利用潜流人工湿地处理郝堂村生活污水的效果研究

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　　摘要 以河南省信阳市郝堂村生活污水为处理对象，构建2个潜流人工湿地生态净化系统。于2014年6月分别栽植2组不同的湿地植物。通过2016、2017年2、6、10月对潜流人工湿地进水口、出水口的水质进行监测，研究了潜流人工湿地对生活污水的处理效果和配置不同植物对污染物的去除效果。预处理对化学需氧量（COD）、氨氮、总磷和总氮的去除率分别是34.46%、50.02%、34.69%、12.89%。栽种引种植物美人蕉（Canna indica L）、香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser）的潜流人工湿地对COD、氨氮、总磷和总氮的去除率分别为43.90%、41.80%、51.90%和66.30%；栽种乡土树种鬼针草（Bidens pilosa L）、芦苇（Phragmites communis）、菖蒲（Acorus calamus L）的潜流人工湿地对COD、氨氮、总磷和总氮的去除率分别为52.80%、49.90%、59.70%和73.40%。研究結果表明，潜流人工湿地对生活污水中的污染物去除效果较好，预处理和湿地基质的吸附降解作用是潜流人工湿地处理污水的主要途径，栽种乡土湿地植物的潜流人工湿地污染物去除效果更好。
　　关键词 潜流人工湿地；处理；生活污水
　　中图分类号 X703 文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2019）09-0071-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.021
　　Abstract Taking the domestic sewage of Haotang Village， Xinyang City， Henan Province as the processing object，two subsurface flow constructed wetland ecological purification systems were constructed.In June 2014，two groups of different wetland plants were planted.Through February，June and October of 2016，2017，we monitored the water quality of inlet and outlet of subsurface flow constructed wetland，studied the effect of subsurface flow constructed wetland on domestic sewage treatment and the effect of different plants on pollutant removal.The removal rates of chemical oxygen demand，ammonia nitrogen，total phosphorus and total nitrogen were 34.46%，50.02%，34.69% and 12.89% respectively.The chemical oxygen demand，ammonia nitrogen，total phosphorus and total nitrogen removal rates of planting Canna indica L，Typha orientalis Presl，Thalia dealbata Fraser in the constructed wetland were 43.90%，41.80%，51.90% and 66.30%，planting native tree species Bidens pilosa L，Phragmites communis，Acorus calamus L were 52.80%，49.90%，59.70% and 73.40%.The results showed that the subsurface flow constructed wetland had better effect on pollutant removal in domestic sewage，pretreatment and adsorption degradation of wetlands were the main ways for sewage treatment，the subsurface constructed wetlands planted with native wetland plants had better pollutant removal effect.
　　Key words Subsurface flow constructed wetland；Treatment；Domestic sewage
　　郝堂村位于河南省信阳市平桥区五里店街道办事处，被中国生态文化协会（CECA）评为“中国生态文化村”，河南平桥两河口国家湿地公园辖区的七龙溪穿过郝堂村全境。为了更好地保护湿地，2014年平桥区林业局建设了潜流人工湿地2座，对郝堂村生活废水进行生态净化处理。在综合评估人工湿地设计、持续运行研究的基础上，探讨如何利用潜流人工湿地的预处理、基质、植物和潜流方式，系统阐述人工湿地处理乡村污水的效果，以丰富人工湿地处理乡村生活污水设计体系的研究。
　　1 材料与方法
　　1.1 郝堂村污水处理现状
　　郝堂村（32°02′～32°05′N，114°10′～114°13′E）位于河南省信阳市平桥区郝堂村，该区气候属于亚热带、暖温带南北气候过渡区域，年平均气温为15.1 ℃，降水量丰沛，年降水量为1 150 mm。该村常住人口数量为1 160人，人均排污水量为55 L/d，郝堂村对乡村污水进行了收集，每户均建有化粪池。由于化粪池出水中污染物浓度均较高，且村庄的生活污水要排入河南平桥两河口国家湿地公园的七龙溪河流湿地，其浓度高于地表水Ⅲ类水质标准值，这些污水排入两河口国家湿地公园后，会造成水污染，破坏湿地生态系统，因此还需要对污水进一步净化处理。 　　1.2 潜流人工湿地生活污水处理设计
　　郝堂村人工湿地污水处理系统基本工艺流程为生活污水先经格栅井拦截大部分较大的固体悬浮物；经过格栅井后污水进入水解酸化池，以改善污水的可生化性；污水经过水解酸化处理后，流入人工湿地，通过湿地基质的吸附沉降、湿地植物和微生物的共同作用得到生态净化[1]；净化后的污水流入荷塘、水田；经过荷塘、水田的自然净化后，再流进七龙溪河流湿地（图1）。
　　1.2.1 污水预处理。预处理采用格栅和水解酸化的方式。格栅井拦截较大的固体悬浮物；水解酸化池分隔成4个格室，在该池中通过化学反应将不溶性有机物水解为溶解性有机物，将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质，通过水解酸化，改善废水的可生化性，为后续处理奠定良好基础。
　　1.2.2 人工湿地。潜流人工湿地内部组成主要包括基质、植物、水和微生物[2]。选用不同粒径的砾石和砂石作为基质，按照一定的厚度铺设成人工湿地的床体，栽植菖蒲、鬼针草、芦苇等水生植物[3]。污水经过配水堰均匀配水，流经人工湿地，通过基质的吸附沉降作用、基质表面的植物和微生物共同作用去除污水中的有机污染物[4]。
　　1.2.3 生产再处理。净化后的污水通过集水管集中到集水堰中，排放到荷塘、水田，再进入河南平桥两河口国家湿地公园七龙溪河流湿地。
　　1.3 潜流人工湿地构建
　　2014年2月，构建郝堂村街西（No.1）、街东（No.2）2座不同植物配置的潜流人工湿地。预处理采用砖混结构，格栅井1.5 m×0.6 m×0.7 m，滤网空隙为5 cm×5 cm；水解酸化池14.42 m×4.00 m×3.50 m，5格室，活性污泥从信阳市污水处理厂接种；配水堰13.0 m×1.2 m×1.7 m，配水口处于底部；人工湿地采用砖砌而成，规格为25.0 m×60.0 m×1.7 m，侧壁和底部全部使用混凝土进行防渗处理，基质填充下层0.7 m，填充直径8 cm砾石，上层0.9 m，填充直径1.5 cm细砾石，砾石为当地石灰岩，表层覆盖0.1 m厚度的种植土壤作为湿地基质。2014年6月，分别向No.1人工湿地移栽人工培育的苗期的美人蕉（Canna indica L）、香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser），条状混栽；向No.2人工湿地移栽当地野生鬼针草（Bidens pilosa L）、芦苇（Phragmites communis）、菖蒲（Acorus calamus L），条状混栽；湿地植物的种植密度为20～25株/m2。郝堂村潜流人工湿地污水处理系统构建图见图2。
　　1.4 人工湿地运行与监测
　　No.1人工湿地进水为郝堂村小学、21户居民的生活污水，污水处理能力达150 m3/d；No.2人工湿地进水为47户居民、6家农家乐食堂的生活污水，污水处理能力达300 m3/d。污水通过配水堰调控进入人工湿地，进水深度为基质底部1.5 m，采用不间断进水，水力停留时间为7 d。分别于2016和2017年的2、6和10月，每月進行5次采样检测，采样间隔6 d1次。用PVC塑料瓶，在每座预处理格栅井进水口、人工湿地配水堰进水口、集水堰排水口处取水100 mL，水面下深度10～15 cm。每次采样取1对平行样，均在进、出水口重复采集2瓶样品。样品取回后，放置在冰箱中，于4 ℃避光存放。监测分析方法见表1。
　　1.5 数据分析
　　数据使用Excel 2016和SPSS 13.0进行处理分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 预处理主要污染物去除率
　　郝堂村生活污水收集进入预处理格栅井，流经封闭的5格室水解酸化池，在化学作用下，主要污染物去除较明显，其中No.1和No.2的COD去除率分别为32.69%、36.23%，氨氮的去除率分别为49.46%、50.58%，总磷的去除率分别为31.86%、37.52%，总氮的去除率分别为14.07%、11.7%，pH变化不明显。预处理主要污染物去除率变化规律见图3。
　　2.2 人工湿地主要污染物去除率
　　2014年6月建成的人工湿地中植物根系经过2年的生长，长度约30 cm，此时根系能够穿透种植土，达到小颗粒砾石的缝隙。经过人工湿地的基质吸附和化学沉淀以及湿地植物吸收和微生物转化、分解[5]，郝堂村庄生活废水中的污染物处理效果明显。其中No.1和No.2的COD去除率为43.90%、52.80%，监测均值为21.53、18.60 mg/L，处理后水质临界地表水Ⅲ类～Ⅳ类水标准；对氨氮的去除率为41.80%、49.90%，监测均值为0.72、0.82 mg/L，处理后水质为地表水Ⅲ类水标准；对总磷的去除率为51.90%、59.70%，监测均值为0.35、0.41 mg/L，处理后水质为地表水Ⅳ类水标准；总氮的去除率为66.30%、73.40%，监测均值1.58、1.74 mg/L，处理后水质为地表水Ⅳ类水标准；pH变化不明显。
　　通过对2块人工湿地生态净化效果的连续监测，栽种美人蕉、香蒲、再力花的No.1人工湿地污染物去除率均稍低于栽种鬼针草、芦苇、菖蒲的No.2人工湿地。人工湿地去除率变化规律见图4。
　　3 讨论
　　预处理改善了进水水质，能够提高潜流人工湿地污染物去除能力。水解酸化处理可以有效去除污水中大量的悬浮物质以及水解酸化过程中产生的污泥，避免人工湿地由于长时间运行造成堵塞现象[6]。采用水解酸化处理技术，出水通过配水堰进入潜流式人工湿地，可以避免臭味的产生[7]。水解酸化过程能将废水中的非溶解态有机物截留并逐步转变为溶解态有机物，一些难以生物降解的大分子物质被转化为易于降解的小分子物质，从而使废水的可生化性和降解速度大幅度提高，以利于后续人工湿地的好氧生物处理。 　　湿地基质的吸附降解作用是潜流人工湿地处理污水的主要途径[8]。该研究基质取材于当地的石灰岩，机械碎粒形成大块砾石作为下层填充物，小块砾石为上层填充物。在不同进水条件下2块人工湿地均表现出了较高的污染物去除率，特别是经过冬季之后，湿地植物地上部分枯萎死亡，植物根系虽然有一定的越冬能力，但是受植物茎叶光合作用停滞的影响，人工湿地的植物净化能力减弱[9]；但从检测结果中发现，2月与6、10月相比，人工湿地的去除效果差别不大。人工湿地基质的吸附沉淀降解，经过6～8年，湿地填料要更新或者冲洗以后才能持续使用，否则去除效果会下降[6]。
　　栽种乡土湿地植物的潜流人工湿地对主要污染物的去除效果更好。监测表明，栽种当地野生鬼针草、芦苇、菖蒲的No.2湿地对主要污染物的去除率相对高于栽种美人蕉、再力花、香蒲的No.1湿地，其机理可能是当地野生湿地植物向根区输氧能力更强，根系较引种栽培湿地植物更发达[10]。选择栽种当地乡土湿地植物，更能适应当地的生态环境，使根系充分发育，可以为植物根系间微生物提供良好的新陈代谢环境，便于在植物根系区的还原态介质中形成氧化态微环境，使有氧和厌氧共同作用，有利于充分发挥微生物降解有机污染物的作用[3]。
　　4 结论
　　潜流人工湿地对郝堂村生活污水中的各污染物去除效果较好。2014年6月栽种美人蕉、再力花、香蒲的潜流人工湿地对COD、氨氮、总磷和总氮的去除率分别为43.90%、41.80%、51.90%和66.30%；栽种鬼针草、芦苇、菖蒲的潜流人工湿地对COD、氨氮、总磷和总氮的去除率分别为52.80%、49.90%、59.70%和73.40%。预处理能够提高潜流人工湿地污染物去除能力，湿地基质的吸附降解作用是潜流人工湿地处理污水的主要途径，栽种乡土湿地植物的潜流人工湿地污染物去除效果更好。
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