人工濕地生活污水處理技術(shù)試驗研究

貴天虎，朱衛(wèi)東

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

0 引言

在20世紀(jì)70年代以前，人工濕地系統(tǒng)大都是對天然濕地進(jìn)行改造，一般是結(jié)合濕地系統(tǒng)和氧化塘系統(tǒng)，以達(dá)到提升氧化塘的目的。其處理能力一般有限，且效果不甚理想。到了20世紀(jì)70年代，Kickuth提出的根區(qū)理論推動了人工濕地進(jìn)行污水處理的實驗研究，也推動了人工濕地的研究和應(yīng)用的進(jìn)程。在北美，開始對不同構(gòu)造的人工濕地進(jìn)行廣泛試驗。有關(guān)試驗數(shù)據(jù)顯示，不論是自由表面流濕地，還是潛流濕地，都可以很有效率的除去BOD5、微生物及部分氮磷，處理效果明顯提高［1］。80年代后期，人工濕地開始逐步由實驗室走向中試乃至規(guī)模化應(yīng)用階段。90年代后期，中國與歐洲同行合作，研制開發(fā)出新型人工濕地－復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)。并且在后來，將該系統(tǒng)與園林景觀結(jié)合，產(chǎn)生了良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是，對于濕地基質(zhì)、植物進(jìn)行篩選、優(yōu)化組合等研究較少［2～4］。

在處理生活污水時，介質(zhì)復(fù)合型人工濕地（簡稱PKA人工濕地）技術(shù)投資少、建設(shè)管理方便、運行費用低、占地面積小，特別適用于水庫上游居民分散、難建集中式污水處理廠的情況。本文針對PKA人工濕地處理生活污水的凈化效果問題，構(gòu)建了由10層基質(zhì)組成的生活污水人工濕地研究模型，通過對 CODcr、NH3－N、TP、BOD5等 4 項主要指標(biāo)的去除效果、影響因素及去除機理分析，研究了PKA人工濕地技術(shù)在處理污染水體中的運行規(guī)律和作用機理，可為人工濕地水質(zhì)修復(fù)工程提供參考。

1 PKA人工濕地處理技術(shù)

1．1 PKA人工濕地技術(shù)原理

PKA人工濕地是一項使污水處理達(dá)到工程化、實用化的環(huán)境友好型新技術(shù)。該系統(tǒng)綜合物理、化學(xué)、生物3種功效，使污水凈化工藝達(dá)到最大化。植物、基質(zhì)和微生物是人工濕地實現(xiàn)污水凈化功能的3個主要組成部分。

1.1.1 植物及其作用

濕地植物如菖蒲、旱傘草、美人蕉、蘆葦?shù)冉?jīng)先前培育，使其根系更適應(yīng)污水環(huán)境。

在人工濕地凈化污水的過程中，植物不但可以去除污染物，還可以促進(jìn)污水中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和利用，同時還能綠化環(huán)境，改善區(qū)域氣候，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。濕地植物的光合作用為濕地好氧微生物貢獻(xiàn)了30%的氧氣，其縱橫生長的根系為濕地的正常運行起到了疏通介質(zhì)的作用，穩(wěn)定了介質(zhì)的水滲透性。另外，濕地植物還與周圍環(huán)境的各種原生動物、微生物形成小環(huán)境，這些微生態(tài)小環(huán)境對各種污染物有很強的吸收、分解和富集能力。

1.1.2 基質(zhì)及其作用

基質(zhì)是人工濕地發(fā)揮污水凈化作用的重要組成部分?；|(zhì)為濕地系統(tǒng)中微生物的生長提供穩(wěn)定的依附界面，為水生植物提供了生長載體，其間的空隙也是空氣進(jìn)出植物根系的通道。基質(zhì)還可以通過表面的吸附和氧化作用提高對污染物的去除率。它對污染物的去除包括沉淀、吸附、過濾、溶解、氣化、固定化、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)、硝基反應(yīng)等過程。去除的污染物包括：有機物、懸浮物、氮、磷、重金屬、油脂和病原體等。

基質(zhì)由多種不同粒徑的非黏性土組成。從上到下，每一層分別由不同粒徑的介質(zhì)按特定的配合比混合組成。目前，應(yīng)用較多的基質(zhì)有土壤、礫石、爐渣、自然巖石與礦物材料等。每種基質(zhì)都有其應(yīng)用的局限性，應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇，以充分發(fā)揮基質(zhì)的作用。

1.1.3 人工濕地微生物及其作用

在濕地凈化污水的過程中，微生物起著重要的作用。濕地中，眾多的微生物種群為污水凈化提供了足夠的分解者，構(gòu)成了濕地中特有的生態(tài)系統(tǒng)［5～7］。有機物的降解、氮化合物的脫氮作用、磷化合物的轉(zhuǎn)化等主要由植物根區(qū)和基質(zhì)中的微生物來完成。因此，微生物不但是污染物吸收和降解的生物群體，而且能捕獲污水中的溶解性成分，并與動物或植物共同利用。

1．2 PKA人工濕地處理污水的工藝流程

污水通過各污水管道匯入濕地沉淀池 （沉淀池的功效是去除污水中的懸浮物，以免堵塞后續(xù)濕地），然后在自控系統(tǒng)的控制下，沉淀池內(nèi)的污水泵向濕地布水。經(jīng)過多層濕地介質(zhì)層的生物、物理、化學(xué)三重組合功效，分別分解有機物，吸收磷氮營養(yǎng)物質(zhì)及重金屬等。處理后的中水從濕地底層流出至閥門井。閥門井有兩路管道，一路管道至景觀湖，補充景觀湖水，多余中水從另一路管道排入排洪溝。

2 人工濕地生活污水處理試驗研究

2．1 濕地工程構(gòu)建

2．1．1 試驗場地的構(gòu)建

該試驗樣地位于某教學(xué)單位內(nèi)，主要用于處理生活污水。濕地分2塊，每塊500 m2，其平面布置如圖1所示。

圖1 PKA人工濕地平面示意圖Fig.1 PKA constructed wetland plane

2．1．2 基質(zhì)層原料及設(shè)計

開挖1．2 m深的人工濕地池，對池底和四周進(jìn)行找平、夯實、鋪設(shè)防滲膜，再由下至上逐層鋪設(shè)10層介質(zhì)。沿水流方向，各層介質(zhì)依次為碎石、碎石、瓜子片、瓜子片與粗沙混合物、粗沙、中沙、粗沙、瓜子片與粗沙混合物、瓜子片、碎石。具體如圖2所示。

2．1．3 植物選擇

人工濕地介質(zhì)表層分別種植黃菖蒲（間距為30 cm）、旱傘草（間距為 40 cm）、水生美人蕉（間距為30 cm）、花葉蘆竹（間距為20 cm）。其中，以黃菖蒲為主要物種，其他植物種在黃菖蒲中間。同種植物沿出水管方向排列種植。

2．1．4 運行方式

圖2 PKA人工濕地垂直結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.2 PKA constructed wetland vertical structure profile

生活污水通過排污管道到達(dá)沉淀池，經(jīng)沉淀池預(yù)處理后，由潛水泵自動提至人工濕地進(jìn)水管，并通過濕地表層的布水管均勻流入濕地池中，逐層向下滲透，由底部集水管收集，最后通過出水管流入集水池。該系統(tǒng)采用全天自動間歇式注水，正常運行條件下，處理規(guī)模為 300 m3／d，出水流量為 150 m3／h；在白天主要用水時段 （8：00～22：00），1 h 水泵抽一次水，每次抽水時間約8 min。

2．2 主要污染物的去除效果分析

2．2．1 CODcr的去除效果分析

如圖3所示，經(jīng)PKA人工濕地處理后，污水CODcr濃度穩(wěn)定在7～22 mg／L之間 （進(jìn)水濃度在112．2~131．6 mg／L 之間）。 按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002） 中 CODcr的水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)判斷，達(dá)到Ⅲ－Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 PKA人工濕地對CODcr的去除效果Fig.3 Removal effect of PKA constructed wetland to CODcr

在不同季節(jié)，PKA人工濕地對CODcr的凈化效果為：夏季＞秋季＞春季＞冬季。這是因為，在人工濕地系統(tǒng)中，有機物主要依靠附著于填料及植物根系上的微生物的代謝降解功能來去除。夏季、秋季的溫度比較高，微生物具有較強的活性。與此同時，生長良好的濕地植物為濕地提供了充足的氧氣，加快了人工濕地系統(tǒng)對有機物進(jìn)行的氧化分解進(jìn)程。因此，CODcr具有良好的去除效果。而到了冬季，較低的氣溫抑制了微生物的活性，并且枯萎植物的落葉腐爛會分解出少量的有機物，在某種程度上會降低人工濕地系統(tǒng)去除有機物的效果。所以，去除率有所降低。春季植物重新生長，氣溫回升，對有機物的去除效果也有所提高。

2．2．2 NH3－N 的去除效果分析

如圖4所示，經(jīng)PKA人工濕地處理后，生活污水中的 NH3－N濃度在 0．8 mg／L以下 （進(jìn)水濃度在31~50 mg／L之間）。按 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002）中 NH3－N 的水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)判斷，達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)以上。

在不同季節(jié)，人工濕地對NH3－N的去除效果為：夏季＞秋季＞春季＞冬季。這說明，季節(jié)變化對人工濕地NH3－N去除率影響較大。夏、秋季節(jié)的NH3－N去除率會比春、冬季節(jié)高是因為，除去NH3－N主要通過微生物的硝化和反硝化作用，到了冬季，枯萎死亡的植物釋放出少量的有機物，氮的去除效果在一定程度上被降低了。與此同時，冬季低溫條件降低了微生物的活性，硝化反硝化作用受到抑制。

圖4 PKA人工濕地對NH3－N的去除效果Fig.4 Removal effect of PKA constructed wetland to NH3-N

2．2．3 TP 的去除效果分析

如圖5所示，經(jīng)PKA人工濕地處理后，生活污水中的 TP 濃度在 0．098－0．30 mg／L 之間（進(jìn)水濃度在 1．6~2．3 mg／L 之間）。 按 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002）中TP的水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)判斷，達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 PKA人工濕地對TP的去除效果Fig.5 Removal effect of PKA constructed wetland to TP

在不同季節(jié)，人工濕地對TP的凈化效果為：夏季和秋季的TP去除率要比春季和冬季高，春季的TP去除率和冬季大致相同，而且夏季去除率明顯提高。這主要是因為，人工濕地主要是通過對基質(zhì)的吸附沉淀來除去磷。存在于TP中的一部分有機磷要想形成沉淀或者被植物直接吸收利用，必須先轉(zhuǎn)化為經(jīng)微生物礦化分解后的無機磷。春、冬季節(jié)溫度較低，因而微生物的活性較低，有機磷的礦化分解速率較慢，另一方面，植物大量死亡，失去了對磷的吸收作用。因此，秋季和夏季的TP去除率比春、冬季節(jié)的高。

2．2．4 BOD5的去除效果分析

如圖6所示，經(jīng)PKA人工濕地處理后，BOD5濃度穩(wěn)定在4 mg／L以下 （進(jìn)水濃度在30－50 mg／L之間）。 按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002）水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評價，出水BOD5濃度達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)以上。

圖6 PKA人工濕地對BOD5的去除效果Fig.6 Removal effect of PKA constructed wetland to BOD5

在不同季節(jié)，人工濕地對BOD5的凈化效果為：夏季＞秋季＞春季＞冬季。這是因為，附著在填料和植物根系上的微生物通過代謝降解作用能去除污水中的有機物。夏、秋季溫度較高，使得微生物具有較強的活性，并且生長較好的濕地植物能提供更多的氧氣給人工濕地系統(tǒng)，致使?jié)竦叵到y(tǒng)中有機物的氧化分解速率加快。冬季溫度較低，抑制了微生物的活性，枯萎植物的落葉腐爛，會分解出少量的有機物，降低了人工濕地系統(tǒng)除去有機物的速率。因此，冬季的去除效果會有一定程度的下降。到了春季，氣溫回升，植物生長，提高了有機物的去除效果。

3 結(jié)語

本試驗對原該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使介質(zhì)層由原先的5層改進(jìn)為10層。從凈化效果上來看，4項主要 指 標(biāo) CODcr、NH3－N、TP、BOD5的 去 除 率 均 達(dá) 到86%以上。

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