村镇生活污水处理技术

农村生活污水是面源污染的重要组成部分，全国50%的非点源污染来自农村废水的排放，直接威胁着农民的生活环境和饮水安全。对于农村地区污水，集中污水处理的建设和运行维护费用高，难以推广。传统的分散式污水处理有人工湿地、氧化塘、土地渗滤系统等，这些技术由于其低廉的成本已成为现在农村处理污水的关注点。而人工湿地投资低、能耗小、处理成本低、具有较好氮磷去除效果，对于处理分散的农村污水非常适用。分别采用潜流人工湿地与复合垂直流人工湿地处理村镇生活污水，在两种人工湿地的进水面积近似相同条件下对比两种湿地床对碳源、氮源的去除效果，以期为人工湿地处理江西地区村镇污水的工程应用提供基础数据与理论设计依据。

1 试验条件
 
1.1 基地的建设
 
复合垂直流人工湿地由下行池和上行池串联组成。下行池与上行池底部相连，床体由D 10 mm UPVC塑料板制成，防止污水下渗污染地下水。尺寸2 000 mm×1 800 mm×1 000 mm，每个床体表面积均为900 mm×900 mm，出水渠宽0.2 m。进水采用D 20 mm 穿孔管布水，按0.5%坡度设计。

水平潜流人工湿地两级串连，由砖和水泥砌成，尺寸5 400 mm×4 500 mm×550 mm。每组湿地床有两段处理区，每段处理区2 500 mm×1 000 mm，处理区第一段高550 mm，第二段高500 mm，填充粒径3～ 5 mm的砾石加100 mm当地土层。床底坡度2%，污水用UPVC管从生活区经调节池（HRT=12 h）引入配水槽，进水端配水槽和中间配水槽分别采用三角堰配水使进入床体水质水量均匀，在出水端设置旋转弯头和控制阀门调节水位。

1.2 人工湿地试验条件及水质
 
人工湿地试验系统基质填充完毕后，植物床移入植物，栽完后立即充水使根部泡在水中，一周后植物开始恢复生长，此时系统开始进污水。测试之前先运行3个月，以让植物快速生长，处理床挂膜。测试时床内植株根系发达，美人蕉约130 cm，试验历时12个月。采用连续进水连续出水，研究动态条件下两种湿地系统的净化能力。

试验用水采用江西省南昌市昌北区双港村某生活区生活污水 。试验进水水质：COD为140~175 mg/L，NH3-N为10.56~12.85 mg/L，TN为19.33~21.21 mg/L，pH为6.9~7.8。

试验分析方法： COD采用COD快速密闭消解法，其他指标测定采用国标法。

2 试验结果与讨论
 
2.1 水力负荷对污染物去除效果的影响分析
 
2.1.1 水力负荷对COD去除效果的影响分析
 
水力负荷对COD处理效果的影响如图 1所示。

 由图 1可见，两种人工湿地床的出水COD与水力负荷有密切关系，出水COD均随水力负荷的提高而增大。水力负荷为0.167 m3/（m2·d）时湿地床出水COD均优于《地表水环境质量标准》（GB 3838— 2002）（以下简称水体）Ⅲ（20 mg/L）类水体标准，说明在此工况下人工湿地对COD达到十分显著的去除效果。水力负荷＜0.5 m3/（m2·d）时，湿地床对碳源均有较好的去除效果，COD去除率均在70%以上，出水均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）（以下简称标准）一级A（50 mg/L）标准。继续增加水力负荷达到0.725 m3/（m2·d），潜流人工湿地床对COD仍可达到很好的去除效果，COD去除率为80.25%，出水COD为33 mg/L，出水水质优于一级A（50 mg/L）标准，甚至达到Ⅴ类水体（40 mg/L）标准；而对于复合垂直流人工湿地，在水力负荷为0.725 m3/（m2·d）时，COD去除率为65.1%，出水COD为58 mg/L，出水水质仅能满足一级B（60 mg/L）标准。整体而言，相对于复合垂直流人工湿地，潜流人工湿地对碳源的去除效果更佳。这与肖宇芳等的研究结果一致。此外，还可以看出：对于碳源的去除，潜流人工湿地床受水力负荷的影响更为显著。

进水水力负荷越大，系统的净化效果越差，残留COD随水力负荷增大而增加。原因在于增加水力负荷即减小水力停留时间，湿地系统对有机物的截留与微生物的分解吸收作用越不充分；而湿地在低水力负荷运行工况下，污水停留时间较长，植物吸收去除有机物的量相对较高，污水通过湿地系统时被拦截下来的有机物与微生物反应时间长，微生物完全发挥其作用，有机物在系统内降解较完全。此外低水力负荷条件下造成污水流速慢，有机物颗粒容易被湿地系统拦截下来，部分有机物可能在湿地系统中长时间停留被去除。

2.1.2 水力负荷对NH3-N去除效果影响分析
 
水力负荷对NH3-N处理效果的影响如图 2所示。

 由图 2可见，两种人工湿地出水NH3-N 均与水力负荷有密切关系，对NH3-N 的处理效果随水力负荷增加而变差，垂直流人工湿地在水力负荷为0.5 m3/（m2·d）时，NH3-N去除率为35.11%，出水NH3-N 7.79 mg/L，达到一级B（8 mg/L）标准；水力负荷为0.25 m3/（m2·d）时，NH3-N去除率为67.24%，出水 NH3-N 3.93 mg/L，达到一级A（5 mg/L）标准。潜流人工湿地在水力负荷为0.181 m3/（m2·d）时，NH3-N有较好的去除效果，NH3-N去除率为34.56%，出水 NH3-N 7.85 mg/L，水质均达到一级B（8 mg/L）标准，此时复合垂直流人工湿地NH3-N去除率为73.5%，出水NH3-N 3.18 mg/L，达到一级A（5 mg/L）标准；水力负荷为0.083 m3/（m2·d）时，潜流人工湿地NH3-N去除率为64.33%，出水NH3-N 4.28 mg/L，可以达到一级A（5 mg/L）标准。复合垂直流人工湿地处理NH3-N效果更佳，这与其他研究结果一致。主要由于复合垂直流人工湿地系统复氧能力更好。此外，还可以发现：对于NH3-N的去除，复合垂直流人工湿地床受水力负荷的影响更为显著。

此水力负荷范围内，复合垂直流处理效果优于潜流，说明复合垂直流人工湿地更适宜硝化菌增长，硝化反应较完全，也证实了复合垂直流人工湿地较好的复氧能力。水力负荷＜0.365 m3/（m2·d）时，对NH3-N去除效果影响较大；水力负荷>0.365 m3/（m2·d）时，去除率变化趋于平缓，因为污水在系统中停留一定时间后，大部分NH3-N已被净化，去除率提高幅度不大。人工湿地影响NH3-N去除的主要因素是系统中的微生物和植物，微生物对氮的去除占主要地位。水力负荷大，污水停留时间较短，无法达到硝化菌的世代时间，抑制了硝化作用，降低NH3-N去除效果。氨化作用无论在好氧、缺氧还是厌氧条件下都可进行，且氨化反应速率较快，有机氮转化成NH3-N及污水中本身存在的NH3-N与硝化菌接触时间短，硝化作用不充分，易被带出湿地系统，出水NH3-N较高，净化效率低；而低水力负荷下，硝化菌与污水中NH3-N有充分接触时间，将NH3-N转化为氮的其他形式，降低出水NH3-N浓度，提高净化效果。

2.1.3 水力负荷对TN去除效果影响分析
 
水力负荷对TN去除效果的影响如图 3所示。

 由图 3可见，两种人工湿地的出水TN指标随水力负荷增加而变差。水力负荷为0.725 m3/（m2·d）时，潜流人工湿地TN去除率为33.29%，出水TN 14.01 mg/L，复合垂直流湿地去除率为45.65%，出水TN 12.01 mg/L，两种人工湿地的出水均达到一级A（15 mg/L）排放标准；水力负荷＜0.2 m3/（m2·d）时，复合垂直流TN去除率保持在60%以上，而对于潜流人工湿地，水力负荷＜0.125 m3/（m2·d）时，TN去除率保持在60% 以上。

水力负荷为0.071 m3/（m2·d）时，出水TN很低但仍不能达到水体标准，说明单独用任一种人工湿地对氮的去除是有一定限度的，需要进一步对出水进行处理以达到更高的标准。此外，还可以发现：对于TN的去除，复合垂直流人工湿地床受水力负荷的影响更为显著。复合垂直流人工湿地处理TN效果更佳，这与靳同霞等的研究结果一致。

人工湿地对氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。废水中的无机氮可直接被植物吸收并通过植物收割而去除，但主要作用是通过微生物硝化、反硝化作用完成。人工湿地系统中TN的去除过程主要依靠植物根系和基质中微生物的硝化与反硝化作用，硝化、反硝化作用的速率成为了氮去除效果的控制因素。复合垂直流人工湿地系统中的水流方式与潜流人工湿地不同，系统中包括了下行流和上行流，下行流中随深度增加溶解氧的浓度降低利于反硝化，而上层溶解氧较高利于硝化，从而增加了复合垂直流人工湿地系统的脱氮效果。

2.2 污染物去除的动力学研究
 
潜流人工湿地和复合垂直流人工湿地动力学拟合曲线如表 1所示。

两组湿地床的一级动力学模型的相关系数均达到了0.85以上，一级动力学模型能够比较好地反映两组人工湿地床对COD、NH3-N、TN的去除过程，表明同一湿地床，在同样条件下不同污染物的一级动力学方程存在一定差异，不同湿地床对同一污染物的一级动力学方程也有一定差异。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3 结论
 
（1）水力负荷增加，COD、NH3-N、TN的去除效果降低、出水水质变差。对于COD，在水力负荷为0.5 m3/（m2·d）时，潜流人工湿地COD去除率为81.41%，出水COD为30.67 mg/L，复合垂直流湿地去除率70.66%，出水COD为48.41 mg/L，两种湿地均有较好的去除效果，出水达到一级A（50 mg/L）排放标准；对于NH3-N，水力负荷＜0.25 m3/（m2·d）时，复合垂直流人工湿地NH3-N去除率保持在60%以上，出水NH3-N 3.93 mg/L；优于一级A标准；对于TN，水力负荷＜0.25 m3/（m2·d）时，复合垂直流人工湿地TNs去除率保持在60%以上，出水TN ＜8 mg/L，优于一级A标准。

（2）对COD去除效果，潜流人工湿地优于复合垂直流人工湿地，而对于脱氮效果复合垂直流人工湿地效果更优。类似于此类村镇生活污水，选取潜流人工湿地及复合垂直流人工湿地均可以达到较好的处理效果。

（3）一级动力学模型较好地拟合了潜流与复合垂直流人工湿地对COD、NH3-N、TN的去除规律。