晋安区人工湿地设计负荷与处理能力关系的研究
摘要：随着农村环境整治的逐步推进，农村生活污水处理建设和运维逐渐被提上日程。本研究以具有丘陵地貌特征的福州晋安区北峰山区农村污水处理设施为研究对象，通过2年的运行监测结果，结果表明，在湿地设计表面负荷为0.08m3/m2·d和0.40m3/m2·d之间时，其出水浓度均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级B标准，运行费用低，具有较强的抗冲击负荷。研究结果表明了针对农村污染物含量低的污水，高负荷人工湿地的的土地、环境和经济效益更加突出。
关键词：生活污水；水平潜流式人工湿地；负荷
中图分类号：R123.3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0011-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.006
Abstract： With the gradual progress of rural environmental remediation， rural sewage treatment construction and operation and maintenance gradually put on the agenda. In this study， the rural sewage treatment facilities in the northern mountainous area of Jinan District， Fuzhou， with hilly geomorphology are studied. The results show that the surface load of the wetland is 0.08m3 / m2 · d and 0.40m3 / m2 · D， the effluent concentration can reach the “urban sewage treatment plant pollutant discharge standards” （GB18918-2002） a B standard， low operating costs， with a strong impact load. The results show that the land， environmental and economic benefits of high - load artificial wetlands are more prominent for sewage with low pollutant content in rural areas.
Key words：Domestic sewage；Horizontal subsurface artificial wetland；Load
晋安区地处福州市东北角，总面积442平方公里的北峰山区是福州的后花园，由于历史的原因，平原地区农村的生活污水通过污水收集管网进入城市污水处理厂处置，而山区的污水处理设施建设相对滞后[1]。为了保护北峰山区优美的生态环境，晋安区投入大量资金在山区开展污水处理设施建设工作。根据农村生活污水排量小、有机物浓度含量低、间歇排放、日变化系数较大等特点，选取“人工湿地”的处理工艺对生活污水进行处置。“人工湿地”处理工艺具有投资少、运行费用低、耐冲击、负荷能力强和绿化环境等优点，适应农村生态环境保护的要求[2-5]。从2006年以来晋安区先后在16个行政村开展人工湿地污水处理设施建设工作，从日常的监测数据可以看出，人工湿地污水处理设施能够较好的处置农村生活污水，排放浓度达到城镇污水处理厂一级B排放标准。
近年来，随着耕地保护区红线、陆域生态红线的划定和乡村建设总体规划的编制，对人工湿地占地面积提出了更高的要求，通过查阅相关资料，人工湿地的占地面积与水力负荷呈反比关系，与污水处理能力呈正比关系[6，7]。在农村常住人口波动不大的情况下，通过合理设置人工湿地的水力负荷是减少人工湿地占地面积的重要途径。由于环保部2011年3月实施的《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005-2010），对水平潜流人工湿地的水力负荷设计要求中仅规定L<0.5m3/m2·d，为了更好的指导晋安区农村人工湿地污水处理设施建设，本文选取晋安区北峰山区现有高、中、低负荷的三座人工湿地进行研究，探讨在不同设计负荷下对生活污水主要指标的处理能力，为相应的农村污水处理设计提供相应参考。
1 研究对象与方法
1.1 污水处理站工艺流程和设计参数
本次研究选取研究对象为福州市晋安区北峰地区三个不同村庄的且典型村污水处理处理设施为研究对象，处理设施处理工艺均为格栅—沉砂井—水平潜流人工湿地，除了水平潜流人工湿地设计参数不同外，其余设施设计参数均相同，人工湿地设计参数见表1所示。
1.2 运行与监测
本研究是基于实际工程探讨人工湿地污水处理的处理效果与设计负荷和季节变化之间的关系。针对以上研究目标，本研究从2014年1月开始至2015年12月，每季度布点监测三座人工湿地的CODcr，NH4+—N，TN，TP进、出水质量浓度。监测方法为：总磷为钼酸铵分光光度法，氨氮為纳氏试剂比色法，总氮为碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法，COD为重铬酸盐法[8]。
1.3 人工湿地进、出口水质监测结果
通过实际工程的水质监测，2014年、2015年污水处理站进、出水CODcr，NH4+—N，TN，TP水质分别如表2、表3所示。2014年、2015年三个污水处理站CODcr，NH4+—N，TN，TP的去除效率一览表如表4、表5所示。
2 结果与讨论
2.1 进、出口水质分析
从表2、表3可以看出三座设施进口水质中COD的浓度为110～170mg/L，氨氮的浓度为11.0～15.0 mg/L，总氮的浓度为20.0～29.0 mg/L，总磷的浓度为1.70～2.80 mg/L。其中除一季度数据较高外，其余三季度浓度变化不大，经查2014年2月和2015年2月为农历春节，由于返乡人口增加，水量波动较大，水量出现了近翻倍的增加，污染物浓度均出现不同程度上升。但是从出水水质分析可知，出水污染物浓度略有上升，但是还是达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级B标准，说明南方的较冷季节的春节期间人工湿地仍然能够保证出水水质达标排放。
2.2 三种水力负荷下COD去除效果比较
三个不同村庄不同表面水力负荷的人工湿地对对COD的去除率见图1，从图1可知在三种水力负荷下COD的去除率稳定在65%-75%之间，有机物的去除与污染负荷相关，水力负荷越低COD的去除率越高，但是在较低表面负荷率的情况下，去除率较为稳定，表面水力负荷对出水水质影响并不明显。主要是因为表面潜流湿地对有机物的去除主要是靠微生物的作用，填充物具有较大的比表面积，在不同直径的填料表面形成一层生物膜，污水流经颗粒表面时，不溶性的有机物通过沉淀过滤吸附作用很快被截留，然后被微小生物利用，在水平潜流的过程中，可溶性有机物通过生物膜的吸附和微生物的代谢在人工湿地的前端基本被去除，到末端的时候剩下的基本是难于被微生物所降解的有机物，这些有机物主要靠沉淀、吸附的物理化学作用被去除，但经过长期运行的湿地，这部分物理化学作用被减弱，因此继续增大湿地面积对COD 去除率并无明显影响。
2.3 三种负荷下氨氮去除效果比较
从上图2可以看出，在三种水力负荷下氨氮的去除率处于55%-65%之间，在低水力负荷下，湿地的复氧环境最好，氨氮的去除效果最佳，高水力负荷下，湿地的复氧环境较差，氨氮的去除能力也较弱。人工湿地对氨氮的去除主要依赖于湿地内的复氧环境下的硝化反应和地表植物对氨氮的去除，在不同的水力负荷下，湿地内的复氧环境存在差异，直接影响人工湿地的硝化反应，同时人工湿地面积的增加，有利于植物对氨氮的去除，因此减少人工湿地水力负荷有利于氨氮的去除，但去除率并无按水力负荷降低出现大幅度提高。
2.4 三种水力负荷下总氮去除效果比较
晋安区北峰山区基本无工业企业和家庭作坊，农村污水的来源单一，污水中总氮的成分大部分为氨氮，因此总氮的去除效果和氨氮基本一致。但是由于生物脱氮要经过好氧—硝化，厌氧—反硝化过程，在低水力负荷下，湿地基本处于好氧环境，无法进行反硝化反应，总氮的去除效果较差。从图3可以看出，在三种水力负荷下，总氮的去除率处于55%-65%之间，在水力负荷0.40m3/m2·d负荷下，去除效果最佳，能稳定在60%以上，在水力负荷0.08m3/m2·d和0.20m3/m2·d下，去除效果相对较差，但也稳定在55%-60%之间，能够满足设计的处理要求。
2.5 三种水力负荷下总磷去除效果比较
从上图4可以看出，在三种水力负荷下总磷的去除率处于65%-75%之间，水力负荷低的人工湿地对总磷的去除效果更佳，随着水力负荷的上升，总磷的去除效果呈下降趋势，但在水力负荷为0.40m3/m2·d时仍能满足设定的处理要求。湿地去除总磷主要依靠基质对有机物的沉淀、吸附，然后被植物作為营养杯去除。在进口总磷浓度较一致的情况下，设计负荷越高，湿地基质的处理能力越差，当湿地基质达到饱和吸附状态时，将失去继续处理的能力，因此此时湿地植物成为去除P的关键，而植物生长受到季节性影响，因此出水也受到季节性影响。因此设计时要充分考虑负荷和处理能力之间的关系，湿地植物要选择本地区常绿植物，保证湿地基质处于长期有效的状态。
2.6 运行费用分析
三个村庄的运行费用见表6所示，从表6可知，污水处理设施属于无动力设施，费用支出主要是湿地植物的收割和格栅沉淀清理费用，根据村级管理机构提供数据可知，针对低浓度的农村污水，高负荷人工湿地处理设施明显优于低负荷的人工湿地处理设施。
3 结论
（1）在高、中、低三种水力负荷条件下，人工湿地均能满足南方丘陵山区农村生活污水处理的需要，出水水质能稳定达到设计的一级B排放标准，在春节期间，污水排放呈现明显的时段和季节波动情况下，在高水力负荷下人工湿地内仍能够保证对污染物的去除率。同时在低水力负荷条件下，人工湿地对COD、氨氮和总磷有较好的除去效果，中水力负荷条件下，人工湿地对总氮的处理效果更佳。（2）综合考虑各负荷下污水处理效果、土地的利用效率和运行费用，采取0.40m3/m2·d的水力负荷既能满足类似福州晋安区的南方丘陵地带的农村生活污水处理的要求，又能节约用地，有较好的土地、环境和经济效益。
参考文献
[1]包星.福州晋安区生态公益林建设[J].青海农林科技，2006，（2）：90-91.
[2]张佳琳，林方敏，罗隽等.厌氧—人工湿地—氧化塘用于华南农村污水连片整治[J].中国给水排水，2016，（12）：106-109.
[3]崔玉波.人工湿地污泥处理技术研究进展[J].吉林农业大学学报，2017，39（1）：1-9.
[4]万玉文，郭长强，茆智等.多级串联表面流人工湿地净化生活污水效果[J].农业工程学报，2016，32（3）：220-227.
[5]陈娟，杨科，何云晓等.农村污水人工湿地处理系统的构建与设计[J].四川林勘设计，2013，（3）：46-49.
[6]丁怡，王玮，宋新山等.人工湿地在水质净化中的应用及研究进展[J].工业水处理，2017，37（3）：6-10.
[7]黄锦楼，陈琴，许连煌.人工湿地在应用中存在的问题及解决措施[J].环境科学，2013，34（1）：401-408.
[8]国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法-第4版[M].中国环境科学出版社，2002.
作者简介：黄训强（1978-），男，本科，工程师，研究方向为环境保护与环境监测。
关键词：生活污水；水平潜流式人工湿地；负荷
中图分类号：R123.3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0011-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.006
Abstract： With the gradual progress of rural environmental remediation， rural sewage treatment construction and operation and maintenance gradually put on the agenda. In this study， the rural sewage treatment facilities in the northern mountainous area of Jinan District， Fuzhou， with hilly geomorphology are studied. The results show that the surface load of the wetland is 0.08m3 / m2 · d and 0.40m3 / m2 · D， the effluent concentration can reach the “urban sewage treatment plant pollutant discharge standards” （GB18918-2002） a B standard， low operating costs， with a strong impact load. The results show that the land， environmental and economic benefits of high - load artificial wetlands are more prominent for sewage with low pollutant content in rural areas.
Key words：Domestic sewage；Horizontal subsurface artificial wetland；Load
晋安区地处福州市东北角，总面积442平方公里的北峰山区是福州的后花园，由于历史的原因，平原地区农村的生活污水通过污水收集管网进入城市污水处理厂处置，而山区的污水处理设施建设相对滞后[1]。为了保护北峰山区优美的生态环境，晋安区投入大量资金在山区开展污水处理设施建设工作。根据农村生活污水排量小、有机物浓度含量低、间歇排放、日变化系数较大等特点，选取“人工湿地”的处理工艺对生活污水进行处置。“人工湿地”处理工艺具有投资少、运行费用低、耐冲击、负荷能力强和绿化环境等优点，适应农村生态环境保护的要求[2-5]。从2006年以来晋安区先后在16个行政村开展人工湿地污水处理设施建设工作，从日常的监测数据可以看出，人工湿地污水处理设施能够较好的处置农村生活污水，排放浓度达到城镇污水处理厂一级B排放标准。
近年来，随着耕地保护区红线、陆域生态红线的划定和乡村建设总体规划的编制，对人工湿地占地面积提出了更高的要求，通过查阅相关资料，人工湿地的占地面积与水力负荷呈反比关系，与污水处理能力呈正比关系[6，7]。在农村常住人口波动不大的情况下，通过合理设置人工湿地的水力负荷是减少人工湿地占地面积的重要途径。由于环保部2011年3月实施的《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005-2010），对水平潜流人工湿地的水力负荷设计要求中仅规定L<0.5m3/m2·d，为了更好的指导晋安区农村人工湿地污水处理设施建设，本文选取晋安区北峰山区现有高、中、低负荷的三座人工湿地进行研究，探讨在不同设计负荷下对生活污水主要指标的处理能力，为相应的农村污水处理设计提供相应参考。
1 研究对象与方法
1.1 污水处理站工艺流程和设计参数
本次研究选取研究对象为福州市晋安区北峰地区三个不同村庄的且典型村污水处理处理设施为研究对象，处理设施处理工艺均为格栅—沉砂井—水平潜流人工湿地，除了水平潜流人工湿地设计参数不同外，其余设施设计参数均相同，人工湿地设计参数见表1所示。
1.2 运行与监测
本研究是基于实际工程探讨人工湿地污水处理的处理效果与设计负荷和季节变化之间的关系。针对以上研究目标，本研究从2014年1月开始至2015年12月，每季度布点监测三座人工湿地的CODcr，NH4+—N，TN，TP进、出水质量浓度。监测方法为：总磷为钼酸铵分光光度法，氨氮為纳氏试剂比色法，总氮为碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法，COD为重铬酸盐法[8]。
1.3 人工湿地进、出口水质监测结果
通过实际工程的水质监测，2014年、2015年污水处理站进、出水CODcr，NH4+—N，TN，TP水质分别如表2、表3所示。2014年、2015年三个污水处理站CODcr，NH4+—N，TN，TP的去除效率一览表如表4、表5所示。
2 结果与讨论
2.1 进、出口水质分析
从表2、表3可以看出三座设施进口水质中COD的浓度为110～170mg/L，氨氮的浓度为11.0～15.0 mg/L，总氮的浓度为20.0～29.0 mg/L，总磷的浓度为1.70～2.80 mg/L。其中除一季度数据较高外，其余三季度浓度变化不大，经查2014年2月和2015年2月为农历春节，由于返乡人口增加，水量波动较大，水量出现了近翻倍的增加，污染物浓度均出现不同程度上升。但是从出水水质分析可知，出水污染物浓度略有上升，但是还是达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级B标准，说明南方的较冷季节的春节期间人工湿地仍然能够保证出水水质达标排放。
2.2 三种水力负荷下COD去除效果比较
三个不同村庄不同表面水力负荷的人工湿地对对COD的去除率见图1，从图1可知在三种水力负荷下COD的去除率稳定在65%-75%之间，有机物的去除与污染负荷相关，水力负荷越低COD的去除率越高，但是在较低表面负荷率的情况下，去除率较为稳定，表面水力负荷对出水水质影响并不明显。主要是因为表面潜流湿地对有机物的去除主要是靠微生物的作用，填充物具有较大的比表面积，在不同直径的填料表面形成一层生物膜，污水流经颗粒表面时，不溶性的有机物通过沉淀过滤吸附作用很快被截留，然后被微小生物利用，在水平潜流的过程中，可溶性有机物通过生物膜的吸附和微生物的代谢在人工湿地的前端基本被去除，到末端的时候剩下的基本是难于被微生物所降解的有机物，这些有机物主要靠沉淀、吸附的物理化学作用被去除，但经过长期运行的湿地，这部分物理化学作用被减弱，因此继续增大湿地面积对COD 去除率并无明显影响。
2.3 三种负荷下氨氮去除效果比较
从上图2可以看出，在三种水力负荷下氨氮的去除率处于55%-65%之间，在低水力负荷下，湿地的复氧环境最好，氨氮的去除效果最佳，高水力负荷下，湿地的复氧环境较差，氨氮的去除能力也较弱。人工湿地对氨氮的去除主要依赖于湿地内的复氧环境下的硝化反应和地表植物对氨氮的去除，在不同的水力负荷下，湿地内的复氧环境存在差异，直接影响人工湿地的硝化反应，同时人工湿地面积的增加，有利于植物对氨氮的去除，因此减少人工湿地水力负荷有利于氨氮的去除，但去除率并无按水力负荷降低出现大幅度提高。
2.4 三种水力负荷下总氮去除效果比较
晋安区北峰山区基本无工业企业和家庭作坊，农村污水的来源单一，污水中总氮的成分大部分为氨氮，因此总氮的去除效果和氨氮基本一致。但是由于生物脱氮要经过好氧—硝化，厌氧—反硝化过程，在低水力负荷下，湿地基本处于好氧环境，无法进行反硝化反应，总氮的去除效果较差。从图3可以看出，在三种水力负荷下，总氮的去除率处于55%-65%之间，在水力负荷0.40m3/m2·d负荷下，去除效果最佳，能稳定在60%以上，在水力负荷0.08m3/m2·d和0.20m3/m2·d下，去除效果相对较差，但也稳定在55%-60%之间，能够满足设计的处理要求。
2.5 三种水力负荷下总磷去除效果比较
从上图4可以看出，在三种水力负荷下总磷的去除率处于65%-75%之间，水力负荷低的人工湿地对总磷的去除效果更佳，随着水力负荷的上升，总磷的去除效果呈下降趋势，但在水力负荷为0.40m3/m2·d时仍能满足设定的处理要求。湿地去除总磷主要依靠基质对有机物的沉淀、吸附，然后被植物作為营养杯去除。在进口总磷浓度较一致的情况下，设计负荷越高，湿地基质的处理能力越差，当湿地基质达到饱和吸附状态时，将失去继续处理的能力，因此此时湿地植物成为去除P的关键，而植物生长受到季节性影响，因此出水也受到季节性影响。因此设计时要充分考虑负荷和处理能力之间的关系，湿地植物要选择本地区常绿植物，保证湿地基质处于长期有效的状态。
2.6 运行费用分析
三个村庄的运行费用见表6所示，从表6可知，污水处理设施属于无动力设施，费用支出主要是湿地植物的收割和格栅沉淀清理费用，根据村级管理机构提供数据可知，针对低浓度的农村污水，高负荷人工湿地处理设施明显优于低负荷的人工湿地处理设施。
3 结论
（1）在高、中、低三种水力负荷条件下，人工湿地均能满足南方丘陵山区农村生活污水处理的需要，出水水质能稳定达到设计的一级B排放标准，在春节期间，污水排放呈现明显的时段和季节波动情况下，在高水力负荷下人工湿地内仍能够保证对污染物的去除率。同时在低水力负荷条件下，人工湿地对COD、氨氮和总磷有较好的除去效果，中水力负荷条件下，人工湿地对总氮的处理效果更佳。（2）综合考虑各负荷下污水处理效果、土地的利用效率和运行费用，采取0.40m3/m2·d的水力负荷既能满足类似福州晋安区的南方丘陵地带的农村生活污水处理的要求，又能节约用地，有较好的土地、环境和经济效益。
参考文献
[1]包星.福州晋安区生态公益林建设[J].青海农林科技，2006，（2）：90-91.
[2]张佳琳，林方敏，罗隽等.厌氧—人工湿地—氧化塘用于华南农村污水连片整治[J].中国给水排水，2016，（12）：106-109.
[3]崔玉波.人工湿地污泥处理技术研究进展[J].吉林农业大学学报，2017，39（1）：1-9.
[4]万玉文，郭长强，茆智等.多级串联表面流人工湿地净化生活污水效果[J].农业工程学报，2016，32（3）：220-227.
[5]陈娟，杨科，何云晓等.农村污水人工湿地处理系统的构建与设计[J].四川林勘设计，2013，（3）：46-49.
[6]丁怡，王玮，宋新山等.人工湿地在水质净化中的应用及研究进展[J].工业水处理，2017，37（3）：6-10.
[7]黄锦楼，陈琴，许连煌.人工湿地在应用中存在的问题及解决措施[J].环境科学，2013，34（1）：401-408.
[8]国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法-第4版[M].中国环境科学出版社，2002.
作者简介：黄训强（1978-），男，本科，工程师，研究方向为环境保护与环境监测。
