人工湿地在农村生活污水处理的运用

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摘要:农村生活污水处理是落实乡村振兴战略的必要举措。由于维护简单、运行费用低廉等优势，人工湿地在世界各国的农村污水处理中得到广泛应用。我国近年来颁布了多部相关国家规程和地方标准，使人工湿地的设计实施有据可依，但在人工湿地所需的预处理工艺、出水排放标准、单元尺寸计算参数、冬季运行措施等方面仍未形成统一规范。系统论述了人工湿地在农村污水处理中的发展历史、应用现状、工艺组合和面积计算等，并展望其未来发展方向，为进一步研究和应用提供参考。

关键词:人工湿地;农村污水;排放标准;工艺组合;应用进展

1农村污水人工湿地应用现状

利用湿地生态系统处理污水的理念在世界各国古已有之，中国的桑基鱼塘系统就是其中的典型代表。自1952年德国科学家Seidel开始进行工程化的人工湿地研究以来，人工湿地技术在欧洲、北美洲、南美洲、亚洲、大洋洲、非洲均陆续得到应用。由于低成本、生态理念符合当地土著文化价值等原因，人工湿地在新西兰的村庄污水处理中发展迅速，除了处理生活污水外还用于处理农场的乳制品加工废水、削减农业面源污染等［7］。世界银行对尼加拉瓜、萨尔瓦多、秘鲁、哥伦比亚、巴西等国示范工程的净化效果进行跟踪分析后，认为人工湿地处理效果稳定、成本低廉，对于中小社区是可行的污水处理技术，但应由专业人员设计，并对本地运营团队进行专业培训［9］。欧美国家对于人工湿地的应用相对起步更早、研究更深入。欧洲有超过50000座人工湿地用于污水处理［3］，大部分人工湿地位于乡村或小城镇，用于中小规模的生活污水处理。英国广泛采用人工湿地用于原有农村污水站点出水的深度净化，并成立了人工湿地协会，建立了由超过900座人工湿地组成的数据库［10］。据Molle等［11］统计，法国有超过500座农村污水人工湿地，采用垂直潜流湿地为主的工艺，净化效果稳定。人工湿地在气候寒冷的波兰也有超过30a的应用历史，其中大部分人工湿地用于小于5m3•d－1的单户农村生活污水处理［12］。英国、法国、意大利、德国、丹麦、捷克等国相继颁布了用于分散型生活污水处理的人工湿地设计规范［7］。北美则建成了超过10000座人工湿地，且从南到北均有分布，仅在美国肯塔基一州就有超过4000个用于单户生活污水处理的潜流人工湿地［7］。目前，北美洲有大量从事人工湿地研究的科研人员，并建立案例数据库，为该领域的进一步发展创造了良好的条件。我国污水处理人工湿地研究工作始于1987年，在天津、北京等地建成了试验工程［13］。2004年以来，人工湿地在我国进入快速发展期，截止2015年，我国有公开文献报道的人工湿地工程超过700个［12］。人工湿地在我国的应用不论是处理规模还是污水类型都向多元化发展。处理规模方面，有设计处理量25万m3•d－1的地表水净化湿地［14］，也有10m3•d－1以下的农村污水湿地［12］。在污水类型方面，人工湿地已用于处理包括生活污水、河湖水、垃圾渗滤液等多种类型的污水［12］。由于我国环境问题复杂、人口密度大、土地资源稀缺等特点，我国人工湿地研究为该技术的规模化、精细化发展提供了创新视角和数据支撑。农村污水处理人工湿地在我国各省市均有报道。由于各地污水特点和建设条件不同，具体技术路线也有所差异。郝目远等［6］针对北京市农村地区现状，对几种常用技术进行对比研究，认为“地埋式一体化生物接触氧化法+生态处理法”组合模式适合当地情况，且能够满足水污染物排放标准［15］的要求。任占军等［16］调查了北京平谷区农村污水运行情况，发现MBR、A/O等工艺占比一半以上，但在运行1～3a后均因运维费用高、管理要求程度高等原因而停止运行，而人工湿地工艺由于运维管理简便，成为平谷目前应用最好的工艺。吴昊等［17］对江苏省太湖流域6000余套农村污水处理设施进行走访，在100余种工艺中筛选出4种运用较广泛的工艺进行分析，其中3种工艺运用了人工湿地处理单元。经分析，“厌氧产沼气－缺氧反硝化脱臭－跌水充氧接触氧化法－人工湿地”技术的初期建设成本略高，但处理效果稳定，COD(chemicaloxygendemand)、总氮(TN)、总磷(TP)及氨氮(NH+4-N)的去除率均达到80%以上，且运行成本不到A/O工艺的1/4。徐志荣等［5］对浙江67个县的386座农村生活污水处理设施进行了统计，其中厌氧+人工湿地工艺应用最多，占比44．8%。据杨磊三等［18］统计，广州地区农村污水设施中，60%采用人工湿地，出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级B标准［19］。广东省郁南县也将厌氧处理－人工湿地污水处理设施作为农村环境综合整治的重点建设内容［20］。覃玲玲［21］对广西玉林市的两处村庄污水设施进行了分析，指出其应用的潜流人工湿地－表流人工湿地－生态塘工艺流程，既达到了污水净化目标，又可形成特色农村生态景观，为农村居民提供休闲娱乐的场所。海南省琼中县对于没有畜禽养殖的普通自然村，推广预处理设施－生态湿地的分散处理模式，出水水质可达一级A标准［22］。

2人工湿地及预处理单元的工艺组合

对于人工湿地在污水处理流程中的工艺定位，或称人工湿地对预处理的要求，当前业界观点不一。在北美和欧洲，一般将潜流人工湿地用于处理经化粪池或沉淀池预处理后的生活污水，即作为二级处理工艺。在法国的农村污水处理中，甚至直接将未经预处理的生活污水排入潜流人工湿地中，即在人工湿地中同时进行一级和二级处理过程［10］，这种不需预处理的人工湿地运行已超过30a，处理效果良好。但应认识到，欧美农村用地充裕，通常采用3～5m2•PE－1的人工湿地面积(即单位服务人口的湿地面积)，大约相当于吨水占地面积15～50m2，这在我国的很多地区难以实现。而当采用显著低于上述处理面积的人工湿地直接处理污水时，容易出现基质堵塞、出水恶化等问题。因此，在用地满足要求的情况下，人工湿地可以作为农村污水处理主工艺，如前述北京平谷、广东郁南等一些条件允许的村落以人工湿地作为主处理单元，取得了良好的效果［16，20］。相关规范也明确，化粪池、沉淀池等均可以作为人工湿地的预处理设施，并非只有经过二级处理的污水才适合采用人工湿地进行净化。但在用地紧张的情况下，从技术经济角度考虑，人工湿地更适宜作为深度净化单元。部分农村污水人工湿地工程工艺组合及运行情况见表1。当前，活性污泥法二级处理+人工湿地深度净化的工艺流程目前已成为市政污水厂提标改造的常用方法。这种工艺组合同样适用于处理水量较大的集中村落，但对于分散村落的适用性值得商榷。活性污泥工艺可控性高，但能耗高、对运营人员要求高;人工湿地耗能低、运行简便，但占地大，且有植物收割处置的运营需求。因此，若将两种工艺结合，对于农村分散污水处理而言，既需要专业污水处理运营，又要进行湿地绿化维护，造成运营工作量加倍。因此，建议针对分散型农村污水处理，优先采用单一的好氧生物处理技术或厌氧预处理+生态处理技术，从而最大化地发挥两种方法各自的优点。

3人工湿地设计标准化进展

人工湿地技术在发展初期缺乏统一实施标准，缺乏成熟运维模式等问题，导致部分项目后期运行效果不佳。住建部与原环境保护部分别于2009年、2010年出台了《人工湿地污水处理技术导则》与《人工湿地污水处理工程技术规范》两部规范，有力地推进了技术应用，但未针对不同地域对具体单元设计进行参数制订［25］。张涛等［26］指出，《人工湿地污水处理工程技术规范》尚不能满足农村污水实际工程的需要，还需要不断完善相关设计参数。近年来，各省市结合地方实际情况相继颁布了人工湿地相关设计规范、规程等，内容也随着应用经验积累而不断细化。例如，上海市《人工湿地污水处理技术规程》(DGTJ08—2100—2012)［27］对于30000人以下镇和村的生活污水处理工程，针对不同指标推荐了典型工艺组合，给出了较详细的污染负荷参考取值，并对湿地单元构造附图说明。北京市《农村生活污水人工湿地处理工程技术规范》(DB11T/1376—2016)［28］则针对农村污水人工湿地规定了主要技术参数，提出了参考污染物去除率，并提出了冬季防冻设计要求。《浙江省生活污水人工湿地处理工程技术规程》(DB33/T868—2012)［29］对于30000m3•d－1以下的生活污水处理，规定了湿地进水限制，提出了COD、NH+4-N、TP的污染负荷取值;并对各部分设计、建造、验收、管理规定了较明确的做法。山东、云南、河南等地也颁布了人工湿地处理规范，主要用于污水厂尾水、农田径流等低污染水的处理。规范的出台使人工湿地工艺选择、面积计算等有据可依，部分规范参数见表2。当前规范参数取值主要基于前期经验确定，参数区别较大。例如，CJJT54—2017［30］推荐在Ⅱ区(年平均气温8～16℃地区，如北京)设计潜流湿地采取1．5～2．5g•m－2•d－1的NH+4-N负荷;北京市地方规范［28］推荐取值则为2．5～8g•m－2•d－1，相差数倍。在配水设计、填料粒径选择等细节方面，大部分规范仅提出建议，没有做严格的规定。此外，针对农村生活污水人工湿地小水量、波动性大等特点的技术做法规定较少。随着技术持续推广和工程后评估研究的开展，预计规范还将进一步进行完善和修订。与丹麦、德国等地的设计规范［31］对比发现，欧洲设计规范主要以服务人口计算湿地面积，污染负荷取值仅为辅助，且对营养盐污染负荷涉及较少，在我国的工程中无法直接套用。德国人工湿地规范针对农村污水处理，按一级处理、二级处理、深度处理分类，对人工湿地的填料种类、粒径分布、配水频率、预处理池容等均做出了详细的规定，基本实现了技术标准化，但同时也削弱了灵活性。

4农村污水人工湿地出水指标制订进展

由于农村污水处理设施水量小、位置分散、管理水平较低，对其出水指标的要求不宜照搬大型市政污水处理厂的严格标准。据徐志荣等［5］统计，浙江省各县市在2015年执行的农村污水COD排放限值从50到200mg•L－1不等，未形成适合农村环境实际情况的标准体系。2017年以来，我国部分省市相继颁布了农村污水排放标准。表3对国内外有代表性的排放标准进行对比。从表3可以看出，除个别环境敏感区域外，英国、美国、丹麦对农村污水处理的排放指标要求接近我国城镇污水处理厂污染物排放标准［19］规定的二级处理标准，且对NH+4-N、TP等营养盐的都未做要求。而日本对BOD排放标准较严，接近我国地表水环境质量标准［39］规定的地表水Ⅴ类，对TP的规定类似我国一级B标准。我国各地的农村污水排放标准区别较大，有的接近二级处理标准要求，有些地区则要求达到地表准Ⅳ类水质，且大多对氮磷营养盐提出了限制。综合来看，我国标准严于欧美国家。目前，大部分省市还未颁布针对农村污水的排放标准。王洪臣［3］和徐志荣［5］提出，应该针对受纳水体的环境容量制订排放标准，同时，应认识到农村污水设施运行的“免操作”“少监测”需求，适当减少考核指标，并对TN、TP等指标适当放宽要求。在农村污水项目特点的限制下，现有处理技术是否能实现稳定达标也成为标准制定的重要因素。石磊等［40］对北京市平谷区陈庄子污水处理人工湿地进行了运行数据分析，发现经隔离沉淀池－潜流人工湿地工艺处理后，出水COD、NH+4-N、TP平均值基本达到当地排放标准，即地表Ⅳ类水平，但抽样达标率仅为80%。采用其他工艺的分散污水处理设施也面临同样的波动性问题。因此，建议对农村污水排放不宜采用实时或逐日监测的严格考核制度，而应强调其长期的污染削减效果。

5人工湿地低温运行效果及保证措施

冬季低温条件下，微生物对污染物的降解作用和植物的吸收作用均明显低于其他季节。因此，不论是传统生化处理技术还是人工湿地技术，均面临冬季处理效率下降的问题，其中又以氮的去除过程受影响最大。Wang等［41］将寒冷地区的45座人工湿地与温暖地区的58座人工湿地进行对比，发现两组人工湿地的BOD、COD、TP去除率没有显著差异;寒冷地区人工湿地对NH+4-N的去除率低于温暖地区，但平均去除率仍达到40%以上。因此，在占地等条件允许的情况下，人工湿地仍是寒冷地区农村可选择的技术之一。人工湿地在我国北方寒冷地区也有应用和研究，但由于温度影响和北方农村经济水平的限制，其进展较缓于气候温暖地区。陈晓东［42］以沈阳大孤家子镇400m3•d－1的污水处理系统为例，研究认为厌氧预处理+潜流人工湿地的工艺路线适用于沈阳的农村污水特点，冬季运行可靠，出水可达到城镇污水处理厂污染物排放标准［19］中二级标准。《辽宁省农村生活污水处理技术指南(试行)》(征求意见稿)［43］中提出，潜流人工湿地适用于资金短缺、土地面积相对充足的农村地区，但处理效果受季节影响。当前，为保障人工湿地低温运行效果，通常采用以下几种方法。一是采取保守设计［44］，即较小的处理负荷、较长的停留时间，以补偿冬季净化效率降低的影响;二是采用单元内保温措施，如在表流湿地利用挺水植物截留降雪形成保温层、在潜流湿地表面铺设秸秆层等［5］;三是采用单元外保温措施，如拉萨市甘曲湿地采用了外设钢架玻璃温室的方法［45］;四是设置额外存储池容，如吉林通化的一处农村污水人工湿地，冬季仅储存污水不排放，其他三季处理后排放［46］。夏秋季出水水质基本可以达到一级A标准，春季对冬、春两季污水合并处理，出水水质基本可以达到一级B标准。

6展望及建议

“十二五”以来，人工湿地技术在我国农村生活污水处理中得到了广泛的应用，针对该技术的研究和规范制订也得到了长足的进步。结合国家水污染防治行动计划的相关要求，认为在人工湿地处理农村污水方面，以下几个方面还需要重点关注和研究:一是针对用地受限的地区，如何通过强化手段，提高单位面积处理负荷，实现人工湿地的小型集约化;二是针对不同的受纳水体开展设计、运维研究，尤其是对环境敏感、排放标准严苛地区开展深度净化稳定达标技术的研究;三是针对水量小、波动性大的农村污水人工湿地，研究建立适宜的设计、施工、运维体系，使其与项目管理模式相适应;四是对人工湿地的详细设计进行归纳优化，形成类似于传统给排水工程的设计手册;五是人工湿地资源循环技术研究，包括肥水资源利用、植物秸秆的回收利用等。

作者:林卉 姜忠群 冒建华 单位:北控水务(中国)投资有限公司