人工濕地處理農(nóng)村生活污水效果研究*

萬 珊,張永麗,王君勤

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,成都,610041;2.四川理工學(xué)院建筑工程系,

四川自貢,643000;3.四川省水利科學(xué)研究院,成都,610072)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn),我國農(nóng)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(yán)重污染,因此農(nóng)村生活污水處理也迫在眉睫。雖然傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)發(fā)展歷史較長,處理效果較好,但基建投資大,運(yùn)行費(fèi)用高,難以在我國農(nóng)村地區(qū)大面積推廣。在此情況下,人工濕地處理技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展為農(nóng)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(zhì)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(dú)特的“土壤—植物—微生物”生態(tài)系統(tǒng)〔1〕。按照系統(tǒng)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(xué)還提出了潮汐潛流人工濕地(Tidal Flow Wetland,TFW),其特點(diǎn)是填料床按時間序列交替地被充滿水和排干〔3〕。國內(nèi)也有研究表明,其間歇進(jìn)水瞬間排水的運(yùn)行方式,可較大程度地提高系統(tǒng)復(fù)氧量及復(fù)氧能力,增強(qiáng)有機(jī)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(jī)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(tài)的基質(zhì),使固體懸浮物被根系和基質(zhì)阻攔、截留。因此,濕地系統(tǒng)像一個過濾器,使懸浮物通過在基質(zhì)和根區(qū)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(zhì)的去除

污水中的溶解有機(jī)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(zhì)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(jī)污染物,而且其分泌物的酶類也能降解有機(jī)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(jī)污染物的降解效率(根際微生物的數(shù)量很大程度取決于植物根際分泌物中所含氨基酸、有機(jī)酸、糖類等物質(zhì)的種類和數(shù)量),而且其分泌的酶類對有機(jī)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(jī)氮(NO3-N)和有機(jī)氮(NH4-N)。水中氮的去除轉(zhuǎn)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(nèi)物質(zhì),最終通過植物的收割得以去除。另外,基質(zhì)也可通過一些物理和化學(xué)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(yīng)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(qū)域。原因是處于飽和狀態(tài)的基質(zhì)中生長的水生植物,可以增加濕地基質(zhì)的透氣性,同時濕地植物能將空氣傳輸?shù)狡涓?由于擴(kuò)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(qū),在這一微小的好氧區(qū)中會發(fā)生硝化反應(yīng)。而對于氧擴(kuò)散不到的區(qū)域,形成厭氧區(qū)發(fā)生反硝化反應(yīng)。濕地中存在著無數(shù)的好氧、厭氧區(qū),這就相當(dāng)于多個A-O反應(yīng)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(jī)磷部分在植物的吸收和同化作用下,被合成ATP等有機(jī)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(tài),磷細(xì)菌能將有機(jī)磷轉(zhuǎn)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(guān)。在好氧條件下的中性至酸性環(huán)境中,Fe3+可以與磷結(jié)合生成穩(wěn)定的化合物。若土壤環(huán)境變?yōu)閰捬?則Fe3+會被還原成Fe2+,這就會導(dǎo)致吸附能力降低和對磷的釋放。鈣對磷的吸收只發(fā)生在中性環(huán)境中。此外,每一個土壤顆粒都有一定的吸附容量,當(dāng)土壤顆粒的吸附空間被占滿之后,吸附作用將不再發(fā)生。

2.5 重金屬的去除

濕地中金屬的去除機(jī)制包括離子交換、與濕地中的基質(zhì)螯合,或轉(zhuǎn)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(zhì)和沉淀物的離子交換和絡(luò)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(chǎn)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(zhì)和重金屬絡(luò)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(jī)制。另外,通過PH和氧化還原電位的調(diào)節(jié),使這些不可溶金屬轉(zhuǎn)化為可溶性金屬,被植物和細(xì)菌等所吸收〔5〕。

3 試驗(yàn)分析及結(jié)果討論

3.1 試驗(yàn)方法及過程

試驗(yàn)采用水平潛流人工濕地,對四川某地農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理。填料床表面種植蘆葦、美人蕉等水生植物,內(nèi)部填充不同粒徑的多孔介質(zhì)。如圖1所示,填料床底部鋪設(shè)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(nèi)部水平流動。上部土壤層主要為粘土,經(jīng)測定土壤滲透率為0.21cm/h。

圖1 水平潛流人工濕地結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)所用污水取自村內(nèi)排水溝渠,以生活污水為主,混有部分農(nóng)田灌溉排水。試驗(yàn)過程參照國家環(huán)保局推薦方法,對COD、氨氮、TN和TP等水質(zhì)指標(biāo)均進(jìn)行了分析(見表2)。

表2 污水水質(zhì)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.2.1 濕地對污染物的去除效果(見表3)。表3中數(shù)據(jù)顯示,濕地出水水質(zhì)基本達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。相對于傳統(tǒng)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(nóng)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(nèi)部填充多孔的、具有較大比表面積的介質(zhì),可以改善濕地的水力學(xué)性能,為微生物提供更大的附著面積,增強(qiáng)濕地對污染物的去除能力。同時,污水流經(jīng)不同粒徑的填料層時,具有沉降性能的有機(jī)物可沉積或被過濾。但運(yùn)行后期出水水質(zhì)變差,說明基質(zhì)堵塞對系統(tǒng)運(yùn)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(zhì)有一定影響。

4 結(jié)語

農(nóng)村生活污水沒有規(guī)范的集中排放設(shè)施,因此常受農(nóng)田灌溉排水影響,使其具有相對濃度較低、水量大的特點(diǎn)。試驗(yàn)表明,人工濕地處理農(nóng)村生活污水效果較好,具有較高的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)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(jī)理探討與效果研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2007,32(4):87～91.

〔2〕程天行等.人工濕地去污機(jī)理的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2008,(21):290～292.

〔3〕王世和.人工濕地污水處理理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)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(yōu)化研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,15(2):106～113.

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

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