人工濕地處理生活污水研究

劉應(yīng)學(xué)

(遵義市環(huán)境保護監(jiān)測中心站， 貴州 遵義 563006)

人工濕地處理生活污水研究

劉應(yīng)學(xué)

(遵義市環(huán)境保護監(jiān)測中心站， 貴州 遵義 563006)

利用木板、薄膜等材料制作人工濕地處理系統(tǒng)處理污水，研究污水中有機物、NH3-N、TP、COD、SS等的削減水平。通過實驗得出以下結(jié)論：高效人工濕地對生活污水中TP、NH3-N、COD和SS有較好的處理效果，TP的去除率為80%，NH3-N的去除率在75%左右，COD和SS的去除率都在70%左右，高效人工濕地處理污水的效率受系統(tǒng)運行時間和季節(jié)等因素的影響，有一定的波動，波動幅度在20%左右，總體表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢；從控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面綜合評價，人工濕地可以用于生活污水的處理處置。

人工濕地；生活污水；基質(zhì)

人工濕地技術(shù)由于具有良好的景觀效果及水質(zhì)凈化功能，近年來在污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究表明[1-7]，人工濕地具有獨特而復(fù)雜的凈化機理，它能夠利用基質(zhì)-微生物-植物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水的高效凈化，同時通過營養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán)，促進綠色植物生長并使其增產(chǎn)，實現(xiàn)廢水的無害化和資源化。

與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比較，人工濕地污水處理技術(shù)具有投資少、能耗低、操作維護簡單、具有景觀價值等優(yōu)勢。然而，我國人工濕地技術(shù)研究還處在初級階段，污水處理技術(shù)還存在諸多問題有待進一步深入研究，如污染物去除機理的研究、去除效果的改善和運行管理、植物在人工濕地中的生長及凈化效果以及人工濕地基質(zhì)的選擇等。本研究針對人工濕地自身特點，研究其生活污水中有機物、BOD、氮素、磷素等的去除機理，并通過人工濕地基質(zhì)種類和植物的不同來探索提高復(fù)合人工濕地對污染物的去除效果，進而推廣該類型濕地的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗材料與方法

1.1 濕地裝置

人工濕地試驗裝置分為2套，一套為全濕人工濕地，另一套為半濕人工濕地。全濕人工濕地采用防滲板作為材料，長180 cm，寬40 cm，高40 cm，等分為六格，每格用隔板隔開(圖1)。在裝置底部填充直徑為3～5 cm的改良人工基質(zhì)，中部放基質(zhì)包，上部再填充直徑為1～2 cm的改良人工基質(zhì)(圖2)。半濕人工濕地采用塑料袋作為基質(zhì)包材料，塑料袋下部填充直徑為1～2 cm的粘土和改良人工基質(zhì)，上部填充改良人工基質(zhì)，每隔30 cm放置一個基質(zhì)包，共放置7個。

圖1 人工濕地俯視

圖2 基質(zhì)填充示意

1.2 基質(zhì)和植物的選擇

基質(zhì)是濕地的載體，當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時，基質(zhì)通過一些物理和化學(xué)作用(如吸收、吸附、過濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等)去除污水中的污染物質(zhì)。各種基質(zhì)根據(jù)一定的粒徑比例按照一定的順序填充到濕地床中，在保證污染物高效降解和水流通暢的情況下應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H條件選用低廉、易得的填料作為基質(zhì)。目前應(yīng)用較多的有土壤填料、卵石填料、塑料填料、爐渣填料、陶瓷填料、活性炭填料、自然巖石與礦物材料等。各填料因其物理特性不同而具有不同特點，為了綜合利用各填料的優(yōu)勢，濕地床通常由多種填料組成[3]。基質(zhì)的選擇主要是要孔隙度大、比表面積高。本研究采用改良人工基質(zhì)，并用粘土、沙礫、煤灰渣等基質(zhì)按一定比例做成基質(zhì)包。

選取合適的植物對提高濕地的處理效果非常重要，人工濕地植物的選擇主要遵循高耗肥水、季節(jié)搭配、生物多樣性等原則。本研究根據(jù)待處理生活污水的水質(zhì)情況、當(dāng)?shù)氐臍夂蚝椭参锏奶攸c，選取了美人蕉(Cannaindica)、雜交酸模(R.acetosaL.)和黑麥草(Loliumperenne)三種植物。

1.3 生活污水來源

實驗用水為模擬的生活污水，即采用牛糞稀釋(約1：10)。牛糞取自貴陽市三聯(lián)乳業(yè)公司。經(jīng)過稀釋后的牛糞的各指標(biāo)的含量與生活污水的比較接近，因此，本研究采用經(jīng)稀釋后的牛糞水作為模擬的生活污水。

1.4 污水澆灌與水樣采集方法

濕地系統(tǒng)每2天澆灌1次，每次灌入污水約10 L。采樣時間為每周1次，具體方法為:進水樣直接采集模擬的生活污水，出水在出水口抽取(注：現(xiàn)場測定pH、EC指標(biāo))。

1.5 分析方法

pH、EC值：用pH-EC-TDS-T測試筆進行測量；濁度：濁度儀測定(GB 13200—91)；TP：鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)；NH3-N：鈉氏試劑光度法(GB 7479—87)；COD：重鉻酸鹽法(GB 11914—89)；SS：重量法(GB 11901—89)。

2 結(jié)果與分析

通過對復(fù)合人工濕地系統(tǒng)的進出口水質(zhì)進行監(jiān)測，分別從其對pH的調(diào)節(jié)，電導(dǎo)率(EC)和濁度的改善， TP、NH3-N、COD等的削減，來評價整個濕地系統(tǒng)的凈化效果和處理效率。

2.1 高效人工濕地對pH的調(diào)節(jié)作用

pH測量是一種相對測量。水溶液的自然變化、化學(xué)變化和生產(chǎn)過程均與pH值的變化有關(guān)。pH值表征了水環(huán)境中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化、溶解沉淀等現(xiàn)象。因此，對pH進行測試，可以反映水環(huán)境變化的情況。從圖3可見，進水與出水pH值差異較小，最大變化幅度為0.58個單位，出水pH值總體維持在7～8的范圍內(nèi)，說明該指標(biāo)比較穩(wěn)定。分析原因可能是：全濕人工濕地系統(tǒng)存在較強的緩沖能力；溶質(zhì)的溶出及其物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過程都不足以導(dǎo)致pH發(fā)生劇烈波動。

圖3 全濕人工濕地對pH的調(diào)節(jié)

圖4顯示了半濕人工濕地對pH的調(diào)節(jié)作用，可以看出，出水的pH值相對比較穩(wěn)定，基本上維持在7～8，說明半濕人工濕地系統(tǒng)存在一定的緩沖能力，系統(tǒng)對pH起到了一定的調(diào)節(jié)作用。

圖4 半濕人工濕地對pH的調(diào)節(jié)

2.2 高效人工濕地對電導(dǎo)率變化的影響研究

電導(dǎo)率是以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力。電導(dǎo)率的高低受水中無機酸、堿、鹽或有機帶電膠體等的影響，而水溶液的電導(dǎo)率取決于帶電荷物質(zhì)的性質(zhì)和濃度以及溶液的溫度和黏度等。電導(dǎo)率常用于間接推測水中帶電荷物質(zhì)的總濃度。所以，通過電導(dǎo)率可以推測水中帶電荷物質(zhì)的濃度。

研究發(fā)現(xiàn)，進水和出水的電導(dǎo)率差異很大(詳見圖5)，出水EC比進水平均提高了2～3倍，說明出水中的帶電荷物質(zhì)的濃度較進水有所增加。在前期由于基質(zhì)的溶解導(dǎo)致水體中總?cè)芙恹}含量增加，經(jīng)過一段時間的調(diào)試，后期EC的差異較小，電荷達到一定值之后緩慢恢復(fù)到一個比較穩(wěn)定的值。

圖5 全濕人工濕地對EC的調(diào)節(jié)

圖6顯示了半濕人工濕地對EC的調(diào)節(jié)作用，從圖6可以看出，出水的電導(dǎo)率平均提高了1～2倍。說明出水中的帶電荷物質(zhì)有所增加。前期半濕人工濕地對EC的調(diào)節(jié)作用欠佳，因為基質(zhì)的溶解導(dǎo)致水體中總?cè)芙恹}含量增加，但隨著系統(tǒng)運行并不斷進行調(diào)試，出水中的帶電荷物質(zhì)在慢慢的降低，最后達到一個比較穩(wěn)定的值。

圖6 半濕人工濕地對EC的調(diào)節(jié)

2.3 高效人工濕地對濁度的改善能力

濁度是水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水的濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射率有關(guān)。通過濁度可反映水中懸浮物的情況。從圖7可以看出，濁度的處理率最高可以達到95.32%，最低處理率為27.30%，總體水平維持在70%～90%之間。觀察圖7發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行初期，對濁度的去除率較低，這可能與初始時段系統(tǒng)處于調(diào)試狀態(tài)有關(guān)。但是隨著基質(zhì)-植物-微生物系統(tǒng)的作用不斷增強，尤其是微生物的分解作用，使水的濁度有很大改善，說明出水懸浮物的含量較進水大幅度降低。

圖7 全濕人工濕地對濁度的改善

從圖8可以看出，半濕人工濕地對濁度有很大的改善，去除率可以達到90%以上。該系統(tǒng)的調(diào)試時間比較長，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用不斷增強，春季植物生長迅速，植物個體不斷長大，以及微生物的種類和數(shù)量不斷增多，基質(zhì)-植物-微生物系統(tǒng)的作用不斷增強，尤其是微生物的分解作用，大大削減了污水中的懸浮物質(zhì)，達到較好的改善作用。

圖8 半濕人工濕地對濁度的改善

2.4 高效人工濕地對總磷的削減作用

磷是水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。磷含量超過0.1 mg/L時，將會導(dǎo)致水體中藻類迅速繁殖，誘發(fā)水體富營養(yǎng)化，進而引起水質(zhì)惡化，對水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。圖9是濕地穩(wěn)定運行期間的TP去除情況。人工濕地運行初期由于基質(zhì)的吸附作用，除磷效果極佳；中期基質(zhì)的吸附相對較少，濕地中的植物個體小，微生物種類、數(shù)量不多，所以通過生物同化作用去除廢水中的磷的程度有限，導(dǎo)致中期除磷效果欠佳；后期，植物高大，對磷的吸收作用增強，但隨著TP含量的逐漸下降，去除率較前期有所下降，整個系統(tǒng)對TP的削減作用呈U型。

圖9 全濕人工濕地對TP的削減作用

圖10為半濕人工濕地對TP的去除狀況。盡管進水的TP濃度增加，從原先的平均13.95 mg/L上升到56.24 mg/L，但出水的TP含量下降至12 mg/L以下。在運行初期，由于基質(zhì)的吸附作用，除磷效果極佳，可以達到90%以上；隨著植物的生長和微生物的繁殖，利用基質(zhì)-植物-微生物系統(tǒng)的作用，對廢水中的無機磷進行吸收同化、過量積累以及物理化學(xué)作用，大大削減廢水中的磷，達到凈化的效果。

圖10 半濕人工濕地對TP的削減作用

2.5 高效人工濕地對氨氮的凈化效果

在人工濕地系統(tǒng)中，植物根系的輸氧作用，使得濕地床體內(nèi)部出現(xiàn)連續(xù)的好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，使硝化作用和反硝化作用可以在濕地系統(tǒng)中同時進行。參考圖11可以看出，系統(tǒng)在調(diào)試階段對氨氮的處理效果欠佳，由于基質(zhì)的影響導(dǎo)致前期氨氮有所增加。中后期，隨著植物的生長，植物不斷攝取、基質(zhì)的吸附以及微生物的硝化-反硝化作用，氨氮的處理效果在不斷的增強。氨氮的處理率在60%以上，最高可達89.14%。

圖11 全濕人工濕地對NH3-N的凈化效果

圖12顯示了半濕人工濕地對氨氮的凈化效果，盡管進水濃度有很大差異，但系統(tǒng)對氨氮的凈化效果較好，凈化效果在79%～99%之間。系統(tǒng)經(jīng)過很長一段調(diào)試期，在前期表現(xiàn)出良好的凈化效果；由于氣候與溫度等原因?qū)е潞笃诎霛袢斯竦貙Π钡奶幚硇Ч兴陆?，但從總體上看，半濕人工濕地對氨氮的凈化效果表現(xiàn)良好。

圖12 半濕人工濕地對NH3-N的凈化效果

2.6 高效人工濕地對化學(xué)需氧量的控制效果

在人工濕地系統(tǒng)中，污水中的不溶性有機物吸附在可沉降顆粒上，通過沉降作用或過濾從污水中截流下來，被微生物加以利用，而可溶性有機物則可通過土壤中的生物膜的吸附及微生物的代謝過程被去除[12]。圖13表明全濕人工濕地對COD有較好的控制效果，其去除率在75%以上，且穩(wěn)定性比較好。分析原因可能有：植物根系加速了對碳的吸收，降低了水體環(huán)境中的碳水平；植物的光合作用過程改善了小氣候，特別是氧氣的交換；基質(zhì)具有較大的比表面積和較高的孔隙度，因而具有較好的吸附功能。

圖13 全濕人工濕地對COD的控制效果

半濕人工濕地對COD的控制效果欠佳，雖然可以達到88%，但是最低只有34%(詳見圖14)。分析這一現(xiàn)象的原因可能是經(jīng)過一段調(diào)試期之后，植物開始迅速生長，微生物繁殖，在基質(zhì)-植物-微生物的共同作用下，濕地對COD的控制效果良好，但在后期，由于氣候、溫度以及一些不確定因素導(dǎo)致半濕人工濕地對COD的控制作用下降。

圖14 半濕人工濕地對COD的控制效果

2.7 高效人工濕地對懸浮物的凈化作用

懸浮物指在水中的不溶解物質(zhì)，包括不溶于水的無機物、有機物及泥沙、黏土、微生物等。水中懸浮物含量是衡量水污染的程度之一。懸浮物是造成水渾濁的主要原因。水體中的有機懸浮物沉積后易厭氧發(fā)酵，使水質(zhì)惡化。

全濕人工濕地對懸浮物的去除率介于70%～99.23%之間(參見圖15)，說明處理效果較為理想。全濕人工濕地對懸浮物有較佳處理效果的原因有：微生物對懸浮物質(zhì)的分解、降解和腐解等作用；植物根系具有過濾、截留作用和基質(zhì)的阻滯功能，可以防止懸浮物質(zhì)進入水體。處理后的生活污水渾濁度降低，透明度提高，水質(zhì)得到明顯改善。

圖15 全濕人工濕地對SS的凈化效果

從圖16可以看出，半濕人工濕地對SS的凈化效果良好，平均去除率在70%以上，濕地中植物根系和飽和狀態(tài)的基質(zhì)，使固態(tài)懸浮物被根系和基質(zhì)阻擋、截留、沉降和過濾而被分離去除。經(jīng)過半濕人工濕地處理后水中SS大幅度降低，降低了污水的渾濁度，改善了水質(zhì)。

圖16 半濕人工濕地對SS的凈化效果

3 結(jié)論

本研究以高效復(fù)合人工濕地對生活污水進行處理，通過對pH、EC、濁度、TP、NH3-N、COD、SS等指標(biāo)的測定，綜合評價整個濕地系統(tǒng)的對生活污水的凈化效果，得出以下主要結(jié)論：

(1) 高效人工濕地對生活污水中TP、NH3-N、COD和SS有較好的處理效果，TP的去除率為80%，NH3-N的去除率在75%左右，COD和SS的去除率都在70%左右。

(2) 高效人工濕地處理污水的效率受系統(tǒng)運行時間和季節(jié)等因素的影響，波動幅度在20%左右，但總體表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。

(3) 本研究采用改良人工基質(zhì)和基質(zhì)包作為人工濕地基質(zhì)，避免了傳統(tǒng)基質(zhì)單一、氨氮去除率低等缺點，雖然在系統(tǒng)運行前期對系統(tǒng)有一定影響，但經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試后，對氨氮去除率可以達到75%左右。

(4) 本研究選用美人蕉、雜交酸模和黑麥草作為人工濕地植物，人工濕地可以一年四季運行，既延長了人工濕地的運行周期，又增加了人工濕地的污水凈化效果，也增加了景觀價值。

(5) 從控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面綜合評價，高效人工濕地可以用于生活污水的處理處置。

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A study on domestic sewage treatment using a high-efficiency artificial wetlands system

Liu Yingxue

(Zunyi Environmental Monitoring Center Station，Zunyi 563006，China)

this paper summarizes the removal rates of organic matters, NH3-N ,TP, COD and SS in domestic sewage treated by a high-efficiency artificial wetlands system made of materials involving wood and films etc.According to the results from the experiment, following conclusions can be drawn:(1)the system has a better treatment effects on TP, NH3-N, COD and SS in domestic sewage with removal rates of 80%,75%,70% and 70% respectively;(2)the overall efficiency of the system is stable and fluctuated only in a small range of about 20%, being affected by factors like running time and seasons etc.，and (3) the system can be used for domestic sewage treatment when evaluated comprehensively from the views of both control effectiveness and system stability.

high-efficiency artificial wetlands；domestic sewage；substrate

2015-04-09；2015-05-04修回

劉應(yīng)學(xué)，男，1987年生，工程師，研究方向：水環(huán)境監(jiān)測。E-mail：639812141@qq.com

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