應等過程較為耗時，因而小試潛流人工濕地系統啟動期共36d。潛流人工濕地系統通常可根據COD 去除率判斷潛流濕地是否正常運行，倘若去除率相對穩定，則表示在此操作條件下系統啟動成功。

啟動期內小試潛流人工濕地系統COD 去除效果見圖3。在啟動期內，植株和微生物對環境逐漸適應，濕地基質填料表層和植物生長根系的間隙形成生物膜，待植物根系生長穩定后，COD 去除率得以穩步提升，結果顯示，第36d 時COD 去除率達90%，這說明系統運行逐漸平穩且處理效果良好。

圖3 啟動期COD 濃度及去除率

3 潛流人工濕地系統運行期凈化效果

3.1 COD 去除性能

穩定運行期內小試潛流人工濕地系統進、出水COD 濃度及去除率隨時間的變化特征如圖4 所示。受分散型生活污水水質波動較大的影響，小試潛流人工濕地系統的進水COD 濃度波動大，系統進水COD 濃度在160.5～289.34mg·L-1之 間，平 均 濃 度 為222.66mg·L-1；系統出水COD 平均濃度穩定在20.06mg·L-1，去除率可達91%。這表明，人工濕地具有良好的COD 去除效果，并且具有一定的抗沖擊能力。已有研究顯示，兩級垂直潛流-表面潛流濕地系統對實際農村生活污水的COD 去除率為50%～85%[6]。事實上，人工濕地系統的COD 凈化效果主要源自填料和植物根系的攔截吸附作用及微生物的降解作用，因而填料類型及級配、植物種類、環境條件等對COD 去除率具有顯著影響[7]。

圖4 穩定運行期COD 濃度及去除率

3.2 NH3-N 去除性能

穩定運行期進出水NH3-N 濃度及去除率變化見圖5。系統進水NH3-N 濃度波動性較大，而出水NH3-N 濃度相對穩定，平均出水濃度為1.05mg·L-1，平均去除率達94.51%，表明系統具有良好的氨氮去除能力。陶昱明等[8]采用AO 濾池+人工濕地組合工藝處理實際農村生活污水，TN 去除率達到65.76%。濕地系統中NH3-N 主要通過硝化細菌轉化為硝態氮和亞硝態氮，再在反硝化菌作用下通過反硝化過程轉為N2，從而在系統中脫除。溫度和pH 等環境條件均會顯著影響硝化菌和反硝化菌活性，因而人工濕地系統在運行時需調控環境條件以營造適宜功能菌生長的環境。與此同時，填料的物理和化學性質對NH3-N 的去除效果亦存在顯著影響。礫石對水中NH3-N 的去除率為58.9%[9]，天然錳礦石對NH3-N 的去除率可達65%[10]，農業廢料（如小麥秸稈、杏核和核桃殼）處理低碳氮比污水時NH3-N 去除率則可達到98.8%[11]。基質填料可借助吸附作用去除水中的NH3-N，但鑒于基其活性位點有限，故而通常難以長期參與污水中氮素的去除和凈化，轉而為微生物吸附、降解提供活動空間和附著載體。另外，人工濕地所用植物本身對NH3-N 的吸附作用較弱，其合成代謝對氨的消耗也無法與微生物脫氮作用相比，因而植物本身對NH3-N 的去除性能不占據主導作用。已有研究顯示，香蒲、四季鳶尾和睡蓮的綜合凈化效能最強，在高溫季節，花葉蘆竹對NH3-N 和COD 的去除效果欠佳[12]。不同植物所造成的凈化效果差異則可能來源于植物本身生長特性的不同，以及由生長特性所促成的與微生物聯合作用的差異。

圖5 穩定運行期NH3-N 濃度及去除率

3.3 PO43--P 及TP 去除性能

穩 定 運 行 期 進 出 水PO43--P、TP 濃 度及去除率變化見圖6，人工濕地系統中進水PO43--P 平均濃度為1.58mg·L-1，出水PO43--P 平均濃度為0.68mg·L-1，平均去除率為54.62%，出水PO43--P 平均濃度未滿足一級A排放標準，整體達標率僅為25%；人工濕地系統中進水TP 濃度仍波動較大，濃度范圍在0.94～2.95mg·L-1之間，進水TP 平均濃度為1.88mg·L-1，出水TP 平均濃度為0.97mg·L-1，平均去除率為47.93%，出水TP 濃度難以滿足一級A 排放標準。以上結果表明，人工濕地對PO43--P 和TP 的去除效果欠佳。

圖6 穩定運行期PO-P、TP 濃度及去除率

有研究采用水生蔬菜濾床串聯潛流人工濕地組合工藝處理農村生活污水尾水，試驗結果顯示TP 濃度亦難以達標[13]。究其原因，人工濕地除磷作用主要是通過濕地中植物、微生物降解和填料吸附相協調，包括植物根系的吸收攔截、填料的吸附以及微生物的降解轉化[14]。填料對磷的吸附在人工濕地除磷過程中起主導作用，且填料對磷的吸附速率快，但此吸附為不可逆物理過程，隨著時間推移終會達到飽和[15]。無機磷可作為植物的營養物質，能被植物的根系吸收，當植物被收割時磷也隨之從系統中去除，但植物吸收磷的速率慢且受環境條件影響較大。另外，反應區內聚磷菌具有厭氧釋放PO43--P、好氧超量吸收PO43--P 的生理特性，但需為其營造厭氧好氧交替的生長環境，因而在人工濕地系統中除磷貢獻率占比較小。曾倩[16]研究了煤渣、牡蠣殼和青石3 種材料作為人工濕地基質填料的除磷效果，研究顯示3種填料對TP 的去除率分別為80.67%、50.45 和62.37%。可見不同填料對磷的去除效果差異很大，人工濕地系統除磷效果不佳的主要原因可能為填料的吸附效果有限，因而后續研究應著重提升系統對PO43--P 的吸附作用，如采用改性填料，確保人工濕地對PO43--P 具有良好的去除性能。高鏡清等[17]采用鎂鹽和鋁鹽改性膨脹蛭石，其PO43--P 去除率可提升至97%以上，改性鋼渣和改性沸石對TP 的去除效率分別可達86.3%和78.8%[18]。綜上，選取經濟且性能優異的填料是維持人工濕地除磷性能的重要途經。

結論

潛流人工濕地系統對實際農村生活污水具有良好的凈化效果，在進水水質波動較大時仍能穩定運行。在表面負荷為0.035m3(m2·d)-1、HRT 為6d 時，COD 平均去除率達到91%，NH3-N 平均去除率達到94.51%，出水濃度均能滿足一級A 排放標準。潛流人工濕地系統對PO43--P 和TP 去除效果不佳，原因在于所用填料吸附作用有限，在實際應用中需特別注意提升系統對磷元素的去除效果，以滿足排放標準。因此，采用潛流人工濕地系統處理農村生活污水處理具有可行性，是分散式處理技術的理想選擇。