近年來，隨著我國農(nóng)村居民生活條件的明顯改善，農(nóng)村生活污水的排放量也隨之增大。2017年我國農(nóng)村地區(qū)污水排放量已近15Gt，預計到2020年，農(nóng)村生活污水排放量可達27Gt，將超過全國污水總排放量的50%。農(nóng)村生活污水的成分主要是N、P等營養(yǎng)鹽和有機物、病原體等，重金屬含量較少，可生化性強，直接排入周邊水體對農(nóng)村環(huán)境安全造成嚴重威脅。目前，我國農(nóng)村生活污水處理覆蓋率依然很低，據(jù)國家建設部2005年的《村莊人居環(huán)境現(xiàn)狀與問題》調(diào)查報告，全國96%的村莊缺乏相對完善的污水處理設備。至2016年，處理覆蓋率也僅達10%，大部分生活污水仍隨意排放。
我國農(nóng)村地區(qū)地形復雜、地勢多變，尤其是位于以丘陵、山地為主的地區(qū)，農(nóng)村人口呈現(xiàn)“大分散、小聚居”的居住格局。而我國農(nóng)村生活污水排放的時間及排量規(guī)律不明顯，日排放變化系數(shù)一般在3.0-5.0，變化系數(shù)可超過10.0。對岷江流域農(nóng)村的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污水排放時間集中在早上6點，中午12點到13點以及15點到19點半，但其余時段的污水排放量與居民的生活習慣等因素有關，排放量全天無固定量、居住分散以及污水排放的復雜性，導致我國農(nóng)村地區(qū)建設完善的管網(wǎng)系統(tǒng)的難度系數(shù)高，無法在農(nóng)村推行城鎮(zhèn)污水的集中處理模式。分散式污水處理可以綜合考慮當?shù)氐乃摹⒕坝^和生態(tài)，實現(xiàn)污水原地處理，具有投資建設費用少、建設周期短和見效快等優(yōu)點，所以采用分散式污水處理成為了處理農(nóng)村生活污水的一種新趨勢。
如今，一種新興的分散式處理工藝一一庭院式人工濕地，正逐漸步入人們的視野。庭院式人工濕地技術以基質(zhì)、植物及微生物組成一套系統(tǒng)，通過物理、化學和生物作用凈化污水。其投資建設成本較低、運行穩(wěn)定、維護簡便、凈化效果好，同時具有環(huán)境美化作用，尤其適合應用于經(jīng)濟欠發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)。本文敘述近年來國內(nèi)庭院人工濕地的發(fā)展過程和相關技術，以期為農(nóng)村生活污水處理提供有益的技術參考。
一、庭院式人工濕地的基本特征
農(nóng)戶自家的庭院通常用作農(nóng)作物種植或休閑的場所，若利用庭院空地構(gòu)建人工濕地，將水的生態(tài)化處理與美化院內(nèi)環(huán)境相結(jié)合，可構(gòu)建出一種能夠建于自家庭院內(nèi)，適用于單戶型的生活污水處理裝置一庭院式人工濕地。庭院式人工濕地是一種通過基質(zhì)植物和微生物的共同作用達到凈化污水的目的的單戶型人工濕地。它亦可和其他一體化裝置(如沉淀池、厭氧罐等)組合，作為污水深度處理的工藝。庭院式濕地在構(gòu)建時可設計成符合農(nóng)戶審美的外形，它可以直接建設在農(nóng)戶自家的院子中，占地面積大大減少，不存在征地問題，與傳統(tǒng)的污水集中處理模式相比，庭院式人工濕地對污水的收集和處理費用可以減少60%以上。因此庭院式人工濕地的群眾接受度要高于傳統(tǒng)的人工濕地。
庭院式人工濕地系統(tǒng)的組成一般包括初沉池和凈化池(即庭院人工濕地主體，包括基質(zhì)、植物和微生物等)。初沉池設置格柵，污水流經(jīng)時可以去除體積較大的懸浮物；然后流入凈化池，在凈化池內(nèi)利用基質(zhì)、植物和微生物的聯(lián)合作用去除污水中的COD、氮、磷等污染物;凈化岀水就近排入附近水體。在條件允許的情況下，可在凈化池后面建造一個小型魚池，既能增加庭院景觀情趣，又起到二次沉淀、進一步凈化污水的作用，又可提升庭院觀感阿。與傳統(tǒng)的人工濕地相比，庭院式人工濕地精致小巧，所以它的各項工藝參數(shù)都可以準確調(diào)整和控制，研究表明，單戶型家庭生活污水處理的岀水質(zhì)量可以基本達到GB8978-1996一級標準。
二、庭院式人工濕地的相關應用
發(fā)達國家在農(nóng)村污水處理中廣泛應用了各種類型的庭院式人工濕地，大大提高了污水處理效能。日本的凈化槽技術是將傳統(tǒng)的化糞池技術進行改良，應用于排水管網(wǎng)不能覆蓋、污水無法進行集中處理的偏遠地區(qū)。在挪威，1〜7戶家庭所產(chǎn)生的生活污水，先進行化糞池預處理，然后由就地建造的集成式微型處理設備進行生化處理，處理后污水單獨執(zhí)行環(huán)境管理局認可的排放標準，其中生物法處理的出水典型BOD7標準為15〜20g/m3。
美國采用化糞池與土壤吸附相結(jié)合的分散式處理系統(tǒng)處理郊區(qū)污水。分散式處理系統(tǒng)在美國肯塔基州與南卡羅萊州的使用率已達40%，在北卡羅萊納州使用率也有48%，在美國加利福尼亞州，當?shù)丶彝ゲ捎冒腴g歇垂直流濕地處理洗滌廢水，出水COD和BOD的去除率均能達到95%以上，氨氮的去除率也可達到60%以上，水質(zhì)達到當?shù)胤秋嬘没宜倮?a href="http://jintianmj.com/" target="_blank" class="keylink">水質(zhì)標準。
在德國，為了處理單戶家庭或小型村莊的產(chǎn)生的生活污水，當?shù)亟ㄔ炝思s5000座小型潛流濕地，這些濕地絕大多數(shù)用于處理20戶居民以下的社區(qū)污水㈤。在尼泊爾的加徳滿都谷地地區(qū)，通過構(gòu)建濕地，配置池塘和噴泉系統(tǒng)將景觀效益與凈化效益結(jié)合，處理后的家庭污水再回用于園藝，此類濕地系統(tǒng)的BOD和COD去除率可達到80%和98%。
庭院式人工濕地只處理單戶產(chǎn)生的污水，因而具備良好的抗沖擊負荷能力。為處理朝鳳庵村的餐飲廢水，北京市昌平區(qū)設置了1套由地下二級沉淀池和柳樹濕地床組成的庭院式人工濕地復合系統(tǒng)，其TP去除率在79.5%〜90.7%，氨氮去除率在84.5%〜96.0%，COD的去除率平均達94.5%。廣東珠海上洲村建設了農(nóng)戶型水平潛流與垂直流人工濕地處理農(nóng)戶生活污水，出水平均中COD、BOD5和TP含量已達到GB18918-2002的-級A標準。海南省保亭縣建立了1種庭院式人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)合了雨水收集、水培農(nóng)業(yè)、人工濕地等多項技術，有效解決了當?shù)厮Y源供應不足以及資源浪費等問題。經(jīng)監(jiān)測，該系統(tǒng)的出水中BOD5小于2mg/L，COD小于5mg/L，達到了GB5084-2005農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準，可用于植物灌溉，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。
三、庭院式濕地的植物配置
庭院式濕地采用的工程植物需要選擇耐污性好、凈化能力強的物種，并保證植物的觀賞性。我國濕地植物種類多樣，為庭院式人工濕地植物的配置提供了豐富資源庫，然而，植物選擇要因地制宜，盲目套用其他地區(qū)的模式可能會導致處理效率低、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，甚至會造成生物入侵問題。配置工程植物時也可適當增加農(nóng)戶自選種類，進一步提高人工濕地的可適性和觀賞價值。
3.1 常見的庭院式濕地植物
植物是構(gòu)成人工濕地系統(tǒng)的主體。全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物多達6700余種，但只有一小部分被廣泛應用于人工濕地。根據(jù)生活型劃分為挺水植物、浮水植物和沉水植物旳。常見的挺水植物有美人蕉、梭魚草、再力花、蘆葦?shù)?表1)；常見的浮水植物有睡蓮、王蓮等;常見的沉水植物有金魚藻、眼子菜等。
3.2 植物的耐污與凈化污水能力
N、P是水生植物生長所必需的營養(yǎng)元素，人工濕地中工程植物的代謝消耗水體中的氮、磷等，連續(xù)3年監(jiān)測濕地植物的生長與污水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除情況，發(fā)現(xiàn)植物直接影響污水凈化的效果，并且高含量的N、P污水影響植物正常生長，進而降低濕地凈化效能。配置植物時應重點考慮植物的耐污能力。工程植物對于污染物的耐受能力和凈化能力存在差異，再力花可在NH4+-N的質(zhì)量濃度50mg/L的水體中生長，花葉蘆竹在NH4+-N的質(zhì)量濃度30mg/L以上不能生長。對比菖蒲、香根草、薏苡等7種植物的N、P凈化能力，香根草對TN的去除率高達90.70%；香根草、美人蕉、黃菖蒲對TP的去除率分別達到86.39%、83.99%和75.59%，美人蕉的N、P積累量高達1344g和137.1g。同時，研究發(fā)現(xiàn)在NO3--N、PO43-，的質(zhì)量濃度分別為20.3>20.1mg/L的條件下，菖蒲、山鶯尾和再力花對氮、磷的去除能力最強網(wǎng)。
3.3 庭院植物的觀賞價值
植物觀賞價值也是構(gòu)建庭院人工濕地的重要因素，合理搭配的觀賞植物可以裝點庭院濕地，凈化污水的同時調(diào)節(jié)和豐富住戶的精神生活。目前庭院人工濕地中常用的觀賞植物包括鶯尾、美人蕉、千屈菜等具有觀賞價值的濕地植物。路易斯安娜鶯尾(lris hexagona)花色繁多、葉形優(yōu)美，夏季可賞花，冬季可觀葉，新陳代謝旺盛，一年四季均可發(fā)揮凈化水體的功能。最常見的濕地植物美人蕉，花期長，適宜在濕地中栽植，是庭院觀花、觀葉良好的兼具高凈化力的濕地植物。有“水上天堂鳥”美譽的再力花植株高大挺拔，花序呈藍紫色，素雅別致，是水景綠化的上品花卉佝。再力花對富營養(yǎng)化水體的凈化能力較高，TN的去除率能達到95%以上。這些植物，在美化庭院、凈化水體方面有巨大的應用價值旳。
除了考慮植物本身的觀賞價值，還要從種間搭配、合理布局與景觀美學等方面綜合考慮植物的配置網(wǎng)。在水平布局上要注意有觀花植物與觀葉植物、常綠植物與落葉植物等的搭配，在空間配置上要考慮挺水植物與沉水植物搭配等，時間配置上要注意四季有花，各季節(jié)有獨特的景觀網(wǎng)。通過合理配置人工濕地植物群落的物種結(jié)構(gòu)、生長序列及色調(diào)組成，濕地景觀在視覺上可與當?shù)氐淖匀痪坝^、人文景觀融為一體。同時，合理的植物配置，一定程度上能夠加強濕地凈化污水的能力，有利于實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的完全與半完全自我循環(huán)。
四、問題與展望
庭院式人工濕地的出現(xiàn)和發(fā)展為農(nóng)村地區(qū)處理生活污水提供了新思路，是未來農(nóng)村生活污水處理的一種新趨勢。目前庭院式人工濕地的應用仍存在一些薄弱之處，在今后研究中，可以更多側(cè)重以下幾個方面：
1)針對性地將庭院式人工濕地和其他處理工藝組合，形成適合庭院施工、運行和維護的適宜性技術，構(gòu)建多級庭院水平潛流濕地、庭院垂直流濕地及組合濕地等，通過篩選基質(zhì)、改進滯留池、調(diào)節(jié)間歇運行時間等方式強化工藝的脫氮除磷效果。
2)依托成熟的工藝組合，定量化對比挺水植物、浮水植物、沉水植物在污染物的吸收、吸附、富集、降解以及根系泌氧等方面的特征，挖掘具有良好凈化潛力的觀賞性植物及其組合。在此基礎上，采用高通量測序手段對長期運行的庭院式濕地中的根際微生物群落進行解析，以揭示庭院濕地處理效能波動的微生物演變機制。
3)考慮濕地植物的季節(jié)性配置和功能性配置，融入現(xiàn)代園林設計理念，增加庭院式人工濕地的藝術性，構(gòu)建具有“一年四季生機盎然、功能植物交替凈化”特征的庭院式人工濕地，真正將農(nóng)村生活污水的處理和農(nóng)村環(huán)境的綠化美化融為一體，提升生態(tài)效益。（ >
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