农村污水处理庭院人工湿地技术

　　近年来，随着我国农村居民生活条件的明显改善，农村生活污水的排放量也随之增大。2017年我国农村地区污水排放量已近15Gt，预计到2020年，农村生活污水排放量可达27Gt，将超过全国污水总排放量的50%。农村生活污水的成分主要是N、P等营养盐和有机物、病原体等，重金属含量较少，可生化性强，直接排入周边水体对农村环境安全造成严重威胁。目前，我国农村生活污水处理覆盖率依然很低，据国家建设部2005年的《村庄人居环境现状与问题》调查报告，全国96%的村庄缺乏相对完善的污水处理设备。至2016年，处理覆盖率也仅达10%，大部分生活污水仍随意排放。

　　我国农村地区地形复杂、地势多变，尤其是位于以丘陵、山地为主的地区，农村人口呈现“大分散、小聚居”的居住格局。而我国农村生活污水排放的时间及排量规律不明显，日排放变化系数一般在3.0-5.0，变化系数可超过10.0。对岷江流域农村的调查发现，污水排放时间集中在早上6点，中午12点到13点以及15点到19点半，但其余时段的污水排放量与居民的生活习惯等因素有关，排放量全天无固定量、居住分散以及污水排放的复杂性，导致我国农村地区建设完善的管网系统的难度系数高，无法在农村推行城镇污水的集中处理模式。分散式污水处理可以综合考虑当地的水文、景观和生态，实现污水原地处理，具有投资建设费用少、建设周期短和见效快等优点，所以采用分散式污水处理成为了处理农村生活污水的一种新趋势。

　　如今，一种新兴的分散式处理工艺一一庭院式人工湿地，正逐渐步入人们的视野。庭院式人工湿地技术以基质、植物及微生物组成一套系统，通过物理、化学和生物作用净化污水。其投资建设成本较低、运行稳定、维护简便、净化效果好，同时具有环境美化作用，尤其适合应用于经济欠发达的农村地区。本文叙述近年来国内庭院人工湿地的发展过程和相关技术，以期为农村生活污水处理提供有益的技术参考。

　　一、庭院式人工湿地的基本特征

　　农户自家的庭院通常用作农作物种植或休闲的场所，若利用庭院空地构建人工湿地，将水的生态化处理与美化院内环境相结合，可构建出一种能够建于自家庭院内，适用于单户型的生活污水处理装置一庭院式人工湿地。庭院式人工湿地是一种通过基质植物和微生物的共同作用达到净化污水的目的的单户型人工湿地。它亦可和其他一体化装置(如沉淀池、厌氧罐等)组合，作为污水深度处理的工艺。庭院式湿地在构建时可设计成符合农户审美的外形，它可以直接建设在农户自家的院子中，占地面积大大减少，不存在征地问题，与传统的污水集中处理模式相比，庭院式人工湿地对污水的收集和处理费用可以减少60%以上。因此庭院式人工湿地的群众接受度要高于传统的人工湿地。

　　庭院式人工湿地系统的组成一般包括初沉池和净化池(即庭院人工湿地主体，包括基质、植物和微生物等)。初沉池设置格栅，污水流经时可以去除体积较大的悬浮物；然后流入净化池，在净化池内利用基质、植物和微生物的联合作用去除污水中的COD、氮、磷等污染物;净化�水就近排入附近水体。在条件允许的情况下，可在净化池后面建造一个小型鱼池，既能增加庭院景观情趣，又起到二次沉淀、进一步净化污水的作用，又可提升庭院观感阿。与传统的人工湿地相比，庭院式人工湿地精致小巧，所以它的各项工艺参数都可以准确调整和控制，研究表明，单户型家庭生活污水处理的�水质量可以基本达到GB8978-1996一级标准。

　　二、庭院式人工湿地的相关应用

　　发达国家在农村污水处理中广泛应用了各种类型的庭院式人工湿地，大大提高了污水处理效能。日本的净化槽技术是将传统的化粪池技术进行改良，应用于排水管网不能覆盖、污水无法进行集中处理的偏远地区。在挪威，1〜7户家庭所产生的生活污水，先进行化粪池预处理，然后由就地建造的集成式微型处理设备进行生化处理，处理后污水单独执行环境管理局认可的排放标准，其中生物法处理的出水典型BOD7标准为15〜20g/m3。

　　美国采用化粪池与土壤吸附相结合的分散式处理系统处理郊区污水。分散式处理系统在美国肯塔基州与南卡罗莱州的使用率已达40%，在北卡罗莱纳州使用率也有48%，在美国加利福尼亚州，当地家庭采用半间歇垂直流湿地处理洗涤废水，出水COD和BOD的去除率均能达到95%以上，氨氮的去除率也可达到60%以上，水质达到当地非饮用灰水再利用水质标准。

　　在德国，为了处理单户家庭或小型村庄的产生的生活污水，当地建造了约5000座小型潜流湿地，这些湿地绝大多数用于处理20户居民以下的社区污水㈤。在尼泊尔的加�满都谷地地区，通过构建湿地，配置池塘和喷泉系统将景观效益与净化效益结合，处理后的家庭污水再回用于园艺，此类湿地系统的BOD和COD去除率可达到80%和98%。

　　庭院式人工湿地只处理单户产生的污水，因而具备良好的抗冲击负荷能力。为处理朝凤庵村的餐饮废水，北京市昌平区设置了1套由地下二级沉淀池和柳树湿地床组成的庭院式人工湿地复合系统，其TP去除率在79.5%〜90.7%，氨氮去除率在84.5%〜96.0%，COD的去除率平均达94.5%。广东珠海上洲村建设了农户型水平潜流与垂直流人工湿地处理农户生活污水，出水平均中COD、BOD5和TP含量已达到GB18918-2002的-级A标准。海南省保亭县建立了1种庭院式人工湿地生态系统，这种系统结合了雨水收集、水培农业、人工湿地等多项技术，有效解决了当地水资源供应不足以及资源浪费等问题。经监测，该系统的出水中BOD5小于2mg/L，COD小于5mg/L，达到了GB5084-2005农田灌溉水质标准，可用于植物灌溉，实现水资源的循环利用。

　　三、庭院式湿地的植物配置

　　庭院式湿地采用的工程植物需要选择耐污性好、净化能力强的物种，并保证植物的观赏性。我国湿地植物种类多样，为庭院式人工湿地植物的配置提供了丰富资源库，然而，植物选择要因地制宜，盲目套用其他地区的模式可能会导致处理效率低、系统运行不稳定，甚至会造成生物入侵问题。配置工程植物时也可适当增加农户自选种类，进一步提高人工湿地的可适性和观赏价值。

　　3.1 常见的庭院式湿地植物

　　植物是构成人工湿地系统的主体。全球发现的湿地高等植物多达6700余种，但只有一小部分被广泛应用于人工湿地。根据生活型划分为挺水植物、浮水植物和沉水植物�。常见的挺水植物有美人蕉、梭鱼草、再力花、芦苇等(表1)；常见的浮水植物有睡莲、王莲等;常见的沉水植物有金鱼藻、眼子菜等。

　　3.2 植物的耐污与净化污水能力

　　N、P是水生植物生长所必需的营养元素，人工湿地中工程植物的代谢消耗水体中的氮、磷等，连续3年监测湿地植物的生长与污水中营养物质的去除情况，发现植物直接影响污水净化的效果，并且高含量的N、P污水影响植物正常生长，进而降低湿地净化效能。配置植物时应重点考虑植物的耐污能力。工程植物对于污染物的耐受能力和净化能力存在差异，再力花可在NH₄⁺-N的质量浓度50mg/L的水体中生长，花叶芦竹在NH₄⁺-N的质量浓度30mg/L以上不能生长。对比菖蒲、香根草、薏苡等7种植物的N、P净化能力，香根草对TN的去除率高达90.70%；香根草、美人蕉、黄菖蒲对TP的去除率分别达到86.39%、83.99%和75.59%，美人蕉的N、P积累量高达1344g和137.1g。同时，研究发现在NO₃^--N、PO₄^3-，的质量浓度分别为20.3>20.1mg/L的条件下，菖蒲、山莺尾和再力花对氮、磷的去除能力最强网。

　　3.3 庭院植物的观赏价值

　　植物观赏价值也是构建庭院人工湿地的重要因素，合理搭配的观赏植物可以装点庭院湿地，净化污水的同时调节和丰富住户的精神生活。目前庭院人工湿地中常用的观赏植物包括莺尾、美人蕉、千屈菜等具有观赏价值的湿地植物。路易斯安娜莺尾(lris hexagona)花色繁多、叶形优美，夏季可赏花，冬季可观叶，新陈代谢旺盛，一年四季均可发挥净化水体的功能。最常见的湿地植物美人蕉，花期长，适宜在湿地中栽植，是庭院观花、观叶良好的兼具高净化力的湿地植物。有“水上天堂鸟”美誉的再力花植株高大挺拔，花序呈蓝紫色，素雅别致，是水景绿化的上品花卉佝。再力花对富营养化水体的净化能力较高，TN的去除率能达到95%以上。这些植物，在美化庭院、净化水体方面有巨大的应用价值�。

　　除了考虑植物本身的观赏价值，还要从种间搭配、合理布局与景观美学等方面综合考虑植物的配置网。在水平布局上要注意有观花植物与观叶植物、常绿植物与落叶植物等的搭配，在空间配置上要考虑挺水植物与沉水植物搭配等，时间配置上要注意四季有花，各季节有独特的景观网。通过合理配置人工湿地植物群落的物种结构、生长序列及色调组成，湿地景观在视觉上可与当地的自然景观、人文景观融为一体。同时，合理的植物配置，一定程度上能够加强湿地净化污水的能力，有利于实现生态系统的完全与半完全自我循环。

　　四、问题与展望

　　庭院式人工湿地的出现和发展为农村地区处理生活污水提供了新思路，是未来农村生活污水处理的一种新趋势。目前庭院式人工湿地的应用仍存在一些薄弱之处，在今后研究中，可以更多侧重以下几个方面：

　　1)针对性地将庭院式人工湿地和其他处理工艺组合，形成适合庭院施工、运行和维护的适宜性技术，构建多级庭院水平潜流湿地、庭院垂直流湿地及组合湿地等，通过筛选基质、改进滞留池、调节间歇运行时间等方式强化工艺的脱氮除磷效果。

　　2)依托成熟的工艺组合，定量化对比挺水植物、浮水植物、沉水植物在污染物的吸收、吸附、富集、降解以及根系泌氧等方面的特征，挖掘具有良好净化潜力的观赏性植物及其组合。在此基础上，采用高通量测序手段对长期运行的庭院式湿地中的根际微生物群落进行解析，以揭示庭院湿地处理效能波动的微生物演变机制。

　　3)考虑湿地植物的季节性配置和功能性配置，融入现代园林设计理念，增加庭院式人工湿地的艺术性，构建具有“一年四季生机盎然、功能植物交替净化”特征的庭院式人工湿地，真正将农村生活污水的处理和农村环境的绿化美化融为一体，提升生态效益。（来源：广东第二师范学院生物与食品工程学院：华南农业大学资源坏境学院）