龍　泉，徐　威，王　恒，楊怡閣，吳　怡,2

(1. 四川省環(huán)境保護科學研究院，成都　610041;2. 四川省環(huán)境保護科學研究院四川省環(huán)境保護重金屬污染防治重點實驗室，成都　610041)

· 試驗研究 ·

人工濕地系統(tǒng)處理小型城鎮(zhèn)生活污水工藝研究
——以伏虎鎮(zhèn)為例

龍泉1，徐威1，王恒1，楊怡閣1，吳怡1,2

(1. 四川省環(huán)境保護科學研究院，成都610041;2. 四川省環(huán)境保護科學研究院四川省環(huán)境保護重金屬污染防治重點實驗室，成都610041)

小城鎮(zhèn)污水處理問題已成為我國新型城鎮(zhèn)化建設的一大掣肘，本研究針對四川省較為典型的北部丘陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理現(xiàn)狀，選取并設計了南充市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水的人工濕地處理工藝，其采用的工藝為：預調(diào)節(jié)池、四級“塘床結(jié)構(gòu)”潛流式人工濕地，重點考察了人工濕地出水中COD，氨氮和色度的去除效果，結(jié)果表明COD和氨氮的去除率分別達到69%～81%和46%～85%，并對人工濕地處理過程中的季節(jié)性效應作了分析，這對于四川省鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理工藝的選擇和應用提供了技術參考與實際工程實例。

潛流式人工濕地；生活污水；氮；水力負荷

1　前　言

1.1小城鎮(zhèn)污水處理現(xiàn)狀

小城鎮(zhèn)污水目前已成為農(nóng)村面源污染的主要源頭之一，同時也是我國城鎮(zhèn)化進程與農(nóng)村環(huán)境改善的重難點任務之一。根據(jù)《全國環(huán)境統(tǒng)計公報》2012年我國城鎮(zhèn)生活污水排放量462.7億噸，化學需氧量(COD)912.8萬噸，氨氮144.6萬噸，分別占排放總量的67.6%，37.6%和57.0%[1]，其中農(nóng)村集鎮(zhèn)污水處理率不到10%，約90%小城鎮(zhèn)生活污水直接排入河流和溝渠之中，未經(jīng)處理的生活污水對農(nóng)村環(huán)境已帶來了極大的環(huán)境壓力，但由于認識不足，在小城鎮(zhèn)層面上的環(huán)保處理方面幾乎處于空白狀態(tài)[2]。小城鎮(zhèn)污水處理普遍面臨污水處理量小，規(guī)模小、進水量與水質(zhì)時間波動大、地形差距大，管網(wǎng)建設與接入困難，污水收集系統(tǒng)不完善、區(qū)域化差距明顯，運行資金與技術要求較多等多方面問題[3]，在這種背景下，我國絕大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用低負荷活性污泥法，雖然能實現(xiàn)出水穩(wěn)定達標，但存在建設費用大、運行費用高、反應時間長、占地面積大等缺點[4]，對于處理規(guī)模較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村污水并不適用。因此，在關鍵技術的應用與推廣方面，還需要更多能夠操作的實用技術。

1.2人工濕地處理污水技術特點

人工濕地是由人工設計、建造并控制運行的與天然濕地類似的生態(tài)系統(tǒng)，它充分利用植物、微生物構(gòu)建復合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化，其投資低、運行維護簡單，對負荷適應能力強，且具有景觀生態(tài)的作用[5]。對于人工濕地來說，最大的特點在于系統(tǒng)內(nèi)水生植物發(fā)達的根系與基質(zhì)組成穩(wěn)定的生物系統(tǒng)為有機污染物的微生物降解提供了適合條件，大量生物膜的生長促進了污染物的削減，并且通過對水量的調(diào)節(jié)可以使根部地區(qū)形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)，為微生物培養(yǎng)提供了良好環(huán)境，利于硝化與反硝化作用進一步對污水進行脫氮除磷，促進污染物的多渠道降解。研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地對于COD、氮、磷、SS、某些重金屬和病原體等污染物的去除作用尤為突出，在進水濃度較低的條件下，對COD、BOD5的去除率可達80%以上，氮、磷去除率高于50 %，SS出水小于20 mg/L，該工藝在發(fā)達國家與發(fā)展中國家的生活污水處理中得到了較為廣泛的應用[6～8]。

四川省多為山地丘陵地區(qū)，整體經(jīng)濟水平不高，人口密度較低，且丘陵地區(qū)地勢起伏，缺乏適合修建人工濕地的大片平地。而潛流式人工濕地工藝使污水沿垂直方向流動，污水流程短，供氧能力強，硝化作用較為充分，相對占地面積小，可實現(xiàn)較大水力負荷長期運行，提高布水均勻性，尤其對于氨氮含量較高的生活污水有著較好的處理效果。作為近幾年發(fā)展起來的一項技術在小城鎮(zhèn)污水處理有著獨特的優(yōu)勢，是目前較為實用的工藝之一，但該技術在使用過程中多發(fā)生填料淤堵現(xiàn)象，在某種程度上限制了潛流式人工濕地的功效，目前還未有較為全面的解決辦法。

本文在對四川南部縣伏虎鎮(zhèn)污水產(chǎn)生的實際調(diào)研基礎上，針對傳統(tǒng)潛流式人工濕地易堵塞的問題，采用進水預處理手段，同時設計了多級“塘床結(jié)構(gòu)”的潛流式人工濕地處理工藝，避免了基質(zhì)系統(tǒng)淤堵問題，并通過伏虎鎮(zhèn)人工濕地工程研究了該工藝的實際處理效果，分析了該工藝的優(yōu)點與需要改進的問題，結(jié)果將對目前我國西南小城鎮(zhèn)污水處理的實用技術推廣，人工濕地的維護與穩(wěn)定運行提供實例參考。

2　材料與方法

2.1研究區(qū)域概況

伏虎鎮(zhèn)位于四川省南部縣、西充縣、鹽亭縣3縣交界處，地處唐巴公路(101線)干線中段，是南充市與綿陽市邊界區(qū)域，是該區(qū)域經(jīng)濟、文化、交通、商貿(mào)、交通中心，下轄4個居委會，19個行政村，總?cè)丝?.6萬人，其中城鎮(zhèn)人口近2萬。伏虎鎮(zhèn)人工濕地工程選址于鳳臺觀村的鐵板橋處，占地11.5畝，設計日處理污水量為1500噸，用于處理伏虎場鎮(zhèn)的生活污水。

2.2樣品采集與分析方法

課題組分別于2008年2月、6月、10月采集了濕地入口處、濕地出口處的水樣，現(xiàn)場加酸密封后，立即帶回實驗室冷凍(-20℃)保存。樣品色度、COD和氨氮指標按照國家標準《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[9]分別采用稀釋倍數(shù)法、快速消解分光光度法以及納氏試劑分光光度法進行分析，水樣中pH與水溫使用YSI-550A多參數(shù)探測儀現(xiàn)場測定。

2.3污水處理工藝

本人工濕地工藝主要采用潛流式人工濕地，濕地主要包括3個處理系統(tǒng)：

①預處理系統(tǒng)：庫容為2000 m3的預調(diào)節(jié)池及配水渠；其中設置格柵篩濾垃圾，預調(diào)節(jié)池為攔截天然河渠對污水作第一級沉淀處理，污水經(jīng)過配水渠進入進水槽，實現(xiàn)濕地系統(tǒng)的均勻布水。

②多級塘床處理系統(tǒng)：即前端為塘后端為床，體積比約1∶6～1∶7，每套塘床交替串聯(lián)，每一級塘床在同一池內(nèi)沿水流方向布設為“塘+床”結(jié)構(gòu)，每級塘床出水由水位控制器控制進入下一級塘床，最終形成四級塘、四級床的人工濕地處理系統(tǒng)。

③濕地基質(zhì)及生物系統(tǒng)：內(nèi)建8個植物塘和8個植物床。植物塘可起二次沉淀作用，植物塘和植物床中植物選擇因因地制宜，在植物床中選擇耐水、根系發(fā)達、多年生，氣溫耐受力強，吸收有機物、氮、磷能力強，且具有觀賞性和經(jīng)濟性的植物。根據(jù)以上原則，在植物塘內(nèi)種植鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、水浮蓮 (PistiastratiotesL.)、浮萍(LemnaminorL.)等浮游植物進行沉淀、過濾和生物吸收處理，并養(yǎng)殖一定數(shù)量的魚類；植物床內(nèi)放置大小規(guī)格不等的含鈣破口石(6～30mm)，通過配水管把污水引入植物床，在植物床內(nèi)種植蘆葦(Phragmitesaustralis)、蘆竹(Arundodonax)、香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(CannaindicaL.)進行凈化。

此濕地工程由兩套塘床系統(tǒng)并聯(lián)而成，每套系統(tǒng)內(nèi)部塘床交替串聯(lián)，最后一級出水匯入排水渠，最終排入地表河流。處理流程請見圖1。

圖1　伏虎鎮(zhèn)人工濕地工藝流程Fig.1　Process flowchart of wastewater treatment in constructed wetland of Fuhu Town

2.4運行方式

該人工濕地日處理水量約為1150～1400m3/d，采用自流式進出水，定期安排人員對沉淀池及人工濕地單元進行維護和清理，特別是堵塞人工濕地與進水溝渠中的雜草、腐敗植物殘體，垃圾進行清理，總體運行情況正常，出水水質(zhì)感觀良好。

3　結(jié)果與分析

3.1處理效果

由進水和出水的情況可以看出，濕地進水反映了該鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水基本以生活污水為主，未有其他畜禽養(yǎng)殖廢水混雜流入，水溫一年在3℃～23℃不等。在秋季的色度較高，pH值為中性偏弱堿性，基本保持不變，在經(jīng)過人工濕地處理后有不同程度的降低。如表1，表2。

表1　人工濕地不同季節(jié)進出水的物化參數(shù)變化

表2　人工濕地不同季節(jié)的處理效果

3.2潛流式人工濕地的效果

總體來看，COD進水主要體現(xiàn)出了鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水主要特點，COD一般在100～200mg/L之間，氨氮含量主要在15.9～27.54mg/L之間，由表1實際處理的數(shù)據(jù)來看，人工濕地對伏虎鎮(zhèn)生活污水的處理效果較好，出水水質(zhì)基本都達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918—2002 )》一級B標，該人工濕地工藝處理城鎮(zhèn)廢水效果比較明顯，COD和氨氮的去除率基本都達到了69%～81%，氨氮去除率46%～85%，出水色度也有較大的改善作用。

對比我國北方農(nóng)村地區(qū)的人工濕地，其運行過程中往往需要經(jīng)過沉淀、升降流、布水、跌水、集水、布水、集水、排放幾個過程，運行工藝上將一體化預處理系統(tǒng)與水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地以及景觀濕地結(jié)合起來[10]，既要考慮冬天結(jié)冰，又需考慮夏天基質(zhì)填料堵塞問題，工藝往往十分復雜和繁瑣。而針對西南丘陵區(qū)氣溫較高但地勢起伏不平，污水水量水質(zhì)不均的特點，對后期的處理來說盡可能解決負荷不均勻，處理效果波動大的缺點，因此為使污水流入量在一定時間內(nèi)均等，確保停留時間，在濕地前端設置容量較大的調(diào)節(jié)池，利用丘陵地區(qū)地形高差可修建多級塘床單元實現(xiàn)自流凈化，從而達到無動力、低能耗的目的。

潛流式人工濕地工藝污水在濕地床表面下滲流，兩級以上濕地串聯(lián)，處理單元并聯(lián)組成，水流在地表下流動，整個系統(tǒng)完全建在地下，處理能力高，適宜我國西南丘陵地區(qū)的氣候特點，耐沖擊負荷，有效抵抗水量和有機物的沖擊，運行效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)較好且操作靈活，流程簡單，造價低，對設備和處理設施的管理和維護要求較低，對于川西典型丘陵區(qū)小城鎮(zhèn)的污水處理有著較為實際的作用。

3.3季節(jié)性變化

采樣時間分別選擇了2月(冬季)，6月(夏季)和10月(秋季)進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，從圖2可看出該潛流式人工濕地的季節(jié)性處理效果差異。

圖2　伏虎鎮(zhèn)人工濕地處理生活污水效果Fig.2　Effect of constructed wetland on the wastewater treatment in Fuhu Town in different seasons

人工濕地仍存在冬夏季處理效果不均勻的現(xiàn)象，其季節(jié)性的變化影響COD和氨氮的去除率，可以看到溫度和季節(jié)性因子與人工濕地的運行效果有著較為密切的聯(lián)系。人工濕地建成并于冬季開始運行時，平均水溫約3℃，其COD進水濃度194 mg/L，而出水濃度約36 mg/L，而夏季在進水較之冬季減少的情況下，出水反而增加，究其原因，可能是濕地剛建成后納污容量較大，開始進水的污染物被塘床結(jié)構(gòu)的濕地系統(tǒng)所降解吸收，水力負荷較低，而夏秋季由于前級植物床中基質(zhì)出現(xiàn)不同程度的堵塞，提高了水力負荷，相應增加了有機物的負荷，增大了濾層的過流速度使得生物膜難以附著，起到降解消納作用，從而導致出水COD含量增高的原因。

秋季水量較大時氨氮去除率較低(僅為46%)，究其原因，可能是人工濕地在秋季運行過程中曾發(fā)生過堵塞現(xiàn)象，一度造成處理系統(tǒng)的斷流，大量泥土或高SS含量的進水沖入濕地系統(tǒng)堵塞了填料空隙，超過系統(tǒng)的緩沖能力，因此系統(tǒng)堵塞問題也是影響人工濕地處理效果的重要因素。

3.4工程效果對比

較之我國北方干旱地區(qū)采用地埋式一體化設施、多級復合式人工濕地系統(tǒng)[10]的工程案例處理場鎮(zhèn)生活污水，多級潛流式人工濕地對于有機物去除效果較為明顯，出水符合北京市水污染排放標準一級B限值，對于北方干燥氣候較為適用，但預處理系統(tǒng)對于氮、磷去除效果不理想，導致后端濕地系統(tǒng)堵塞情況較為嚴重，也是影響最終處理效果的重要原因之一。而華南亞熱帶地區(qū)應用生物法-人工濕地組合工藝處理工業(yè)園區(qū)混合污水[4]的研究中，COD去除率可達63.1 %，在采用垂直流、表面流、潛流式三級人工濕地在避免人工濕地堵塞的前提下減少了約44 %濕地面積。Neralla[11]在對美國Texas州8個居住區(qū)生活廢水發(fā)現(xiàn)，單級潛流式人工濕地結(jié)構(gòu)對于BOD5和氨氮有較好的去除作用，但對于病原菌的去除仍然顯得較為薄弱，該工藝作為生活污水的次級處理設施較為實用。與國內(nèi)外的人工濕地相比，本工程案例特點即在于增加初級預處理與沉淀系統(tǒng)，核心為利用丘陵地區(qū)的高差建設多級塘+潛流式床復合處理結(jié)構(gòu)，對有機污染物起到了良好的過濾和凈化作用，堵塞情況得到了較好控制，既節(jié)約了土建費用，運行過程又采用無動力自流式配水方式，管理較為方便，由此可見，串聯(lián)多級人工濕地工藝在西南丘陵地區(qū)低負荷的鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢水處理方面是較為實用的工藝之一。

4　結(jié)論與展望

針對西南丘陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理普遍存在的人口居住相對分散，污水收集、處理難度大的特點，建立了經(jīng)濟、簡便易用的污水處理工藝，該人工濕地 采用兩級預處理，四級串聯(lián)，二級并聯(lián)多級處理的潛流式人工濕地系統(tǒng)，結(jié)果表明：

4.1采用潛流式人工濕地技術處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水，廢水中有機物的去除效果較為明顯，出水水質(zhì)能滿足國家標準相關要求，同時運行成本低，維護管理要求不高，對于四川省丘陵地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水凈化處理是一種值得推廣的實用工藝技術。

4.2從實際處理的效果看，采用預處理系統(tǒng)與多級“塘床結(jié)構(gòu)”的伏虎鎮(zhèn)人工濕地在防止基質(zhì)堵塞方面取得了較好的效果，但在秋季也曾發(fā)生過堵塞現(xiàn)象，伴隨進水濃度的升高，造成了氨氮的去除率較之上半年度降低，系統(tǒng)堵塞問題也是影響人工濕地處理效果的重要因素，因此需要在夏秋轉(zhuǎn)換時期加強對前級植物床的清淤工作，避免基質(zhì)堵塞，提高人工濕地的利用率。

4.3相對于有機物的去除率，氮的去除率不高，并且受季節(jié)性影響較大，需進一步探尋人工濕地工藝中氮、磷等污染物的專門處理工藝，設置處理單元，以實現(xiàn)提高污水綜合處置率，進一步優(yōu)化和推廣人工濕地技術。

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Study on Sewage Wastewater Treatment by Constructed Wetland System——an Application of Fuhu Town

LONG Quan1, XU Wei1, WANG Heng1, YANG Yi-ge1, WU Yi1,2

(1.SichuanAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610041,China;2.SichuanEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofPollutionControlforHeavyMetals,Chengdu610041,China)

The treatment of wastewater generated in rural area is a problem for new urbanization of China. In order to control the pollution by sewage drainage, constructed wetland is one of the recently proven efficient technologies for wastewater treatment. In this paper, we have verified the applicability of subsurface-flow constructed wetland on the treatment of wastewater, by producing and monitoring a demonstration in the Fuhu Town, Nanchong City. This technology is mainly comprised of pretreatment system, four levels of “pond & bed” treatment units. The results showed that the removal efficiency of COD and NH3-N were 69%～81%, and 46%～85%, respectively, and the seasonal effect was discussed as well. This study could provide reference of wastewater treatment technology selection and good application demonstration for typical rural area in Sichuan Province.

Subsurface-flow constructed wetland; sewage; nitrogen; hydraulic loading

2015-04-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07104-003)項目資助。

龍泉(1970-)，男，四川成都人，高級工程師，注冊監(jiān)理工程師，注冊咨詢工程師,從事環(huán)境工程設計工作。

吳怡,yiwu@scaes.cn。

X703

A

1001-3644(2015)04-0007-05