摘要：分析了農(nóng)村生活處理現(xiàn)狀以及基本特征,因地制宜地選擇和推廣具有投資少、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)管理方便的人工濕地及其組合工藝,是目前農(nóng)村污水處理的首選方式。闡述了人工濕地及其組合工藝凈化機(jī)理和設(shè)計(jì)原則，指出這項(xiàng)技術(shù)適合我國(guó)國(guó)情,尤其適合廣大農(nóng)村,中小城市的污水處理,具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水,人工濕地,凈化機(jī)理

　　1農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀

　　近年來(lái)國(guó)外的專家學(xué)者對(duì)農(nóng)村生活污水的處理越來(lái)越關(guān)注,農(nóng)村生活污水處理技術(shù)逐漸成熟,工藝呈現(xiàn)出多樣性。現(xiàn)階段,我國(guó)小城鎮(zhèn)污水處理率還不到10%[1],農(nóng)村地區(qū)生活污水的處理率更低,絕大部分生活污水未經(jīng)處理直接排放。國(guó)內(nèi)對(duì)農(nóng)村生活污水的治理隨著三河、三湖污染的加重才剛剛興起,但農(nóng)村生活污水治理工程較少,很多處理技術(shù)也僅僅處在示范研究階段。目前農(nóng)村生活污水的治理存在一個(gè)較大的難點(diǎn),即基建投資以及運(yùn)行費(fèi)用較大,農(nóng)村經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及技術(shù)力量很難滿足常規(guī)城市生活污水處理廠技術(shù)要求等[2]。因此,急需要開發(fā)高效、低能耗、低成本的污水資源化技術(shù),引進(jìn)適合我國(guó)國(guó)情的國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)與工藝,解決農(nóng)村生活污水污染問題[3]。

　　2農(nóng)村生活污水的基本特征

　　農(nóng)村生活污水是農(nóng)村居民在生活和家庭養(yǎng)殖等過(guò)程中產(chǎn)生的污水的總稱。農(nóng)村生活污水包括廚房炊事廢水(淘米洗菜用水、泔水等)、洗衣、洗浴和廁所污水、家養(yǎng)蓄禽糞便、廢水等。與城鎮(zhèn)生活污水相比,農(nóng)村生活污水無(wú)論是排放點(diǎn)分布還是排放量大小,無(wú)論是污染物濃度還是資源化需求都具有明顯特征。

　　(1)農(nóng)村人均用水量明顯低于城市

　　一般來(lái)說(shuō),農(nóng)村居民人均用水量明顯低于城市居民。居民生活用水包括居民家庭用水和“三產(chǎn)”服務(wù)業(yè)用水。在城市,“三產(chǎn)”服務(wù)業(yè)用水占市民生活用總量的30%以上。根據(jù)水利部公報(bào)顯示,2004年,我國(guó)城鎮(zhèn)人均生活用水量為每日212L(含公共用水),農(nóng)村居民人均生活用水量為每日68L。之所以出現(xiàn)如此差距主要就是農(nóng)村“三產(chǎn)”服務(wù)業(yè)明顯滯后于城市所致。此外，居民生活用水量與居民生活水平呈正比相關(guān)。一般來(lái)說(shuō),在目前情況下,村民生活水平與城市相比還是有較大差距的。因此,農(nóng)村居民生活用水量一般僅為城市居民生活用水量的30%左右。

　　(2)農(nóng)村生活污水排放系數(shù)明顯低于城市

　　對(duì)農(nóng)村而言,生活用水在某種意義上是一種資源。例如,廚房泔水就是家禽家畜的好飼料;衛(wèi)生清潔用水完全可以直接倒人附近農(nóng)田,既有一定肥力,還有抗旱潤(rùn)土之效。因此,真正需要處理的生活污水量(即排放系數(shù))并不高。在城市,生活污水排放系數(shù)一般為0.8左右,在農(nóng)村一般不到0.5。

　　(3)農(nóng)村生活污水污染物濃度低于城市

　　如前所述,農(nóng)村生活污水中濃度較高的部分如廚房泔水等一般都被綜合利用了,真正需要處理的生活污水污染物濃度并不高,且可生化性強(qiáng)[4]。

　　3人工濕地模式

　　廢水處理的目的是將廢水中有害、有毒物質(zhì)加以分離,另行處理或回收利用,或使有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)變成無(wú)毒物。處理方法大體可分為物理處理法、物化處理法及生化處理法。物理處理法包括自然沉降、浮選、過(guò)濾、蒸發(fā)等。物化法包括混凝沉淀、中和、氧化還原、萃取、吸附、離子交換、反滲透、電滲析。生化處理包括活性污泥、生物濾池、氧化塘、污水灌溉、濕地及人工濕地。其中人工濕地污水處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):1.建造和運(yùn)行費(fèi)用低:2.易于維護(hù),技術(shù)含量低;3.可進(jìn)行有效可靠的廢水處理;4.可緩沖對(duì)水力和污染負(fù)荷的沖擊;5.可提供和間接提供效益,如水產(chǎn)、畜產(chǎn)、造紙?jiān)稀⒔ú摹⒕G化、野生動(dòng)物棲息、娛樂和教育。

　　根據(jù)廢水流徑的方式,人工濕地可分為表面流濕地(SFW)、潛流濕地(SSFW)、立式流濕地(VFW)。表面流濕地與自然濕地最為接近,廢水在填料表面漫流,絕大部分有機(jī)物的降解由位于植物水下莖稈上的生物膜來(lái)完成,但這種類型未能充分發(fā)揮填料和豐富的植物根系的作用,衛(wèi)生條件也不好;潛流濕地是水在填料表面下潛流,充分利用整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同作用,且衛(wèi)生條件較好,占地小,處理效果較好;立式流濕地水流情況綜合了表面流濕地和潛流濕地的特點(diǎn),但其建造要求高,又易孳生蚊蟲。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統(tǒng)[5]。

　　3.1凈化機(jī)制

　　人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制得，與沼澤地類似得地面，它利益自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)及生化反應(yīng)三重協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化[6]。

　　物理作用,主要是過(guò)濾、沉積作用。土壤-植物是一個(gè)活的過(guò)濾器,污水進(jìn)入濕地, 經(jīng)過(guò)基質(zhì)層及密集的植物莖葉和根系,可以過(guò)濾、截留污水中的懸浮物,并沉積在基質(zhì)中。

　　化學(xué)反應(yīng),由于植物、土壤-無(wú)機(jī)膠體復(fù)合體、土壤微生物區(qū)系及酶的多樣性, 人工濕地中可以發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如化學(xué)沉淀、吸附、離子交換、拮抗 、氧化還原反應(yīng)等,這些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生主要取決于所選擇的基質(zhì)類型。一般而言,含有機(jī)質(zhì)豐富的基質(zhì)有助于吸附各種污染物;含CaCO3較多的石灰石有助于磷的去除 。

　　生化反應(yīng),對(duì)于去除有機(jī)污染物主要依賴于系統(tǒng)中的生物。首先,所有人工濕地都類似于附著生物膜的反應(yīng)器,有機(jī)物質(zhì)被填料吸附后, 可以通過(guò)生物的同化吸收和異化分解去除。其次,根據(jù)德國(guó)學(xué)者KickuthR.1977年提出的根區(qū)法理論,由于生長(zhǎng)在濕地中的挺水植物對(duì)氧的運(yùn)輸、釋放、擴(kuò)散作用,將空氣中的氧轉(zhuǎn)運(yùn)到根部,再經(jīng)過(guò)植物根部的擴(kuò)散,在植物根須周圍微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū),有利于硝化、反硝化反應(yīng)和微生物對(duì)磷的過(guò)量積累作用,達(dá)到除氮、磷效果,另一方面通過(guò)在厭氧條件下有機(jī)物的降解、或開環(huán)、或斷鍵成簡(jiǎn)單分子、小分子, 提高對(duì)生物難降解有機(jī)物的去除效果。因而生化反應(yīng)對(duì)凈化污水起重要作用。

　　3.2污染物的去除

　　人工濕地去除污染物的范圍廣泛,包括N、P、SS、有機(jī)物、微量元素、病原體等。

　　1)氮的去除

　　人工濕地處理系統(tǒng)對(duì)氮的去除作用包括基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀以及氨的揮發(fā)、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生長(zhǎng)的必需元素,廢水中的無(wú)機(jī)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(zhì),最后通過(guò)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(zhuǎn)化成NH3后,以氣態(tài)的形式揮發(fā)到大氣中。

　　微生物的硝化、反硝化作用對(duì)氮的去除起重要作用。根據(jù)根區(qū)法理論,人工濕地植物中根毛的輸氧,根區(qū)附近濕地土壤中連續(xù)出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài),為自養(yǎng)型好氧微生物亞硝酸菌、硝酸菌和異養(yǎng)型微生物反硝化細(xì)菌大量的存在提供了條件,使要求好氧條件的硝化反應(yīng)和要求厭氧的反硝化反應(yīng)可以同時(shí)完成。另外,對(duì)硝化反應(yīng)有抑制作用的是NH3-N、重金屬、氰化物及有機(jī)物,人工濕地對(duì)這些物質(zhì)也有一定的去除作用。因此人工濕地比一般污水處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的氮處理效率。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果[7],人工濕地中氨化細(xì)菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數(shù)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(chǔ)和潛力。

　　2)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(yíng)養(yǎng)化的限制性元素,含量過(guò)高時(shí)又可造成藻類過(guò)度繁殖而成富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài) 。廢水中磷的存在形態(tài)取決于廢水中磷的類型,最常見的是磷酸鹽(包括H2PO4、HPO4、PO3-4)、聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽。人工濕地對(duì)磷的去除作用包括基質(zhì)的吸收和過(guò)濾、植物吸收、微生物去除及物理化學(xué)作用。基質(zhì)中的吸收和過(guò)濾對(duì)無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)磷和吸收無(wú)機(jī)氮一樣,都是在吸收同化作用下, 將無(wú)機(jī)磷變成植物體的組成部分,最后通過(guò)植物收割去除。

　　微生物對(duì)磷去除包括對(duì)磷的正常吸收和對(duì)磷的過(guò)量積累,由于人工濕地根區(qū)附近土壤中不同的含氧狀態(tài)而相當(dāng)于許多A-A-O處理單元,使某些細(xì)菌種類在厭氧條件下吸收低分子的有機(jī)物(如脂肪酸),同時(shí)將細(xì)胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來(lái),提供必需的能量,又在好氧條件下,氧化所吸收的有機(jī)物,并提供能量,同時(shí)從廢水中吸收超過(guò)其生長(zhǎng)所需的磷,并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細(xì)胞的內(nèi)含物而被貯存起來(lái),因此人工濕地有較高的除磷效果。

　　3)有機(jī)物的去除

　　人工濕地對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力 ,廢水中的不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地沉淀、過(guò)濾作用,從廢水中截留下來(lái)而被微生物利用;可溶性有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過(guò)程被去除。有關(guān)研究結(jié)果表明,在進(jìn)水濃度較低的條件下,人工濕地對(duì)BOD5的去除率可達(dá)85%~95%,COD去除率達(dá)80%以上,處理出水中BOD5的濃度在10mg/L左右,SS小于20mg/L[8]。廢水中大部分有機(jī)物作為異養(yǎng)微生物的有機(jī)養(yǎng)分,最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、H2O。

　　3.3人工濕地的構(gòu)造

　　絕大多數(shù)自然和人工濕地由五部分組成:1.具有各種透水性的基質(zhì),如土壤、砂、礫石;2.適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長(zhǎng)的植物,如蘆葦;3.水體(在基質(zhì)表面下或上流動(dòng)的水);4.無(wú)脊椎或脊椎動(dòng)物;5.好氧或厭氧微生物種群。

　　濕地系統(tǒng)正是在這種有一定長(zhǎng)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(dòng)或在床體表面流動(dòng) ,并在床體表面種植具有性能好、成活率高、抗水性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物(如蘆葦、蒲草等)形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng),對(duì)廢水進(jìn)行處理。

　　其中濕地植物具有三個(gè)間接的重要的作用:1.顯著增加微生物的附著(植物的根莖葉);2.濕地中植物可將大氣氧傳輸至根部,使根在厭氧環(huán)境中生長(zhǎng);3.增加或穩(wěn)定土壤的透水性。

　　植物通氣系統(tǒng)可向地下部分輸氧,根和根狀莖向基質(zhì)中輸氧,因此可向根際中好氧和兼氧微生物提供良好環(huán)境。植物的數(shù)量對(duì)土壤導(dǎo)水性有很大影響,蘆葦?shù)母伤蓜?dòng)土壤,死后可留下相互連通的孔道和有機(jī)物。不管土壤最初的孔隙率如何,大型植物可穩(wěn)定根際的導(dǎo)水性相當(dāng)于粗砂2~5年。

　　而土壤,砂,礫石基質(zhì)具有:為植物提供物理支持;為各種復(fù)雜離子、化合物提供反應(yīng)界面,為微生物提供附著。水體為動(dòng)植物、微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[9]。

　　3.4人工濕地應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理的設(shè)計(jì)原則

　　1)工藝簡(jiǎn)單

　　農(nóng)村地區(qū)的污水處理具有缺乏專業(yè)技術(shù)管理人員和要求運(yùn)行費(fèi)用低廉這個(gè)特點(diǎn)，人工濕地系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就在于其簡(jiǎn)單性。通過(guò)預(yù)處理、曝氣、回流以及其他機(jī)械方法來(lái)改善濕地性能將在一定程度上失去濕地技術(shù)簡(jiǎn)單性的優(yōu)勢(shì)。所以在工程設(shè)計(jì)中理想的人工濕地系統(tǒng)是充填礫狀介質(zhì)、沒有移動(dòng)顆粒及只需要太陽(yáng)能和簡(jiǎn)單的管理。較大的濕地系統(tǒng)可以考慮一些輔助設(shè)備，只有針對(duì)特殊水質(zhì)要求時(shí)才值得考慮附加設(shè)置曝氣池等處理工藝的復(fù)雜濕地系統(tǒng)。

　　2)大系統(tǒng)分區(qū)

　　較大的人工濕地應(yīng)該分區(qū)分成幾個(gè)平行的單元，這樣可以利于流量分配。同時(shí)利于植物管理和植物病蟲危害防治。另外床體的長(zhǎng)寬比影響氨的去除效果，一般可采用較大的長(zhǎng)寬比。

　　3)植物選種鄉(xiāng)土性

　　充分重視鄉(xiāng)土品種的生態(tài)特性，不宜在未考慮當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件下盲目引進(jìn)外來(lái)物種。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)刂参镌谌斯竦叵到y(tǒng)中的應(yīng)用研究，了解植物對(duì)水力、營(yíng)養(yǎng)及其他因素的物種特性，并加以充分利用來(lái)提高人工濕地的凈化效率。同 時(shí)也應(yīng)關(guān)注濕地的生物多樣性。

　　3.5人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水設(shè)計(jì)流程

　　1依據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)資料，選擇適宜的工藝系統(tǒng)。2進(jìn)行濕地物種挑選試驗(yàn)，為了考核物種對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境的適應(yīng)性及對(duì)污水的凈化程度。對(duì)所挑選的物種要進(jìn)行2個(gè)試驗(yàn)：一是試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。考察植物在特定的環(huán)境中的適應(yīng)性、生存能力分析植物對(duì)污染物的吸附能力和最佳吸附時(shí)間。二是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。考察內(nèi)容與上一環(huán)節(jié)類似，并為工程的具體實(shí)施提供基本工藝參數(shù)。特別注意植物在當(dāng)?shù)厥欠裼猩锴趾Φ默F(xiàn)象。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　目前,我國(guó)絕大部分城市污水廠均采用傳統(tǒng)的二級(jí)活性污泥法處理工藝。這種工藝工程投資高,耗能大,運(yùn)行管理要求高,對(duì)控制大城市的水環(huán)境污染起到了關(guān)鍵作用。然而由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高,能源短缺,許多地方,尤其中小城市和鄉(xiāng)村缺乏具有一定操作管理和技術(shù)水平的人員。同時(shí)我國(guó)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅猛發(fā)展,對(duì)當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的環(huán)境污染。因此在我國(guó)大力開發(fā)具有高效、簡(jiǎn)易、低耗的污水處理技術(shù),具有很大意義。

　　人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng),具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡(jiǎn)單、投資省、耗電低、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn),它應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理,結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則,在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下,充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力,防止環(huán)境的再污染,獲得污水處理與資源化的最佳效益。它具有環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益,是一種較好的廢水處理方式,比較適合于處理水量不大、水質(zhì)變化不很大,管理水平不很高的城鎮(zhèn)污水,如我國(guó)農(nóng)村中、小城鎮(zhèn)的污水處理。人工濕地作為一種處理污水的新技術(shù)有待于廣大環(huán)境工作者結(jié)合各個(gè)地區(qū)的實(shí)際情況,積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),制定出一定的設(shè)計(jì)規(guī)范,以促進(jìn)它的推廣和應(yīng)用。

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