近年來(lái)，隨著我國(guó)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(guó)農(nóng)村地區(qū)污水排放量已近15Gt，預(yù)計(jì)到2020年，農(nóng)村生活污水排放量可達(dá)27Gt，將超過(guò)全國(guó)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(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物、病原體等，重金屬含量較少，可生化性強(qiáng)，直接排入周邊水體對(duì)農(nóng)村環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅。目前，我國(guó)農(nóng)村生活污水處理覆蓋率依然很低，據(jù)國(guó)家建設(shè)部2005年的《村莊人居環(huán)境現(xiàn)狀與問(wèn)題》調(diào)查報(bào)告，全國(guó)96%的村莊缺乏相對(duì)完善的污水處理設(shè)備。至2016年，處理覆蓋率也僅達(dá)10%，大部分生活污水仍隨意排放。
我國(guó)農(nóng)村地區(qū)地形復(fù)雜、地勢(shì)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(guó)農(nóng)村生活污水排放的時(shí)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(guò)10.0。對(duì)岷江流域農(nóng)村的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污水排放時(shí)間集中在早上6點(diǎn)，中午12點(diǎn)到13點(diǎn)以及15點(diǎn)到19點(diǎn)半，但其余時(shí)段的污水排放量與居民的生活習(xí)慣等因素有關(guān)，排放量全天無(wú)固定量、居住分散以及污水排放的復(fù)雜性，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)村地區(qū)建設(shè)完善的管網(wǎng)系統(tǒng)的難度系數(shù)高，無(wú)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(dāng)?shù)氐乃摹⒕坝^和生態(tài)，實(shí)現(xiàn)污水原地處理，具有投資建設(shè)費(fèi)用少、建設(shè)周期短和見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)，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(shì)。
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(shù)以基質(zhì)、植物及微生物組成一套系統(tǒng)，通過(guò)物理、化學(xué)和生物作用凈化污水。其投資建設(shè)成本較低、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便、凈化效果好，同時(shí)具有環(huán)境美化作用，尤其適合應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)。本文敘述近年來(lái)國(guó)內(nèi)庭院人工濕地的發(fā)展過(guò)程和相關(guān)技術(shù)，以期為農(nóng)村生活污水處理提供有益的技術(shù)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(chǎng)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(guò)基質(zhì)植物和微生物的共同作用達(dá)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(shí)可設(shè)計(jì)成符合農(nóng)戶審美的外形，它可以直接建設(shè)在農(nóng)戶自家的院子中，占地面積大大減少，不存在征地問(wèn)題，與傳統(tǒng)的污水集中處理模式相比，庭院式人工濕地對(duì)污水的收集和處理費(fèi)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(shè)置格柵，污水流經(jīng)時(shí)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(gè)小型魚(yú)池，既能增加庭院景觀情趣，又起到二次沉淀、進(jìn)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(xiàng)工藝參數(shù)都可以準(zhǔn)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(dá)到GB8978-1996一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
二、庭院式人工濕地的相關(guān)應(yīng)用
發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)村污水處理中廣泛應(yīng)用了各種類(lèi)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(shù)是將傳統(tǒng)的化糞池技術(shù)進(jìn)行改良，應(yīng)用于排水管網(wǎng)不能覆蓋、污水無(wú)法進(jìn)行集中處理的偏遠(yuǎn)地區(qū)。在挪威，1〜7戶家庭所產(chǎn)生的生活污水，先進(jìn)行化糞池預(yù)處理，然后由就地建造的集成式微型處理設(shè)備進(jìn)行生化處理，處理后污水單獨(dú)執(zhí)行環(huán)境管理局認(rèn)可的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中生物法處理的出水典型BOD7標(biāo)準(zhǔn)為15〜20g/m3。
美國(guó)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(guó)肯塔基州與南卡羅萊州的使用率已達(dá)40%，在北卡羅萊納州使用率也有48%，在美國(guó)加利福尼亞州，當(dāng)?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(dá)到95%以上，氨氮的去除率也可達(dá)到60%以上，水質(zhì)達(dá)到當(dāng)?shù)胤秋嬘没宜倮?a href="http://jintianmj.com/" target="_blank" class="keylink">水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
在德國(guó)，為了處理單戶家庭或小型村莊的產(chǎn)生的生活污水，當(dāng)?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(guò)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(lèi)濕地系統(tǒng)的BOD和COD去除率可達(dá)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(fù)荷能力。為處理朝鳳庵村的餐飲廢水，北京市昌平區(qū)設(shè)置了1套由地下二級(jí)沉淀池和柳樹(shù)濕地床組成的庭院式人工濕地復(fù)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(dá)94.5%。廣東珠海上洲村建設(shè)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(dá)到GB18918-2002的-級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)技術(shù)，有效解決了當(dāng)?shù)厮Y源供應(yīng)不足以及資源浪費(fèi)等問(wèn)題。經(jīng)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)的出水中BOD5小于2mg/L，COD小于5mg/L，達(dá)到了GB5084-2005農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可用于植物灌溉，實(shí)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(qiáng)的物種，并保證植物的觀賞性。我國(guó)濕地植物種類(lèi)多樣，為庭院式人工濕地植物的配置提供了豐富資源庫(kù)，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(huì)導(dǎo)致處理效率低、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至?xí)斐缮锶肭謫?wèn)題。配置工程植物時(shí)也可適當(dāng)增加農(nóng)戶自選種類(lèi)，進(jìn)一步提高人工濕地的可適性和觀賞價(jià)值。
3.1 常見(jiàn)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(dá)6700余種，但只有一小部分被廣泛應(yīng)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(jiàn)的挺水植物有美人蕉、梭魚(yú)草、再力花、蘆葦?shù)?表1)；常見(jiàn)的浮水植物有睡蓮、王蓮等;常見(jiàn)的沉水植物有金魚(yú)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(zhǎng)所必需的營(yíng)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(cè)濕地植物的生長(zhǎng)與污水中營(yíng)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(zhǎng)，進(jìn)而降低濕地凈化效能。配置植物時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮植物的耐污能力。工程植物對(duì)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(zhǎng)，花葉蘆竹在NH4+-N的質(zhì)量濃度30mg/L以上不能生長(zhǎng)。對(duì)比菖蒲、香根草、薏苡等7種植物的N、P凈化能力，香根草對(duì)TN的去除率高達(dá)90.70%；香根草、美人蕉、黃菖蒲對(duì)TP的去除率分別達(dá)到86.39%、83.99%和75.59%，美人蕉的N、P積累量高達(dá)1344g和137.1g。同時(shí)，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(duì)氮、磷的去除能力最強(qiáng)網(wǎng)。
3.3 庭院植物的觀賞價(jià)值
植物觀賞價(jià)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(diǎn)庭院濕地，凈化污水的同時(shí)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(jià)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(jiàn)的濕地植物美人蕉，花期長(zhǎng)，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(niǎo)”美譽(yù)的再力花植株高大挺拔，花序呈藍(lán)紫色，素雅別致，是水景綠化的上品花卉佝。再力花對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化能力較高，TN的去除率能達(dá)到95%以上。這些植物，在美化庭院、凈化水體方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值旳。
除了考慮植物本身的觀賞價(jià)值，還要從種間搭配、合理布局與景觀美學(xué)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(shí)間配置上要注意四季有花，各季節(jié)有獨(dú)特的景觀網(wǎng)。通過(guò)合理配置人工濕地植物群落的物種結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)序列及色調(diào)組成，濕地景觀在視覺(jué)上可與當(dāng)?shù)氐淖匀痪坝^、人文景觀融為一體。同時(shí)，合理的植物配置，一定程度上能夠加強(qiáng)濕地凈化污水的能力，有利于實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的完全與半完全自我循環(huán)。
四、問(wèn)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(lái)農(nóng)村生活污水處理的一種新趨勢(shì)。目前庭院式人工濕地的應(yīng)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(gè)方面：
1)針對(duì)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(yùn)行和維護(hù)的適宜性技術(shù)，構(gòu)建多級(jí)庭院水平潛流濕地、庭院垂直流濕地及組合濕地等，通過(guò)篩選基質(zhì)、改進(jìn)滯留池、調(diào)節(jié)間歇運(yùn)行時(shí)間等方式強(qiáng)化工藝的脫氮除磷效果。
2)依托成熟的工藝組合，定量化對(duì)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(chǔ)上，采用高通量測(cè)序手段對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的庭院式濕地中的根際微生物群落進(jìn)行解析，以揭示庭院濕地處理效能波動(dòng)的微生物演變機(jī)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(shè)計(jì)理念，增加庭院式人工濕地的藝術(shù)性，構(gòu)建具有“一年四季生機(jī)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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