垂直流人工湿地处理农村污水的探讨
摘 要:论述了人工湿地净化的机理以及垂直流人工湿地的设计方法，通过工程实践证明，采用该方法处理农村污水具有投资省、运行简便、处理效果稳定、操作简便、出水水质好能达标排放等诸多优点 ，可作为农村污水处理的优选方案。
关键词:人工湿地;农村污水;湿地设计
引言
由于大量农药化肥的使用和农村生活污水的无序排放，目前农村很多河流和湖泊都出现了不同程度的水质恶化，有些水体已出现明显的富营养化。解决好面源污染为主的农村污水处理问题是当前建设新农村的一项重要任务，寻找一种经济可行的农村污水处理工艺是急待解决的问题。
人工湿地系统是上世纪七十年代发展起来的污水处理新技术之一，由于具有高效的去除水体中的氮磷营养及有机物的能力，出水水质可达到或超过常规二级处理水平，且基建投资及日常运行费用比常规二级处理厂低得多，因而逐步被广泛应用于城镇污水、畜牧业、食品业和矿山等工农业废水的处理 。
1 人工湿地净化机理
人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统可通过更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。
2 人工湿地的预处理系统
由于实际污水中含有漂浮物、砂子、SS等易对人工湿地系统造成堵塞，使人工湿地系统失去净化功能，因此污水进入人工湿地处理系统前的预处理显得尤为重要。一般预处理系统采用一级强化处理，如沉淀过滤等方法，可将大部分的漂浮物、砂子、SS去除，保证进入人工湿地系统废水中的SS<80mg/L。
3 人工湿地系统的设置
3.1 人工湿地的工艺类型
人工湿地是独特的土壤-植物-微生物-动物生态处理系统。按水流方式分为表面流湿地和潜流湿地。表面流湿地投资低，但占地大，处理负荷较低，易产生恶臭、蚊蝇等二次污染，低温时尚需进行独特的处理，目前已很少采用。潜流湿地分为水平潜流湿地和垂直潜流湿地。水平潜流湿地供氧较差，适于去除SS和BOD，但氨氮的去除效果较差。垂直潜流湿地供氧好，占地小，适于去除有机物和氨氮及磷。垂直复合流人工湿地是近年兴起的新型湿地污水处理技术。
垂直流人工湿地系统是由下行池和上行池组成，经沉淀预处理的污水首先流入位于下行池填料表面的多孔布水管，使进水均匀分布在池中的填料层，污水自流进入上行池底部；水流自动淹没填料层，经池面水生植物的根系形成的生物膜的吸附和降解作用后，再由位于填料层表面的多孔集水管均匀收集后排出。
3.2 垂直流人工湿地设计
垂直流人工湿地的设计主要包括面积设计、集配水系统设计、填料的选择设计、植物物种的选择、防渗设计、通气设计及一级预处理系统设计。
3.2.1 面积设计
首先场地应尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地。设计深度从1000～2000mm不等，一般湿地床的长宽最佳比率为2:1～3:1。湿地面积设计应考虑最大污染负荷和水力负荷，分别按人口当量表面积、COD负荷和水力负荷进行计算，取三种计算结果中的最大值[1]。
3.2.2 集配水系统
人工湿地的集配水系统应保证配水、集水的均匀性，减少短流和堵塞现象。一般可采用穿孔管大阻力配水系统。进水系统应比湿地床面高出0.5m左右，以防床面淤泥和杂草积累而影响配水。进水流量可通过阀门或闸板调节，并设置水量紧急变化的溢流、分流措施，并在必要部位设置控制阀和放空阀。湿地床底部采用０.５％的坡度，污水从下行池自流进入上行池。在下行池出水口设置可旋转的弯头，用于调节出水水位。
3.2.3 填料的选择及梯级配置
填料的选用过程中通常需要考虑以下几个因素：
（1）具有良好的吸附性能和离子交换性能。填料在磷的去除过程中主要是通过一些物理和化学（吸收、吸附、离子交换、络合反应等）作用实现， 因而选择合适的填料对磷的去除率有着重要的影响。
（2）填料的粒径不宜过大或过小，粒径太小，填料的水力传导率较小，容易造成堵塞，形成地表漫流；粒径太大，单位体积内微生物可附着的面积较小。
（3）有利于生物膜的形成和更新，有利于提高有机物和氮的去除效率。
（4）价格低廉[2] 。
根据以上填料配置原则，在具体工程中采用如下填料配置：
1）下行池分别由100mm厚的粗砂、300mm厚φ100～300mm的球形砾石、200mm厚φ8～15mm的球形砾石、100mm厚φ3～6mm的改性硅藻土陶粒滤料组成；
2）上行池分别采用100mm厚的粗砂、300mm厚φ100～300mm的球形砾石、200mm厚φ8～15mm的球形
砾石（加入10％～20％的均匀石灰石）、100mm厚φ3～6mm的改性硅藻土陶粒滤料。填料中的改性硅藻土陶粒滤料能有效地去除氮、磷等污染物，上行池中添加的石灰石可进一步去除水中的磷，使湿地总体达到良好的有机物和氮、磷的去除效果，保证出水稳定达标排放。
3.2.4 防渗设计和地下水导排
人工湿地污水处理系统必须防止污染土壤和地下水，湿地床应设置防渗系统。防渗层应达到1.0×10-7m/s的防渗系数，实际工程中可用厚度为1.5mm的HDPE膜或根据实际采用其他材料，同时在防渗膜上预铺砂子防止膜被损坏。当场地的地下水位较高时需设置地下水导排系统，采用主盲沟与次盲沟相结合的方式收排地下水，降低床层的地下水位，防止因地下水位升高对湿地床体防渗膜造成破坏。
3.2.5 植物物种的选择
在植物选择上应尽可能满足生物的多样性和景观的要求。在满足当地气候条件的前提下，设计时对植物的选择应尽量遵循如下原则：
（1）植物群落景观具有稳定性，维护管理方便；
（2）水质净化功能强，耐污性、生长适应能力强及根系的发达程度高[3]；
（3）具有较高的观赏价值。常选择的植物有芦苇、菖蒲、水花生、稗草、香蒲、黄莒蒲、灯心草等，目前最常用的是芦苇 (尽量选用当地芦苇进行移栽) ，插植密度可为1～3株/m2。
4 工程案例
以某乡村污水处理工程为例，处理水量100t/d，设计进水水质为COD<200mg/L、BOD<100mg/L、SS<150mg/L、NH3-N<30mg/L、P<3mg/L。
处理工艺如下：
泵 → 污水收集池 → 沉淀过滤池 → 人工湿地 → 出水出水水质：COD<50mg/L、BOD<10mg/L、SS<20mg/L、NH3-N<8mg/L、P<0.5mg/L。
其中湿地占地为800m2，工程总投资约8.6万元，运行成本<0.1元/t。
5 小结与探讨
（1）农村污水主要由村落污水、畜禽养殖污水和部分雨水径流组成，其污水源具有面广、量大、分散、间歇排放的特点。
（2）大多数农村经济基础较薄弱，操作运行管理水平不高，需选择适合农村特点的污水处理系统。农村中一般都有大量的低洼地、低产田和闲置地，可用于建造人工湿地，使土地得到充分合理的开发利用。
（3）人工湿地废水处理系统形成了独特的生态效应，既保护环境，又提高了局部区域景观，具有一定的经济效益和环境效益。
（4）人工湿地具有的耐冲击负荷能力强、建造容易、投资低、运行费用少、运行简单、维护管理方便等优点，适合于农村污水的处理，可以作为农村污水处理的优选方案。
参考文献：
[1] 住房和城乡建设部标准定额研究所.人工湿地污水处理技术导则[M].北京:中国建筑出版社，2009：8.
[2] 李忠卫.垂直流人工湿地设计概述[J].华东交通大学学报，2008，6（25）：40-43.
[3] 刘畅，方向春.浅谈人工湿地的设计[J].住宅产业，2009，5：28.
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