劉振東，汪 健

(同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

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模塊化人工濕地在農村生活污水處理中的應用

劉振東，汪 健

(同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

摘要：闡述了我國農村生活污水的特點，在閱讀大量文獻的基礎上，歸納了國內農村生活污水分散式處理的現(xiàn)狀，分析了人工濕地在農村生活污水分散式處理中存在的施工質量以及后續(xù)堵塞維護問題，提出了人工濕地模塊化是解決問題的有效途徑，而單元型、筐籃型、粘結型模塊化產品是人工濕地的三個應用方向。

關鍵詞：農村生活污水；施工質量；堵塞；人工濕地模塊化

1引言

由于過去農村長期粗放式的發(fā)展，致使我國農村約59萬個村莊面臨嚴重的環(huán)境污染問題。在環(huán)境污染治理方面，生活垃圾處理僅占1/3，生活污水處理更是不到10%。 2015年環(huán)保部指出：在“十三五”期間全國將新增完成13萬個建制村環(huán)境綜合整治，農村水污染整治刻不容緩。目前，針對經(jīng)濟發(fā)展相對落后、技術水平有限的農村地區(qū)，我國應用的主要分散式處理技術有土地處理技術、人工濕地技術、厭氧生物處理技術、穩(wěn)定塘技術、生物膜處理技術以及膜反應器[1～4]。其中，人工濕地作為一種成本低、靈活、易于管理維護的分散式污水處理設施而獲得更多關注[2，5～7]，這也給發(fā)展中國家的生活污水處理提供了理想的選擇[8]。研究表明：人工濕地對有機污染物有較高的處理效率[9]，出水可通過農業(yè)灌溉等方式回用[10]。

然而，相比于排放集中的城市生活污水，農村生活污水因人口居住分散具有排放分散、污水量小[11，12]的問題，施工隊伍的施工水平難以保證人工濕地生活污水的處理效果，同時，堵塞后的維護問題是阻滯人工濕地推廣應用的最大障礙[13，14]。因此，在借鑒國內外人工濕地先進處理技術的基礎上，立足于中國國情，國內學者在人工濕地的施工質量、堵塞等方面做了諸多探索。

2農村生活污水分散式處理現(xiàn)狀

2.1農村生活污水的污染現(xiàn)狀及水質特征

20世紀80年代開始，我國農村水環(huán)境質量不斷惡化，近幾年每年生活污水排放量有80億t。目前農村水環(huán)境問題主要表現(xiàn)在：①工業(yè)點源污染，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和集約化養(yǎng)殖場布局不當、污染治理力度不夠導致的污染；②農業(yè)面源污染，現(xiàn)代農業(yè)生產手段的過度使用帶來的污染；③生活源污染，鄉(xiāng)鎮(zhèn)等農村聚居點因缺乏規(guī)劃和環(huán)境管理滯后造成的污染。其中，生活污水因人口居住分散、經(jīng)濟基礎薄弱、地形條件復雜[15]不便進行集中處理。

農村生活污水是指農村居住分散的居民生活過程中糞便及其沖洗水、洗浴污水和廚房污水等[16，17]，還包括一些農村分散養(yǎng)殖過程中所產生的污水。農村生活污水含有機物質、氮磷營養(yǎng)物質、懸浮物及病菌等污染成分，各污染物排放質量濃度一般為： CODCr為250～400 mg/L，氨氮為40～60 mg/L，TP為2.5～5.0 mg/L。中國農村生活污水主要水質特征有以下幾點：農村村鎮(zhèn)人口較少，分布廣泛且分散，大部分沒有污水排放管網(wǎng)；農村生活污水濃度低，變化大；大部分農村生活污水的性質相差不大，水中基本上不含有重金屬和有毒有害物質，含一定量的氮、磷，水質波動大，可生化性強；不同時段的水質不同；廁所排放的污水水質較差，但可進入化糞池用作肥料[18]。因此，根據(jù)農村生活污水的水質特點，適合用生物法進行處理。

2.2農村生活污水分散式處理現(xiàn)狀

目前，在農村生活污水的治理過程中，分散式污水處理已成為國內外生活污水處理的一種理念和方法[19]。國外較早對于農村生活污水分散處理技術展開了相關研究，并積累了一定經(jīng)驗[20]，形成了較為完善的體系。

我國從20世紀80年代開始開展生活污水分散式處理的研究工作，許多形式各異的無動力或微動力的低能耗型一體化污水處理裝置得到應用。在我國農村常用的分散式污水處理工藝主要有：化糞池、沼氣發(fā)酵、垂直流人工濕地、土地快速滲濾系統(tǒng)、高效藻類糖等以及上述各種工藝的組合[21～26]。例如，在上海針對相對落后的松江地區(qū)使用穩(wěn)定塘、土壤入滲的人工濕地系統(tǒng)、穩(wěn)定塘處理系統(tǒng)處理農村生活污水，展現(xiàn)出良好的可行性[27]；朱海波等[28]在陜西關中農村采用水解酸化池和人工濕地組合工藝，并提出冬季運行管理技術要點，確保了污水處理效果的穩(wěn)定。

然而，受到經(jīng)濟條件和環(huán)保意識的限制，農村生活污水整體處理率仍然很低[1]。人工濕地作為一種靈活、成本低的分散式污水處理措施同樣面臨施工質量、堵塞的問題，這限制了人工濕地的推廣應用[13，14，29]。

3模塊化人工濕地在處理農村生活污水中的應用

我國第一座人工濕地于1987年建成[30]，隨后約有450座人工濕地系統(tǒng)相繼建立。截至2012年，人工濕地已占農村生活污水的20%。但是堵塞問題往往制約著人工濕地的推廣應用[31]；同時，處理農村分散式農村生活污水的問題在于，工程量太小，專業(yè)施工隊伍參與的積極性不高，由村里的施工隊施工的質量難以得到保證。人工濕地模塊化是解決以上問題的可行思路，通過模塊化和系列化實現(xiàn)施工過程的標準化，可以有效解決人工濕地基質堵塞后的快速更換及農村施工隊伍專業(yè)化程度不高的問題。在我國，現(xiàn)有的人工濕地模塊化設計思路主要有以下3種。

3.1單元型模塊化人工濕地

將人工濕地分為一個獨立的填料單元，兩個單元可以交替運行實現(xiàn)人工濕地的輪休以解決堵塞問題。

張統(tǒng)等[32]公開了一種快速裝配式人工濕地填料單元，系統(tǒng)自上而下包括，土壤層、隔土層、承托層、人工填料單元層、卵石承托層、防滲層(圖1)，工廠可進行批量生產，方便裝配施工，組建的人工濕地污水處理系統(tǒng)生物量大，水力停留時間短，處理效果好，并且系統(tǒng)不易堵塞、可修復、運行費用低、土地可復用。

3.2筐籃型模塊化人工濕地

筐籃型人工濕地是指在不影響人工濕地內部水流前提下用一定尺寸的外部網(wǎng)狀結構將基質一塊塊框起來，筐籃直接的縫隙利于供氧，同時方便人工濕地的施工及后續(xù)維護。章北平等[33]發(fā)明了一種長、寬、高為100～1 000 mm的盒狀無蓋筐籃結構(圖2)，壁厚2～4 mm，外框上有多個穿孔，可實現(xiàn)規(guī)模生產，質量穩(wěn)定，便于現(xiàn)場安裝施工，所用模塊有多種尺寸，可根據(jù)實際情況進行改裝和拆卸，能夠節(jié)省人力物力，降低成本。

3.3粘結型模塊化人工濕地

粘結型模塊化人工濕地是指在盡量不影響人工濕地基質處理污水的情況下，用粘結劑將基質粘結起來做成塊狀基質并應用于人工濕地的技術。堯平凡[34]針對垂直潛流人工濕地堵塞問題提出表層布水系統(tǒng)基質模塊化的思想，即用骨料、水泥、水、減水劑為原材料制備成多孔混凝土磚塊，堵塞時可以實現(xiàn)快速更換，在施工上解決堵塞問題；王晟等[35]利用高爐渣、粉煤灰、水泥為粘結劑發(fā)明了小型人工濕地的模塊結構，模塊分為有管模塊和無管模塊，有管模塊中含穿孔管用于輸送污水，無管模塊不含穿孔管在濕地中起支撐、蓄水和布水作用，模塊由套網(wǎng)、輕質填充料和穿孔管組成，易于搬運安裝，可由非專業(yè)施工隊伍完成，應用于農宅房前屋后庭院；曾麗璇等[36]將電廠廢棄物粉煤灰作為人工濕地填料的材料，結合碎石、水泥和萘系高效減水劑根據(jù)正交實驗得到所用碎石級配10～16 mm，粗骨料∶水泥∶粉煤灰∶水的質量比為1∶0.15～0.20∶0.05～0.1∶0.06～0.08，減水劑按水泥和粉煤灰總質量的1%～2%添加，并應用于水平潛流濕地取得比傳統(tǒng)人工濕地更好的處理效果。Park等[37]在多孔混凝土凈化污水的實驗中得出：浸泡在污水中的多孔透水混凝土的多孔結構提供了適于微生物生長的生存環(huán)境，可以去除90%的總懸浮顆粒物、65%的總磷和80%的總氮。因此，將多孔混凝土應用于人工濕地基質有廣闊的應用前景。

4結論與展望

基于模塊化設計思路的人工濕地充分考慮了我國農村施工水平的實際情況，利用核心技術集中生產模塊化產品，然后將其應用于農村分散式生活污水，不僅人工濕地施工質量得到保證，而且無需專業(yè)的施工隊伍，日后對于人工濕地產生的堵塞問題也可根據(jù)堵塞周期進行定期統(tǒng)一的更換，有利于長時間的維護管理。

目前，在農村生活污水分散式處理方面人工濕地模塊化產品還沒有統(tǒng)一的制備標準，包括原材料的選取、尺寸的統(tǒng)一、制備的工序等。單元型模塊化人工濕地尺寸較大，現(xiàn)場布置會受限制；筐籃型模塊化人工濕地基質筐籃的孔隙尺寸及密度可能會影響人工濕地進水的流動狀態(tài)；粘結型模塊化人工濕地中的粘結劑會改變基質成分，需要對模塊化人工濕地生活污水處理效果進行大量的理論實驗研究，并與傳統(tǒng)人工濕地處理效果作比較，確保模塊化人工濕地的可行性，為將來人工濕地在農村生活污水分散式處理中的推廣提供參考價值。

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Application of ModularizedArtificialWetlands inthe Treatment of Rural Domestic Sewage in Rural Areas

Liu Zhendong， Wang Jian

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai20092，China)

Abstract:The article elaborates the characteristics of domestic sewage in rural areas in China.Based on extensive review of literatures，this article concludes the present status of individualtreatment of rural domestic sewage，and analyzes the problems of artificial wetland′s existing in the construction qualityand flow-up clogging.Then the article proposes that the modularization of artificial wetland isan efficient way to solve this problem.In addition，the article points out that themodular productsof cell type，basket type and stickingtype are three directions of application in artificial wetlands.

Key words:rural domestic sewage; construction quality; clogging; modularization of artificialwetlands

文章編號：1674-9944(2016)02-0045-03

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

作者簡介：劉振東(1989—)，男，山東郯城人，同濟大學環(huán)境科學與工程學院碩士研究生。

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(編號：2013ZX07312-003-005)

收稿日期：2015-12-04