我国农村人口多, 居住分散, 农户生活污水的随意排放已成为亟需解决的农村点源污染问题^[1~3]。受农村经济条件、技术水平制约, 传统城镇污水处理工艺的建设、运行和维护管理成本大, 难以适用于农村生活污水的治理^[4~6]。国内外大量研究表明, 人工湿地因其具有建设成本低、处理效果好、运行费用省及良好景观效果等特点^[8~12], 用于处理农村尤其是山区生活污水具有良好的经济和生态环境效益^[13~15]。国内在人工湿地处理单户型农村污水上也有一些成功的事例。吴树彪等采用家庭组合人工湿地系统处理北京昌平地区农户污水, 龙翠芬等广东省珠海市上洲村比较了农户庭院型垂直流和水平潜流人工湿地系统处理效果^[16]。人工湿地作为人为设计的生态系统, 受气候、地理等条件的影响, 湿地植物及模式工艺的应用具有区域局限性^[17,18]。本文基于我国亚热带山区的特点, 以个体农户生活污水处理作为研究对象, 设计构建了一套可组装的农户型组合湿地系统, 并通过一年多的污水处理试验, 检测该系统的处理效果与稳定性。

　　 参考《农村生活饮用水量卫生标准》 (GB 11730-89) , 考察了湖南地区多个乡村, 确定了单个农户家庭污水排放量为0.5~1.5m³/d。为确保处理效果, 本系统模式设计处理量为2 m³/d, 处理后出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准。农户湿地系统模式进水和设计出水指标见表1。

　　 占地面积4m², 系统总容积为7.35m³, 有效容积 (除去填料所占空间) 约为4.02m³, 因此, 系统表面水力负荷为0.5m³/ (m²·d) , 水力停留时间HRT为42h。

　　 系统采用一级表流人工湿地+三级潜流人工湿地的组合模式, 工艺流程见图1。系统接受化粪池预处理出水, 经表流湿地 (A单元) 处理后, 依次进入三级潜流湿地 (BⅠ、BⅡ、BⅢ单元) 。系统水流方式为自流, 潜流单元的进出水口高差为30cm, 水位用水阀门调控在低于填料表面15~20cm。

　　 表流湿地A单元主要功能是沉淀、厌氧降解大分子有机物, 三级潜流湿地主要功能依次为去除小分子有机物、阳离子污染物与阴离子污染物。每个处理单元设置排污口1个, 用于系统长时期运行后污泥的排放与收集。

　　 农户湿地系统各处理单元的尺寸大小如下:A单元的长宽高为1m×1m×2.2m。BⅠ、BⅡ、BⅢ单元尺寸相同, 长宽高均为1m×1m×1.6m。单元A、BⅠ、BⅡ和BⅢ均为独立的单元, 试验用系统单元的壁和底采用不锈钢制作, 可组装和拆卸。实际应用时可改用其他廉价的材料以降低单元制作成本。各处理单元设有6根竖立的 (Ø10) PVC通气管, 目的是铺设填料后增加单元的通气度。密封组装后的单元之间采用 (Ø50) PVC管道连接, 形成完整的处理系统。

　　 处理单元的植物和填料配置见表2。植物是人工湿地生态系统的核心要素, 可改善湿地系统的生物结构与功能, 增强系统抵抗季节变化的能力^[19~22]。本系统采用了“木本+灌木+一年生草本”湿地植物配置模式, 目的是构建具有季节特点的复合型湿地植物群落, 丰富湿地系统生物多样性。填料是人工湿地净化水质过程中的关键要素, 直接影响着湿地系统的污水处理效果^[22~25]。本着低成本高效率的填料配置原则, 结合设计的处理单元功能, 在BⅠ、BⅡ和BⅢ单元分别铺设了具有去除有机污染物、阳离子、阴离子的高吸附容量的填料。

　　 试验装置建于湖南某高校内, 污水水源为该高校化粪池出水, 污水中污染物浓度与实地考察的农村生活污水水质大致相符。系统自2015年6月正式运行, 期间采用连续进水方式, 检测时期为13个月。系统运行后期定点排污2次, 每次排污加空置时长24h。运行检测时期, 每周采样分析一次, 采样点为各处理单元进出水口, 每点取3个样, 每样取200mL, 采样后立即进行分析, 分析项目为TSS、COD、BOD₅、TN、TP和NH₃-N。水样测定方法参照《水和废水监测分析方法》 (第4版) 。

　　 湿地植物于2015年4月栽种, 次年11月收获。植物收获烘干后, 称量植物根茎叶的各自干重。干物质生物量测定后, 使用植物粉碎机将根茎叶依次粉碎, 测定其氮磷含量, 测定方法分别采用靛酚蓝比色法、钼锑抗比色法。

　　 表3给出了农户湿地系统进出水中全年污染物浓度以及去除率的平均值。数据表明, 构建系统年均出水浓度的TSS、COD、BOD₅、TN均高于设计的 (GB 18918-2002) 一级B排放标准, NH₃-N、TP约低于国家一级B标准。系统全年TSS、COD、BOD₅的去除率较稳定, 均高于80%, TN、NH₃-N、TP的年均去除率也分别达到48.8%、51.1%和61.5%。运行期间, TN、NH₃-N和TP的去除率波动较大。试验结果证明, 构建的农户湿地系统具有很强的去污能力, 年均值中NH₃-N、TP指标尚达不到设计的一级B标准的主要原因是无机氮、磷的去除发生在处理过程的后置单元, 这是氮、磷去除率远远低于COD去除率的主要原因。低温期 (11月~次年2月) 系统氮、磷的去除率显著降低, 其主要原因是低温期系统的生物活性低, 而随处理时期延长, 无机氮、磷在系统的积累量逐步增大。

　　 根据系统运行所在地的气候特点, 11月底至次年3月, 温度范围为-2~15℃, 视为冷季, 其他月份温度为16~39℃, 视为暖季, 表4给出了系统冷暖季污染物质的去除情况。

　　 尽管冷季时期进水中污染物浓度均高于暖季时期的污染物浓度, 但系统对TSS、COD去除稳定, 冷暖季出水浓度均可达到一级A排放标准。温度变化对氮磷的去除影响较大, 暖季, TN、NH₃-N和TP的平均去除率大于60%, 其绝大部分检测的出水浓度值达到了一级B的排放标准。而在冷季, TN、NH₃-N和TP三项指标的去除率显著下降, 出水浓度仅达到二级标准。这主要是因为在低温条件下, 湿地微生物活性降低, 湿地植物吸收氮、磷的量也急剧减少, 导致氮、磷在系统内累积。因此要增强系统去氮除磷的稳定性, 必须采取包括清除残枝落叶、保温和排放污泥等有效措施, 加强冬季系统的运行管理。

　　 图2表明了污泥排放对系统去污效果的影响, 表5比较了排污前后1个月内各主要污染物的去除率变化。

　　 由图2可知, 各主要污染物的出水浓度均呈现随运行时间的增长而升高的趋势。与常规生化处理工艺不同, 潜流湿地单元中的水污分离主要依靠介质填料的吸附过滤作用, 随处理时间延长, 被介质填料截留的污染物质增多并逐步在系统中积累, 从而影响出水水质。理论上, 定期的排放污泥可降低系统无机氮、磷的积累量, 减缓填料中污染物积累饱和的趋势, 维持系统液固相污染物质动态平衡的稳定性。

　　 表5的检测数据显示污泥排放措施提高了系统TN、NH₃-N和TP的去除率, 效果非常显著。污泥排放对COD的去除没有显著影响, 其原因是系统固相截留的有机污染物仍在微生物的作用下逐步降解, 因此, 系统固相无机N、P的积累对水质的影响要大于COD的影响。在给定的进水N、P浓度水平上, 要使出水NH₃-N和TP的浓度达到一级B标准, 则要求其去除率达到80%以上, 这对人工湿地处理系统工艺设计、运行和维护管理是一个极大的挑战。因此, 在南方地区采用农户湿地系统处理农户生活污水, 仍须采取其他有效措施, 来进一步提高系统尤其是冬季的去污效率。

　　 各处理单元的贡献率为该单元污染物去除量与系统去除总量的比值, 用百分数表示, 即单元贡献率 (%) = (单元出水浓度-单元进水浓度) / (系统出水浓度-系统进水浓度) ×100%。

　　 检测系统各处理单元贡献率 (年均值) 如图3所示。BⅠ单元去除TSS贡献率最高, 证明潜流湿地单元具有很强的去除TSS能力。因串联单元进水的有机污染负荷逐级减少, COD去除的贡献率也随处理单元依次递减, 因此, A单元对COD去除的贡献率最高。BⅡ单元中铺设了阳离子吸附剂填料, 其去除TN和NH₃-N的贡献率最大, BⅢ单元中铺设了阴离子吸附剂填料, 其去除TP的贡献率最大, 这与设计的单元功能基本一致。

　　 系统各处理单元配置的湿地植物生长快、适应污水环境能力强。优势植物木芙蓉、垂柳、夹竹桃、花叶芦竹和丛竹具有长势好、景观效果好的特点。3个月内农户湿地系统的绿化覆盖率可达到100%, 实现了湿地植物高景观配置的目标。表6、表7分别给出了植物生物量净增值、植物氮磷吸收量及贡献率相关情况。

　　 可以看到, 木芙蓉的生物量最大, 约占系统植物总生物量的50%, 其根系极其发达, 分布在BI单元每个角度, 木芙蓉氮磷量吸收量也高于系统植物总氮、磷量的50%。然而, 表7数据表明植物吸收对系统氮、磷去除的贡献率很小, 尚不到系统总去除率的2%和5%。显然, 人工湿地系统中植物的主要作用是其根系与填料介质、微生物形成微生态系统, 增强系统降解有机污染物的复合功能^[26,27]。

　　 (1) 系统去除COD、TN、NH₃-N和TP的效果好, 年均去除率依次为82.36%、47.51%、51.01%和62.09%, 其中COD全年出水浓度达到国家一级A标准 (GB 18918-2002) , TN年均出水浓度基本达到一级B标准, NH₃-N和TP的冬季处理效果较差, 仅达国家规定的二级标准。

　　 (2) 处理单元贡献大小表明污染物转化去除与设计的处理工艺流程基本一致, 即依次去除大分子有机物、小分子有机物、阳离子污染物和阴离子污染物。

　　 (3) 冬季低温对系统去除氮磷影响较大, 要增强系统去氮除磷的稳定性, 必须加强冬季系统的运行管理, 包括定期排放污泥减少系统磷的积累量, 选用优势冬季植物增强系统生物活性, 以及在填料中适量添加例如Ca (OH) ₂和FeSO₄等辅助除磷剂等。

　　 (4) 系统中植物吸收对氮、磷去除的贡献率较小, 其主要作用是其根系与填料介质、微生物形成微生态系统, 增强系统降解有机污染物的复合功能。