摘要人工湿地具有氮磷去除能力强、维护管理耗费低等优势，使其成为解决我国农村水污染问题的理想工艺，然而人工湿地普遍存在的堵塞问题阻碍了该技术的广泛推广。采用一种基于粒料砌块的防堵塞人工湿地处理广东农村生活污水，结果显示，人工湿地在短期及长期运行阶段内均可发挥较好的氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）与化学需氧量（COD）去除效果，其中运行长期时间内对各项污染物的去除率在50%～70%，表明采用粒料砌块技术可较为有效地保证人工湿地的长期净化效果。
关键词人工湿地；堵塞；粒料砌块；生活污水；去除效率
中圖分类号X703文献标识码A文章编号0517-6611（2018）25-0182-04
Purification Effect on Rural Domestic Sewage by Using an Anticlogging Constructed Wetland Based on an Aggregates Block Method
XU Yang1，2，ZENG Chunshan1，2，WANG Dairong1，2 et al
（1.Environmental Horticulture Research Institue of Guangdong Academy of Agriculture Sciences，Guangdong Provincial Key Lab of Ornamental Plant Germplasm Innovation and Utilization，Guangzhou，Guangdong 510006；2. Key Laboratory of Urban Agriculture in South China， Ministry of Agriculture， P.R.China，Guangzhou，Guangdong 510640）
AbstractHigher disposal rate of N and P and lower cost on maintaining and management makes constructed wetland to be an ideal method to purify rural domestic sewage， however， the ubiquitous clogging is one of the major impediments to the promotion of constructed wetland. An anticlogging constructed wetland based on an aggregates block method was used to purify rural domestic sewage in Guangdong， results indicated that this constructed wetland showed a good disposal rate on NH4+N， TP and COD in both short and long term. The disposal rate on every contaminant were all during 50% and 70% in the longterm， which demonstrated that the aggregates block method can be an effective way to maintain the longterm purifying efficiency of constructed wetland.
Key wordsConstructed wetland；Clogging；Aggregates block；Domestic sewage；Disposal rate
在环保领域，人工湿地（Constructed wetland）一般指为了人类的利用和利益，由人工建造和监督控制的，人为地将饱和基质、水生植物、动物和水体组成的模拟自然湿地的复合体[1-2]。作为一种污水处理工艺，人工湿地具有氮磷去除能力强、维护管理便利、工程基建与运行耗费低等特点[3]。
经济的迅猛发展、城市化进程加快与农村人口密度的增加，已导致我国多个地区的农村水污染问题愈发严重。以广东省为例，已形成点源与面源污染共存、生活污染与生产污染叠加的态势，兼具复合性与长期性的水污染直接危害着农村居民饮用水安全和生态环境。水污染问题早已成为广东省“十三五”规划绿色发展的重要内容之一，探索符合农村社会经济现状与环境问题特征的水污染处理手段则是解决农村水环境问题的关键环节。人工湿地较低的运行管理投入使其较符合广大农村的负担能力与普遍需求，同时人工湿地的高氮磷去除率使其对农村水环境问题具有较高的针对性。此外，人工湿地较高的景观可塑性使其更易融入农村自然景观，使人工湿地成为解决农村水环境问题、推进绿色发展的理想手段[3]。
人工湿地污水处理技术吸引了国内外学者开展了大量研究，随着技术研发的不断深入，人工湿地技术的局限性也逐渐凸显。长期运行的人工湿地容易出现堵塞的情况，这将导致人工湿地水力传导系数降低、除污效果变差、运行寿命缩短等问题，严重限制人工湿地的长期运行稳定性，成为阻碍人工湿地推广应用的最大障碍[4]。研究指出，人工湿地积累的有机物主要集中在人工湿地系统的表层[5]，因此针对系统表层降低堵塞情况可为提高人工湿地长期运营寿命提供了理论可能性，同时这也是人工湿地污水处理技术发展的关键方向之一。
笔者设计了一种防堵塞的人工湿地系统，采用粒料砌块工艺将湿地系统表层基质模块化，以达到减少堵塞的目的。以广东省广州市增城区群爱村为试验地点，运用该工艺处理农村生活污水并探讨其长期运行效果。
1材料与方法
1.1研究地概况
研究地为广州市增城区群爱村，该村占地面积2.5 km2，属南亚热带季风气候，多年均温26 ℃。群爱村无工业企业，水环境污染主要来源于生活用水。村民居住点较为分散，缺乏完善的污水收集管道系统，百花溪是生活污水的主要排放地，而百花溪最终流入的百花林水库是增城重要的饮用水源地。
1.2系统组成
该研究采用垂直上行流人工湿地处理农村生活污水，该系统主要由污水收集管网与粒料砌块吸附池两部件组成。污水收集管网与粒料砌块吸附池连接，收集该村50多戶生活污水并接入粒料砌块吸附池中。粒料砌块吸附池为12.0 m×5.0 m×1.2 m的槽体，槽体带有上进水口与下出水口，其中槽体上进水口与污水收集管网连接。粒料砌块吸附池槽体内基质由下至上分别为150 mm厚的黏土隔水层、150 mm厚的碎石（粒径20～50 mm）、500 mm厚的火山石（粒径5～20 mm）、200 mm厚的碎石（粒径3～5 mm）并在其最上层均匀布设粒料砌块（图1）。粒料砌块为用陶粒与混凝土混合制成的300 mm×300 mm×200 mm块状多孔结构，每个粒料砌块留有2个半径50 mm的植物种植孔（图2）。
吸附池粒料砌块上种植水生植物，植物配置以多年生挺水植物为主，包括梭鱼草（Pontederia cordata）、菖蒲（Acorus calamus）和鸢尾（Iris tectorum），3种水生植物均来源于广东陈村。吸附池槽体内以13块粒料砌块为1列，每粒料砌块栽种2株同种植物，其中梭鱼草种植3列共78株，菖蒲与鸢尾均分别种植6列共156株。
1.3方法
在粒料砌块吸附池的入水口与出水口取水样并分析污水中氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）与化学需氧量（COD）浓度。人工湿地建成短期内，分别于0、48、96、144、192与240 h各取一次水样，共6次，分析得出系统短期的污水处理结果；人工湿地建成后一段时间，分别于2016年1—6月每个月中旬各取一次水样，共6次，分析得出系统长期的污水处理结果。各水质检测项目的测定方法依据《水和废监测分析方法（第4版）》。
安徽农业科学2018年
1.4统计分析
该研究采用R语言（Version 3.4.3）软件进行各项数据分析与统计绘图，采用配对T检验分析水质检测系统出、入水口各项指标的显著性差异。
2结果与分析
2.1人工湿地对污水中NH4+-N、TP、COD的短期净化效果
图3显示，人工湿地建成短期内（0～240 h）出水口检测的NH4+-N、TP与COD浓度整体均明显高于入水口处的同比水平。配对T检验结果显示，出、入水口处NH4+-N、TP与COD浓度均存在显著差异（NH4+-N：t=5.50，P<0.01；TP：t=3.52，P<0.05；COD：t=6.12，P<0.01），表明人工湿地建成短期内显著降低了污水中的NH4+-N、TP与COD浓度。
在人工湿地建成短期内，人工湿地对NH4+-N的去除率呈现逐步上升趋势，由建成0 h的12.9%持续上升并于192 h达到最大值43.6%，其后略有下降但整体仍保持在40%以上。人工湿地对TP的去除率亦呈现逐步上升趋势，建成初期其对TP的去除率相对较低，不足1%，其后持续上升并于240 h达到最大值47.4%，其TP去除率在144～240 h略有波动，但整体仍保持在40%以上。人工湿地对COD的去除率同样呈现了逐步上升趋势，由建成0 h的36.9%持续上升并于144 h达到最大值80.9%，其后略有下降但整体仍保持在70%以上（图4）。
2.2人工湿地对污水中NH4+-N、TP、COD的长期净化效果
图5显示，2016年1—6月在人工湿地出水口检测的NH4+-N、TP与COD浓度整体均明显高于入水口处的同比水平，配对T检验结果显示，出、入水口处NH4+-N、TP与COD浓度均存在显著差异（NH4+-N：t=19.46，P<0.001；TP：t=8.28，P<0.001；COD：t=10.70，P<0.001），表明在该时间段人工湿地显著降低了污水中的NH4+-N、TP与COD浓度。
整体保持在相对较高水平，除2016年4月的去除率相对较低外（45.8%），在该时间段的其他月份NH4+-N去除率均保持在50%以上。在该时间段内，人工湿地对TP的去除率保持在相对较高水平，在各个月份的去除率均接近70%左右，同时其在2016年5月达到了80%。相同时间段内，人工湿地对COD的去除率同样保持了相对较高水平，除2016年4月的去除率相对较低外（50.7%），在该时间段的其他月份的COD去除率均接近70%左右（图6）。
3讨论
人工湿地主要通过水生植物、微生物与基质等作用去除污水中的污染物质，在系统反应初期，处于快速生长阶段的水生植物与微生物需利用大量污染物，因而其对污染物的去除率也逐渐升高。系统运行至植物根系趋于成熟及微生物生物量接近容纳量后，水生植物根系与基质的吸附能力也将逐渐饱和，使得对污染物的去除率逐渐趋于平缓[6]。图4显示，该研究人工湿地系统运行短期内（240 h）对NH4+-N、TP与COD的去除率总体呈现前期上升、后期逐渐趋于平缓的趋势，符合一般规律。
人工湿地建成运行1年后（2016年1—6月），系统对NH4+-N、TP与COD的去除率总体表现较为稳定（图6），且系统对各污染物的去除率均高于系统建成短期内（240 h）同比水平，表明人工湿地内水生植物、微生物在生长至成熟水平后与基质共同组成了有机系统并发挥着稳定的去污功能。此外，在该时间段内系统对NH4+-N、TP与COD的去除率虽均有所波动，但其后均再次趋于稳定，反映了稳定阶段的人工湿地系统具备了一定的抗干扰与恢复能力。
科學合理的植物配置是影响人工湿地污水处理效果的重要因素之一。刘颖等[7]研究了包括梭鱼草、鸢尾及菖蒲在内的10种水生植物对生活污水的净化效果，发现各植物的年平均污染物去除率处于40%～70%，其中梭鱼草对NH4+-N与COD有较高的去除率，菖蒲与鸢尾对TP均具有较高的去除率，此外鸢尾对TN的去除率达到最高。由于人工湿地对NH4+-N的去除主要通过植物吸收与根系微生物的硝化与反硝化作用实现[8]，梭鱼草以其丰富的根际微生物活性及较大的总根系面积使其成为去除NH4+-N的首选[9]，同时也有研究指出梭鱼草具有较佳的重金属去除效果[10]。人工湿地对磷的去除主要通过植物吸收、基质吸附与微生物转化共同完成，生长旺盛的菖蒲与鸢尾一方面可吸收无机磷酸盐，同时可通过光合作用与呼吸作用促进微生物对磷的过量积累，提高净化率[9]。人工湿地对COD的去除主要依靠基质吸附与微生物的降解等作用[6，11]，代谢旺盛的梭鱼草等可为根际微生物较理想的生存环境，进而促进对COD的降解与去除。该研究选取梭鱼草、菖蒲与鸢尾作为人工湿地植物配置，对各污染物的去除率总体处于50%～70%，一方面高效地去除了污染物，另一方面也可提高农村的生态与景观效益[7]。
运营过程中人工湿地的堵塞问题是影响人工湿地系统长期有效工作的关键问题之一[4，12]，同时技术水平相对较低的农村施工队伍难以满足人工湿地的持续高质量维护，使得堵塞后的维护问题成为了阻碍人工湿地技术推广的障碍[4]。该研究采用基于粒料砌块的人工湿地处理农村生活污水，变相增大的孔隙尺寸一定程度上可缓解系统表层有机质堵塞问题[5]，模块化的粒料砌块降低了更换表层基质的难度与技术要求，同时其在长期运营时保持了稳定、较高的NH4+-N、TP与COD去除率，使该技术工艺有利于保持人工湿地系统的长期高质量运作，进而也有利于将人工湿地技术进一步推广。
采用粒料砌块的防堵塞人工湿地技术展现了较广阔的应用前景，在未来应进一步制定粒料砌块等模块化基质工艺统一的制备标准；同时不同模块化工艺对农村生活污水的净化效果仍有待更深入的比较研究，为进一步提高该工艺与人工湿地的广泛适用性提供依据。此外，将粒料砌块技术与其他技术手段相结合也是有前景的发展方向，如间歇运行与轮休可有效减少不可滤有机物的积累速度[13-14]，适量添加HCl、NaOH等化学物质可在一定程度上恢复基质的有效孔隙空间[15]，投入蚯蚓等动物可发挥疏通基质、清除基质表面有机沉淀的作用等[16]，可降低基质的堵塞率并提高系统的水力传导性能，从而达到维持人工湿地长期高质量运营的效果。
4结论
综合分析，运用粒料砌块的人工湿地在运行短期与长期内均发挥了较好的NH4+-N、TP与COD去除能力，运用粒料砌块防堵塞的技术是人工湿地长期有效运行的重要保证。该研究的结果为探索解决人工湿地普遍存在的堵塞问题提供了依据，同时也为进一步将该技术结合其他人工湿地管理、维护工艺奠定了基础。
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