人工濕地處理農村生活污水效果研究*

萬 珊,張永麗,王君勤

(1.四川大學建筑與環境學院,成都,610041;2.四川理工學院建筑工程系,

四川自貢,643000;3.四川省水利科學研究院,成都,610072)

隨著農村經濟的迅速發展和城鎮化的不斷推進,我國農村生活污水排放量也在不斷增加,對周邊自然水體造成了嚴重污染,因此農村生活污水處理也迫在眉睫。雖然傳統的污水處理技術發展歷史較長,處理效果較好,但基建投資大,運行費用高,難以在我國農村地區大面積推廣。在此情況下,人工濕地處理技術的應用及發展為農村生活污水處理提供了新的出路。

1 人工濕地的概念及分類

人工濕地是在一定長、寬比及地面坡度的洼地中,由土壤和基質填料混合組成填料床,污水在床體的填料縫隙或床體的表面流動,并在床的表面種植水生植物,形成一個獨特的“土壤—植物—微生物”生態系統〔1〕。按照系統中水流方式差異,可分為表面流人工濕地(Free Water Surface Flow,FWS)、水平潛流人工濕地(Horizontal Subsurface Flow Wetland,HSF)和垂直流人工濕地(Vertical Subsurface Flow Wetland,VSF)三種主要類型(見表1)〔2〕。近年伯明翰大學還提出了潮汐潛流人工濕地(Tidal Flow Wetland,TFW),其特點是填料床按時間序列交替地被充滿水和排干〔3〕。國內也有研究表明,其間歇進水瞬間排水的運行方式,可較大程度地提高系統復氧量及復氧能力,增強有機物的去除效率〔4〕。

表1 人工濕地分類比較

2 人工濕地對污水的凈化機理

2.1 懸浮物的去除

廢水中的懸浮物是依靠人工濕地的攔截、吸附、絮凝和膠體顆粒的沉淀作用去除的。大量植物根系和飽和狀態的基質,使固體懸浮物被根系和基質阻攔、截留。因此,濕地系統像一個過濾器,使懸浮物通過在基質和根區表面的重力沉淀、滲透和吸附作用而被分離去除。

2.2 溶解物質的去除

污水中的溶解有機污染物,通過植物根系的吸收和吸附,以及植物根際周圍和土壤基質中微生物的分解代謝作用,最終被降解為甲烷、二氧化碳和水得以去除。其中,根際微生物和根際分泌物起到了重要的作用。根際微生物不僅能自己降解吸收有機污染物,而且其分泌物的酶類也能降解有機污染物。而根際分泌物不僅能為微生物提供能源,提高微生物對有機污染物的降解效率(根際微生物的數量很大程度取決于植物根際分泌物中所含氨基酸、有機酸、糖類等物質的種類和數量),而且其分泌的酶類對有機污染物也有直接的降解作用。

2.3 氮的去除

污水中的氮一般以兩種形式存在:無機氮(NO3-N)和有機氮(NH4-N)。水中氮的去除轉化包括很多過程,其中一部分氮可以被濕地中的植物吸收,合成植物體內物質,最終通過植物的收割得以去除。另外,基質也可通過一些物理和化學的途徑,包括吸收、吸附、過濾等去除污水中的一部分氮。但是氮主要還是在微生物的作用下通過硝化、反硝化反應來去除的。濕地中的大型植物根系上附著生物膜,有著好氧、厭氧和缺氧區域。原因是處于飽和狀態的基質中生長的水生植物,可以增加濕地基質的透氣性,同時濕地植物能將空氣傳輸到其根部,由于擴散作用,這些空氣在植物的每一須根周圍形成一層薄薄的好氧區,在這一微小的好氧區中會發生硝化反應。而對于氧擴散不到的區域,形成厭氧區發生反硝化反應。濕地中存在著無數的好氧、厭氧區,這就相當于多個A-O反應器組合,保證了較好的脫氮效果。

2.4 磷的去除

人工濕地對磷的去除,是通過植物的吸收、微生物的積累和土壤顆粒吸附等共同作用完成的。廢水中的無機磷部分在植物的吸收和同化作用下,被合成ATP等有機成分,最后通過植物的收割而被去除。微生物對磷的去除,包括對磷的正常吸收和過量累積。由于人工濕地特殊的好氧、厭氧狀態,磷細菌能將有機磷轉化成簡單的磷化合物,供植物和微生物吸收,并在厭氧條件下提供短鏈脂肪酸。

此外,濕地中土壤顆粒對磷的吸收也是非常重要的去磷過程,吸附容量和土壤中所含鐵、鋁、鈣化合物的含量有關。在好氧條件下的中性至酸性環境中,Fe3+可以與磷結合生成穩定的化合物。若土壤環境變為厭氧,則Fe3+會被還原成Fe2+,這就會導致吸附能力降低和對磷的釋放。鈣對磷的吸收只發生在中性環境中。此外,每一個土壤顆粒都有一定的吸附容量,當土壤顆粒的吸附空間被占滿之后,吸附作用將不再發生。

2.5 重金屬的去除

濕地中金屬的去除機制包括離子交換、與濕地中的基質螯合,或轉化為不可溶的硫酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物等沉淀。主要過程是不可溶重金屬隨懸浮顆粒沉淀得以去除,溶解性重金屬通過與基質和沉淀物的離子交換和絡合作用,以難溶性化合物的形式沉淀或者被植物所吸收。重金屬會對植物產生毒害作用,但是有些植物在吸收重金屬后會分泌一些物質和重金屬絡合,從而消除了金屬的毒性。不可溶金屬的去除類似于TSS的機制。另外,通過PH和氧化還原電位的調節,使這些不可溶金屬轉化為可溶性金屬,被植物和細菌等所吸收〔5〕。

3 試驗分析及結果討論

3.1 試驗方法及過程

試驗采用水平潛流人工濕地,對四川某地農村生活污水進行處理。填料床表面種植蘆葦、美人蕉等水生植物,內部填充不同粒徑的多孔介質。如圖1所示,填料床底部鋪設高度30cm粒徑3cm～4cm的卵石,中部為高度40cm粒徑1cm～3cm的碎石,上部為20cm高的土壤層,污水在床體內部水平流動。上部土壤層主要為粘土,經測定土壤滲透率為0.21cm/h。

圖1 水平潛流人工濕地結構示意

試驗所用污水取自村內排水溝渠,以生活污水為主,混有部分農田灌溉排水。試驗過程參照國家環保局推薦方法,對COD、氨氮、TN和TP等水質指標均進行了分析(見表2)。

表2 污水水質

3.2 試驗結果討論

3.2.1 濕地對污染物的去除效果(見表3)。表3中數據顯示,濕地出水水質基本達到排放標準。相對于傳統污水處理方法,污水在濕地床的表面下流動,一方面可以利用表面土的截留作用、填料表面的生物膜及植物根系等提高處理能力;一方面由于其保溫性較好,處理效果不易受氣候影響。因此,水平潛流人工濕地對農村生活污水處理效果較佳。

表3 人工濕地對污染物的去除效果(平均值)

3.2.2 填料床內部填充多孔的、具有較大比表面積的介質,可以改善濕地的水力學性能,為微生物提供更大的附著面積,增強濕地對污染物的去除能力。同時,污水流經不同粒徑的填料層時,具有沉降性能的有機物可沉積或被過濾。但運行后期出水水質變差,說明基質堵塞對系統運行效果有一定影響。

3.2.3 濕地表面水生植物的選擇和栽種密度及其生長周期等,對出水水質有一定影響。

4 結語

農村生活污水沒有規范的集中排放設施,因此常受農田灌溉排水影響,使其具有相對濃度較低、水量大的特點。試驗表明,人工濕地處理農村生活污水效果較好,具有較高的生態效益和經濟效益,在我國有一定的推廣性。

〔1〕趙艷鋒等.人工濕地凈化處理廢水的機理探討與效果研究[J].環境科學與管理,2007,32(4):87～91.

〔2〕程天行等.人工濕地去污機理的研究進展[J].現代農業科技,2008,(21):290～292.

〔3〕王世和.人工濕地污水處理理論與技術[M].北京:科學出版社,2007:2～3.

〔4〕吳樹彪等.潮汐流人工濕地床處理生活污水的優化研究[J].中國農業大學學報,2010,15(2):106～113.

〔5〕沈耀良.王寶貞.廢水生物處理新技術[M].北京:中國環境科學技術出版社,1999:265～291.

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