晉安區(qū)人工濕地設計負荷與處理能力關系的研究

摘要：隨著農(nóng)村環(huán)境整治的逐步推進，農(nóng)村生活污水處理建設和運維逐漸被提上日程。本研究以具有丘陵地貌特征的福州晉安區(qū)北峰山區(qū)農(nóng)村污水處理設施為研究對象，通過2年的運行監(jiān)測結果，結果表明，在濕地設計表面負荷為0.08m3/m2·d和0.40m3/m2·d之間時，其出水濃度均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準，運行費用低，具有較強的抗沖擊負荷。研究結果表明了針對農(nóng)村污染物含量低的污水，高負荷人工濕地的的土地、環(huán)境和經(jīng)濟效益更加突出。

關鍵詞：生活污水；水平潛流式人工濕地；負荷

中圖分類號：R123.3 文獻標識碼：A 文章編號：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

晉安區(qū)地處福州市東北角，總面積442平方公里的北峰山區(qū)是福州的后花園，由于歷史的原因，平原地區(qū)農(nóng)村的生活污水通過污水收集管網(wǎng)進入城市污水處理廠處置，而山區(qū)的污水處理設施建設相對滯后[1]。為了保護北峰山區(qū)優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境，晉安區(qū)投入大量資金在山區(qū)開展污水處理設施建設工作。根據(jù)農(nóng)村生活污水排量小、有機物濃度含量低、間歇排放、日變化系數(shù)較大等特點，選取“人工濕地”的處理工藝對生活污水進行處置?！叭斯竦亍碧幚砉に嚲哂型顿Y少、運行費用低、耐沖擊、負荷能力強和綠化環(huán)境等優(yōu)點，適應農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護的要求[2-5]。從2006年以來晉安區(qū)先后在16個行政村開展人工濕地污水處理設施建設工作，從日常的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，人工濕地污水處理設施能夠較好的處置農(nóng)村生活污水，排放濃度達到城鎮(zhèn)污水處理廠一級B排放標準。

近年來，隨著耕地保護區(qū)紅線、陸域生態(tài)紅線的劃定和鄉(xiāng)村建設總體規(guī)劃的編制，對人工濕地占地面積提出了更高的要求，通過查閱相關資料，人工濕地的占地面積與水力負荷呈反比關系，與污水處理能力呈正比關系[6，7]。在農(nóng)村常住人口波動不大的情況下，通過合理設置人工濕地的水力負荷是減少人工濕地占地面積的重要途徑。由于環(huán)保部2011年3月實施的《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》（HJ 2005-2010），對水平潛流人工濕地的水力負荷設計要求中僅規(guī)定L<0.5m3/m2·d，為了更好的指導晉安區(qū)農(nóng)村人工濕地污水處理設施建設，本文選取晉安區(qū)北峰山區(qū)現(xiàn)有高、中、低負荷的三座人工濕地進行研究，探討在不同設計負荷下對生活污水主要指標的處理能力，為相應的農(nóng)村污水處理設計提供相應參考。

1 研究對象與方法

1.1 污水處理站工藝流程和設計參數(shù)

本次研究選取研究對象為福州市晉安區(qū)北峰地區(qū)三個不同村莊的且典型村污水處理處理設施為研究對象，處理設施處理工藝均為格柵—沉砂井—水平潛流人工濕地，除了水平潛流人工濕地設計參數(shù)不同外，其余設施設計參數(shù)均相同，人工濕地設計參數(shù)見表1所示。

1.2 運行與監(jiān)測

本研究是基于實際工程探討人工濕地污水處理的處理效果與設計負荷和季節(jié)變化之間的關系。針對以上研究目標，本研究從2014年1月開始至2015年12月，每季度布點監(jiān)測三座人工濕地的CODcr，NH4+—N，TN，TP進、出水質(zhì)量濃度。監(jiān)測方法為：總磷為鉬酸銨分光光度法，氨氮為納氏試劑比色法，總氮為堿性過硫酸鉀-消解紫外分光光度法，COD為重鉻酸鹽法[8]。

1.3 人工濕地進、出口水質(zhì)監(jiān)測結果

通過實際工程的水質(zhì)監(jiān)測，2014年、2015年污水處理站進、出水CODcr，NH4+—N，TN，TP水質(zhì)分別如表2、表3所示。2014年、2015年三個污水處理站CODcr，NH4+—N，TN，TP的去除效率一覽表如表4、表5所示。

2 結果與討論

2.1 進、出口水質(zhì)分析

從表2、表3可以看出三座設施進口水質(zhì)中COD的濃度為110～170mg/L，氨氮的濃度為11.0～15.0 mg/L，總氮的濃度為20.0～29.0 mg/L，總磷的濃度為1.70～2.80 mg/L。其中除一季度數(shù)據(jù)較高外，其余三季度濃度變化不大，經(jīng)查2014年2月和2015年2月為農(nóng)歷春節(jié)，由于返鄉(xiāng)人口增加，水量波動較大，水量出現(xiàn)了近翻倍的增加，污染物濃度均出現(xiàn)不同程度上升。但是從出水水質(zhì)分析可知，出水污染物濃度略有上升，但是還是達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級B標準，說明南方的較冷季節(jié)的春節(jié)期間人工濕地仍然能夠保證出水水質(zhì)達標排放。

2.2 三種水力負荷下COD去除效果比較

三個不同村莊不同表面水力負荷的人工濕地對對COD的去除率見圖1，從圖1可知在三種水力負荷下COD的去除率穩(wěn)定在65%-75%之間，有機物的去除與污染負荷相關，水力負荷越低COD的去除率越高，但是在較低表面負荷率的情況下，去除率較為穩(wěn)定，表面水力負荷對出水水質(zhì)影響并不明顯。主要是因為表面潛流濕地對有機物的去除主要是靠微生物的作用，填充物具有較大的比表面積，在不同直徑的填料表面形成一層生物膜，污水流經(jīng)顆粒表面時，不溶性的有機物通過沉淀過濾吸附作用很快被截留，然后被微小生物利用，在水平潛流的過程中，可溶性有機物通過生物膜的吸附和微生物的代謝在人工濕地的前端基本被去除，到末端的時候剩下的基本是難于被微生物所降解的有機物，這些有機物主要靠沉淀、吸附的物理化學作用被去除，但經(jīng)過長期運行的濕地，這部分物理化學作用被減弱，因此繼續(xù)增大濕地面積對COD 去除率并無明顯影響。

2.3 三種負荷下氨氮去除效果比較

從上圖2可以看出，在三種水力負荷下氨氮的去除率處于55%-65%之間，在低水力負荷下，濕地的復氧環(huán)境最好，氨氮的去除效果最佳，高水力負荷下，濕地的復氧環(huán)境較差，氨氮的去除能力也較弱。人工濕地對氨氮的去除主要依賴于濕地內(nèi)的復氧環(huán)境下的硝化反應和地表植物對氨氮的去除，在不同的水力負荷下，濕地內(nèi)的復氧環(huán)境存在差異，直接影響人工濕地的硝化反應，同時人工濕地面積的增加，有利于植物對氨氮的去除，因此減少人工濕地水力負荷有利于氨氮的去除，但去除率并無按水力負荷降低出現(xiàn)大幅度提高。

2.4 三種水力負荷下總氮去除效果比較

晉安區(qū)北峰山區(qū)基本無工業(yè)企業(yè)和家庭作坊，農(nóng)村污水的來源單一，污水中總氮的成分大部分為氨氮，因此總氮的去除效果和氨氮基本一致。但是由于生物脫氮要經(jīng)過好氧—硝化，厭氧—反硝化過程，在低水力負荷下，濕地基本處于好氧環(huán)境，無法進行反硝化反應，總氮的去除效果較差。從圖3可以看出，在三種水力負荷下，總氮的去除率處于55%-65%之間，在水力負荷0.40m3/m2·d負荷下，去除效果最佳，能穩(wěn)定在60%以上，在水力負荷0.08m3/m2·d和0.20m3/m2·d下，去除效果相對較差，但也穩(wěn)定在55%-60%之間，能夠滿足設計的處理要求。

2.5 三種水力負荷下總磷去除效果比較

從上圖4可以看出，在三種水力負荷下總磷的去除率處于65%-75%之間，水力負荷低的人工濕地對總磷的去除效果更佳，隨著水力負荷的上升，總磷的去除效果呈下降趨勢，但在水力負荷為0.40m3/m2·d時仍能滿足設定的處理要求。濕地去除總磷主要依靠基質(zhì)對有機物的沉淀、吸附，然后被植物作為營養(yǎng)杯去除。在進口總磷濃度較一致的情況下，設計負荷越高，濕地基質(zhì)的處理能力越差，當濕地基質(zhì)達到飽和吸附狀態(tài)時，將失去繼續(xù)處理的能力，因此此時濕地植物成為去除P的關鍵，而植物生長受到季節(jié)性影響，因此出水也受到季節(jié)性影響。因此設計時要充分考慮負荷和處理能力之間的關系，濕地植物要選擇本地區(qū)常綠植物，保證濕地基質(zhì)處于長期有效的狀態(tài)。

2.6 運行費用分析

三個村莊的運行費用見表6所示，從表6可知，污水處理設施屬于無動力設施，費用支出主要是濕地植物的收割和格柵沉淀清理費用，根據(jù)村級管理機構提供數(shù)據(jù)可知，針對低濃度的農(nóng)村污水，高負荷人工濕地處理設施明顯優(yōu)于低負荷的人工濕地處理設施。

3 結論

（1）在高、中、低三種水力負荷條件下，人工濕地均能滿足南方丘陵山區(qū)農(nóng)村生活污水處理的需要，出水水質(zhì)能穩(wěn)定達到設計的一級B排放標準，在春節(jié)期間，污水排放呈現(xiàn)明顯的時段和季節(jié)波動情況下，在高水力負荷下人工濕地內(nèi)仍能夠保證對污染物的去除率。同時在低水力負荷條件下，人工濕地對COD、氨氮和總磷有較好的除去效果，中水力負荷條件下，人工濕地對總氮的處理效果更佳。（2）綜合考慮各負荷下污水處理效果、土地的利用效率和運行費用，采取0.40m3/m2·d的水力負荷既能滿足類似福州晉安區(qū)的南方丘陵地帶的農(nóng)村生活污水處理的要求，又能節(jié)約用地，有較好的土地、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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作者簡介：黃訓強（1978-），男，本科，工程師，研究方向為環(huán)境保護與環(huán)境監(jiān)測。