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摘要:農村生活污水處理是落實鄉村振興戰略的必要舉措。由于維護簡單、運行費用低廉等優勢，人工濕地在世界各國的農村污水處理中得到廣泛應用。我國近年來頒布了多部相關國家規程和地方標準，使人工濕地的設計實施有據可依，但在人工濕地所需的預處理工藝、出水排放標準、單元尺寸計算參數、冬季運行措施等方面仍未形成統一規范。系統論述了人工濕地在農村污水處理中的發展歷史、應用現狀、工藝組合和面積計算等，并展望其未來發展方向，為進一步研究和應用提供參考。

關鍵詞:人工濕地;農村污水;排放標準;工藝組合;應用進展

1農村污水人工濕地應用現狀

利用濕地生態系統處理污水的理念在世界各國古已有之，中國的?；~塘系統就是其中的典型代表。自1952年德國科學家Seidel開始進行工程化的人工濕地研究以來，人工濕地技術在歐洲、北美洲、南美洲、亞洲、大洋洲、非洲均陸續得到應用。由于低成本、生態理念符合當地土著文化價值等原因，人工濕地在新西蘭的村莊污水處理中發展迅速，除了處理生活污水外還用于處理農場的乳制品加工廢水、削減農業面源污染等［7］。世界銀行對尼加拉瓜、薩爾瓦多、秘魯、哥倫比亞、巴西等國示范工程的凈化效果進行跟蹤分析后，認為人工濕地處理效果穩定、成本低廉，對于中小社區是可行的污水處理技術，但應由專業人員設計，并對本地運營團隊進行專業培訓［9］。歐美國家對于人工濕地的應用相對起步更早、研究更深入。歐洲有超過50000座人工濕地用于污水處理［3］，大部分人工濕地位于鄉村或小城鎮，用于中小規模的生活污水處理。英國廣泛采用人工濕地用于原有農村污水站點出水的深度凈化，并成立了人工濕地協會，建立了由超過900座人工濕地組成的數據庫［10］。據Molle等［11］統計，法國有超過500座農村污水人工濕地，采用垂直潛流濕地為主的工藝，凈化效果穩定。人工濕地在氣候寒冷的波蘭也有超過30a的應用歷史，其中大部分人工濕地用于小于5m3•d－1的單戶農村生活污水處理［12］。英國、法國、意大利、德國、丹麥、捷克等國相繼頒布了用于分散型生活污水處理的人工濕地設計規范［7］。北美則建成了超過10000座人工濕地，且從南到北均有分布，僅在美國肯塔基一州就有超過4000個用于單戶生活污水處理的潛流人工濕地［7］。目前，北美洲有大量從事人工濕地研究的科研人員，并建立案例數據庫，為該領域的進一步發展創造了良好的條件。我國污水處理人工濕地研究工作始于1987年，在天津、北京等地建成了試驗工程［13］。2004年以來，人工濕地在我國進入快速發展期，截止2015年，我國有公開文獻報道的人工濕地工程超過700個［12］。人工濕地在我國的應用不論是處理規模還是污水類型都向多元化發展。處理規模方面，有設計處理量25萬m3•d－1的地表水凈化濕地［14］，也有10m3•d－1以下的農村污水濕地［12］。在污水類型方面，人工濕地已用于處理包括生活污水、河湖水、垃圾滲濾液等多種類型的污水［12］。由于我國環境問題復雜、人口密度大、土地資源稀缺等特點，我國人工濕地研究為該技術的規?；?、精細化發展提供了創新視角和數據支撐。農村污水處理人工濕地在我國各省市均有報道。由于各地污水特點和建設條件不同，具體技術路線也有所差異。郝目遠等［6］針對北京市農村地區現狀，對幾種常用技術進行對比研究，認為“地埋式一體化生物接觸氧化法+生態處理法”組合模式適合當地情況，且能夠滿足水污染物排放標準［15］的要求。任占軍等［16］調查了北京平谷區農村污水運行情況，發現MBR、A/O等工藝占比一半以上，但在運行1～3a后均因運維費用高、管理要求程度高等原因而停止運行，而人工濕地工藝由于運維管理簡便，成為平谷目前應用最好的工藝。吳昊等［17］對江蘇省太湖流域6000余套農村污水處理設施進行走訪，在100余種工藝中篩選出4種運用較廣泛的工藝進行分析，其中3種工藝運用了人工濕地處理單元。經分析，“厭氧產沼氣－缺氧反硝化脫臭－跌水充氧接觸氧化法－人工濕地”技術的初期建設成本略高，但處理效果穩定，COD(chemicaloxygendemand)、總氮(TN)、總磷(TP)及氨氮(NH+4-N)的去除率均達到80%以上，且運行成本不到A/O工藝的1/4。徐志榮等［5］對浙江67個縣的386座農村生活污水處理設施進行了統計，其中厭氧+人工濕地工藝應用最多，占比44．8%。據楊磊三等［18］統計，廣州地區農村污水設施中，60%采用人工濕地，出水穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的一級B標準［19］。廣東省郁南縣也將厭氧處理－人工濕地污水處理設施作為農村環境綜合整治的重點建設內容［20］。覃玲玲［21］對廣西玉林市的兩處村莊污水設施進行了分析，指出其應用的潛流人工濕地－表流人工濕地－生態塘工藝流程，既達到了污水凈化目標，又可形成特色農村生態景觀，為農村居民提供休閑娛樂的場所。海南省瓊中縣對于沒有畜禽養殖的普通自然村，推廣預處理設施－生態濕地的分散處理模式，出水水質可達一級A標準［22］。

2人工濕地及預處理單元的工藝組合

對于人工濕地在污水處理流程中的工藝定位，或稱人工濕地對預處理的要求，當前業界觀點不一。在北美和歐洲，一般將潛流人工濕地用于處理經化糞池或沉淀池預處理后的生活污水，即作為二級處理工藝。在法國的農村污水處理中，甚至直接將未經預處理的生活污水排入潛流人工濕地中，即在人工濕地中同時進行一級和二級處理過程［10］，這種不需預處理的人工濕地運行已超過30a，處理效果良好。但應認識到，歐美農村用地充裕，通常采用3～5m2•PE－1的人工濕地面積(即單位服務人口的濕地面積)，大約相當于噸水占地面積15～50m2，這在我國的很多地區難以實現。而當采用顯著低于上述處理面積的人工濕地直接處理污水時，容易出現基質堵塞、出水惡化等問題。因此，在用地滿足要求的情況下，人工濕地可以作為農村污水處理主工藝，如前述北京平谷、廣東郁南等一些條件允許的村落以人工濕地作為主處理單元，取得了良好的效果［16，20］。相關規范也明確，化糞池、沉淀池等均可以作為人工濕地的預處理設施，并非只有經過二級處理的污水才適合采用人工濕地進行凈化。但在用地緊張的情況下，從技術經濟角度考慮，人工濕地更適宜作為深度凈化單元。部分農村污水人工濕地工程工藝組合及運行情況見表1。當前，活性污泥法二級處理+人工濕地深度凈化的工藝流程目前已成為市政污水廠提標改造的常用方法。這種工藝組合同樣適用于處理水量較大的集中村落，但對于分散村落的適用性值得商榷?；钚晕勰喙に嚳煽匦愿?，但能耗高、對運營人員要求高;人工濕地耗能低、運行簡便，但占地大，且有植物收割處置的運營需求。因此，若將兩種工藝結合，對于農村分散污水處理而言，既需要專業污水處理運營，又要進行濕地綠化維護，造成運營工作量加倍。因此，建議針對分散型農村污水處理，優先采用單一的好氧生物處理技術或厭氧預處理+生態處理技術，從而最大化地發揮兩種方法各自的優點。

3人工濕地設計標準化進展

人工濕地技術在發展初期缺乏統一實施標準，缺乏成熟運維模式等問題，導致部分項目后期運行效果不佳。住建部與原環境保護部分別于2009年、2010年出臺了《人工濕地污水處理技術導則》與《人工濕地污水處理工程技術規范》兩部規范，有力地推進了技術應用，但未針對不同地域對具體單元設計進行參數制訂［25］。張濤等［26］指出，《人工濕地污水處理工程技術規范》尚不能滿足農村污水實際工程的需要，還需要不斷完善相關設計參數。近年來，各省市結合地方實際情況相繼頒布了人工濕地相關設計規范、規程等，內容也隨著應用經驗積累而不斷細化。例如，上海市《人工濕地污水處理技術規程》(DGTJ08—2100—2012)［27］對于30000人以下鎮和村的生活污水處理工程，針對不同指標推薦了典型工藝組合，給出了較詳細的污染負荷參考取值，并對濕地單元構造附圖說明。北京市《農村生活污水人工濕地處理工程技術規范》(DB11T/1376—2016)［28］則針對農村污水人工濕地規定了主要技術參數，提出了參考污染物去除率，并提出了冬季防凍設計要求?！墩憬∩钗鬯斯竦靥幚砉こ碳夹g規程》(DB33/T868—2012)［29］對于30000m3•d－1以下的生活污水處理，規定了濕地進水限制，提出了COD、NH+4-N、TP的污染負荷取值;并對各部分設計、建造、驗收、管理規定了較明確的做法。山東、云南、河南等地也頒布了人工濕地處理規范，主要用于污水廠尾水、農田徑流等低污染水的處理。規范的出臺使人工濕地工藝選擇、面積計算等有據可依，部分規范參數見表2。當前規范參數取值主要基于前期經驗確定，參數區別較大。例如，CJJT54—2017［30］推薦在Ⅱ區(年平均氣溫8～16℃地區，如北京)設計潛流濕地采取1．5～2．5g•m－2•d－1的NH+4-N負荷;北京市地方規范［28］推薦取值則為2．5～8g•m－2•d－1，相差數倍。在配水設計、填料粒徑選擇等細節方面，大部分規范僅提出建議，沒有做嚴格的規定。此外，針對農村生活污水人工濕地小水量、波動性大等特點的技術做法規定較少。隨著技術持續推廣和工程后評估研究的開展，預計規范還將進一步進行完善和修訂。與丹麥、德國等地的設計規范［31］對比發現，歐洲設計規范主要以服務人口計算濕地面積，污染負荷取值僅為輔助，且對營養鹽污染負荷涉及較少，在我國的工程中無法直接套用。德國人工濕地規范針對農村污水處理，按一級處理、二級處理、深度處理分類，對人工濕地的填料種類、粒徑分布、配水頻率、預處理池容等均做出了詳細的規定，基本實現了技術標準化，但同時也削弱了靈活性。

4農村污水人工濕地出水指標制訂進展

由于農村污水處理設施水量小、位置分散、管理水平較低，對其出水指標的要求不宜照搬大型市政污水處理廠的嚴格標準。據徐志榮等［5］統計，浙江省各縣市在2015年執行的農村污水COD排放限值從50到200mg•L－1不等，未形成適合農村環境實際情況的標準體系。2017年以來，我國部分省市相繼頒布了農村污水排放標準。表3對國內外有代表性的排放標準進行對比。從表3可以看出，除個別環境敏感區域外，英國、美國、丹麥對農村污水處理的排放指標要求接近我國城鎮污水處理廠污染物排放標準［19］規定的二級處理標準，且對NH+4-N、TP等營養鹽的都未做要求。而日本對BOD排放標準較嚴，接近我國地表水環境質量標準［39］規定的地表水Ⅴ類，對TP的規定類似我國一級B標準。我國各地的農村污水排放標準區別較大，有的接近二級處理標準要求，有些地區則要求達到地表準Ⅳ類水質，且大多對氮磷營養鹽提出了限制。綜合來看，我國標準嚴于歐美國家。目前，大部分省市還未頒布針對農村污水的排放標準。王洪臣［3］和徐志榮［5］提出，應該針對受納水體的環境容量制訂排放標準，同時，應認識到農村污水設施運行的“免操作”“少監測”需求，適當減少考核指標，并對TN、TP等指標適當放寬要求。在農村污水項目特點的限制下，現有處理技術是否能實現穩定達標也成為標準制定的重要因素。石磊等［40］對北京市平谷區陳莊子污水處理人工濕地進行了運行數據分析，發現經隔離沉淀池－潛流人工濕地工藝處理后，出水COD、NH+4-N、TP平均值基本達到當地排放標準，即地表Ⅳ類水平，但抽樣達標率僅為80%。采用其他工藝的分散污水處理設施也面臨同樣的波動性問題。因此，建議對農村污水排放不宜采用實時或逐日監測的嚴格考核制度，而應強調其長期的污染削減效果。

5人工濕地低溫運行效果及保證措施

冬季低溫條件下，微生物對污染物的降解作用和植物的吸收作用均明顯低于其他季節。因此，不論是傳統生化處理技術還是人工濕地技術，均面臨冬季處理效率下降的問題，其中又以氮的去除過程受影響最大。Wang等［41］將寒冷地區的45座人工濕地與溫暖地區的58座人工濕地進行對比，發現兩組人工濕地的BOD、COD、TP去除率沒有顯著差異;寒冷地區人工濕地對NH+4-N的去除率低于溫暖地區，但平均去除率仍達到40%以上。因此，在占地等條件允許的情況下，人工濕地仍是寒冷地區農村可選擇的技術之一。人工濕地在我國北方寒冷地區也有應用和研究，但由于溫度影響和北方農村經濟水平的限制，其進展較緩于氣候溫暖地區。陳曉東［42］以沈陽大孤家子鎮400m3•d－1的污水處理系統為例，研究認為厭氧預處理+潛流人工濕地的工藝路線適用于沈陽的農村污水特點，冬季運行可靠，出水可達到城鎮污水處理廠污染物排放標準［19］中二級標準?！哆|寧省農村生活污水處理技術指南(試行)》(征求意見稿)［43］中提出，潛流人工濕地適用于資金短缺、土地面積相對充足的農村地區，但處理效果受季節影響。當前，為保障人工濕地低溫運行效果，通常采用以下幾種方法。一是采取保守設計［44］，即較小的處理負荷、較長的停留時間，以補償冬季凈化效率降低的影響;二是采用單元內保溫措施，如在表流濕地利用挺水植物截留降雪形成保溫層、在潛流濕地表面鋪設秸稈層等［5］;三是采用單元外保溫措施，如拉薩市甘曲濕地采用了外設鋼架玻璃溫室的方法［45］;四是設置額外存儲池容，如吉林通化的一處農村污水人工濕地，冬季僅儲存污水不排放，其他三季處理后排放［46］。夏秋季出水水質基本可以達到一級A標準，春季對冬、春兩季污水合并處理，出水水質基本可以達到一級B標準。

6展望及建議

“十二五”以來，人工濕地技術在我國農村生活污水處理中得到了廣泛的應用，針對該技術的研究和規范制訂也得到了長足的進步。結合國家水污染防治行動計劃的相關要求，認為在人工濕地處理農村污水方面，以下幾個方面還需要重點關注和研究:一是針對用地受限的地區，如何通過強化手段，提高單位面積處理負荷，實現人工濕地的小型集約化;二是針對不同的受納水體開展設計、運維研究，尤其是對環境敏感、排放標準嚴苛地區開展深度凈化穩定達標技術的研究;三是針對水量小、波動性大的農村污水人工濕地，研究建立適宜的設計、施工、運維體系，使其與項目管理模式相適應;四是對人工濕地的詳細設計進行歸納優化，形成類似于傳統給排水工程的設計手冊;五是人工濕地資源循環技術研究，包括肥水資源利用、植物秸稈的回收利用等。

作者:林卉 姜忠群 冒建華 單位:北控水務(中國)投資有限公司