垂直流人工濕地處理農(nóng)村生活污水性能研究

李 奕，王宗麗，宋墩福

(1. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng)，337055；2.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 林業(yè)學(xué)院，江西 贛州，341000)

隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生活污水對(duì)周?chē)h(huán)境水體的負(fù)面影響越來(lái)愈嚴(yán)重，而在大部分地區(qū)，生活污水并沒(méi)有配套處理設(shè)施，只能直接排放[1-2].由于居民居住分散，管網(wǎng)設(shè)施不完善，技術(shù)手段運(yùn)行管理成本高等缺陷，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水處理的推廣有一定的難度[3-4].近年來(lái)，人工濕地在農(nóng)村生活污水的應(yīng)用越來(lái)越受關(guān)注，它具有運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)二次污染、景觀效果良好等優(yōu)點(diǎn)[5-6].人工濕地的核心技術(shù)為潛流式濕地，按水流形式分水平流和垂直流[7].垂直流人工濕地主要優(yōu)點(diǎn)為占地面積小、處理效率高等，在農(nóng)村生活污水處理中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力.本研究針對(duì)江西省地區(qū)農(nóng)村生活污水處理不完善問(wèn)題，建立垂直流人工濕地選定合適的植物體系，并考察其對(duì)生活污水的處理效果.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 廢水來(lái)源

實(shí)驗(yàn)廢水為江西省某農(nóng)村生活污水，生活污水中混入了養(yǎng)殖廢水，具體分析指標(biāo)如表1所示.該村落地址南高北低，污水可順勢(shì)自流進(jìn)行收集.收集后的生活污水經(jīng)格柵預(yù)處理后進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)，污水量為80 m3/d.

表1 生活污水水質(zhì)

1.2 模擬濕地實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)筒式生態(tài)濕地模擬實(shí)驗(yàn)以選擇最合適的植物種類，實(shí)驗(yàn)植物種類選擇常見(jiàn)的鳳眼蓮、蘆葦和傘草三種.實(shí)驗(yàn)采用4個(gè)滾筒，每個(gè)滾筒總?cè)莘e為200 L，高90 cm，每個(gè)單元按表2一級(jí)濕地方式充滿礫石層，作為過(guò)濾層，底物連接穿孔管進(jìn)行通風(fēng).其中一個(gè)滾筒未種植任何植物作為對(duì)照組，另外三個(gè)滾筒分別單一種植鳳眼蓮、蘆葦和傘草.滾筒在第一個(gè)月內(nèi)以稀釋過(guò)的污水作為底物，以建立功能良好的植物體系.在后續(xù)運(yùn)行的一個(gè)月內(nèi)，改為以原污水作為底物，水力負(fù)荷設(shè)計(jì)為0.15 m·d-1.

表2 濕地填充介質(zhì)參數(shù)

1.3 中試濕地實(shí)驗(yàn)

通過(guò)模擬濕地實(shí)驗(yàn)確定最適的植物種類后，建立兩級(jí)垂直流人工濕地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)中試實(shí)驗(yàn).人工濕地為鋼砼結(jié)構(gòu)，并做防滲處理.一級(jí)人工濕地表面積為20 m2，二級(jí)人工濕地表面積為10 m2.人工濕地內(nèi)部按表2的方式填充河流礫石，河流礫石具有很高的導(dǎo)水率，為生物膜的形成提供了較好的基礎(chǔ).系統(tǒng)在第一個(gè)月內(nèi)處理稀釋后的污水以形成良好的植物體系，在以后的運(yùn)行中處理僅經(jīng)格柵預(yù)處理的生活污水.一級(jí)人工濕地設(shè)置2個(gè)平行組，依次運(yùn)行，水力負(fù)荷為0.15 m·d-1，處理后的水自流進(jìn)入二級(jí)人工濕地，二級(jí)人工濕地設(shè)置2組，依次運(yùn)行，水力負(fù)荷為0.15 m·d-1.運(yùn)行4個(gè)月后，提高水力負(fù)荷為0.22 m·d-1，以考察系統(tǒng)運(yùn)行性能.

1.4 分析方法

水中TDS指標(biāo)按稱量法[8]進(jìn)行測(cè)定，COD、BOD、TKN、NH3—N、TP和SS等指標(biāo)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行分析.微生物分析采用文獻(xiàn)[10]中所述的DNA提取、PCR擴(kuò)增及焦磷酸測(cè)序法完成.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)性能

表3為各組模擬實(shí)驗(yàn)在第2個(gè)月內(nèi)的運(yùn)行性能總結(jié).從表3中可以看出，與對(duì)照組相比，鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組對(duì)各項(xiàng)污染物均有不同程度提高的去除效果.對(duì)照組、鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組對(duì)COD的平均去除率分別為19.4%、40.5%、39.5%和48.7%，較對(duì)照組，鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組的COD平均去除率分別提高了108.8%、103.6%和151.3%.對(duì)照組對(duì)TKN和NH3—N的去除率很低，分別僅為9.4%和8.7%，鳳眼蓮組和蘆葦組對(duì)TKN和NH3—N的去除率也處于較低水平，且基本相當(dāng)，在33.2%～36.9%之間變化.傘草組對(duì)TKN和NH3—N的去除率最高，分別達(dá)到59.5%和67.5%.本研究人工濕地對(duì)TKN和NH3—N的去除率低于其他類似研究，主要原因在于本研究模擬人工濕地運(yùn)行時(shí)間較短，植物根系不足以馴化出穩(wěn)定的硝化菌群.就TP去除而言，可以看出，各組系統(tǒng)對(duì)TP的去除率均很低，對(duì)照組、鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組出水TP的質(zhì)量濃度分別為(6.2±0.3)、(5.7±0.4)、(5.5±0.5) mg·L-1和(4.9±0.3) mg·L-1，對(duì)應(yīng)的TP去除率分別為3.1%、10.9%、14.1%和23.4%，傘草組對(duì)TP的去除率高于鳳眼蓮組和蘆葦組.人工濕地對(duì)TP的去除率較低是因?yàn)槿斯竦貙?duì)TP的去除主要通過(guò)根系吸收、菌群增殖代謝需求及生物礦化方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)TP的去除能力有限，在其他的類似研究中，人工濕地對(duì)TP的去除率同樣不高.因此，在本模擬實(shí)驗(yàn)中，傘草組對(duì)COD、TKN、NH3—N和TP的去除率均最高，可以確定傘草為本人工濕地系統(tǒng)最適合的植物體系.

表3 模擬實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行性能

圖1 三組人工濕地在運(yùn)行末期基質(zhì)

2.2 中試實(shí)驗(yàn)性能

基于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用傘草植物建立兩級(jí)垂直流人工濕地，并考察0.15 m·d-1和0.22 m·d-1水力負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響.圖2為不同水力負(fù)荷下兩級(jí)人工濕地出水有機(jī)物污染質(zhì)量濃度變化情況，圖3為不同水力負(fù)荷下兩級(jí)人工濕地對(duì)有機(jī)物污染物的去除情況.第1～11周為系統(tǒng)啟動(dòng)期，從圖3中可以看出，人工濕地出水中各項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度隨著運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)逐漸降低，出水COD和BOD質(zhì)量濃度在運(yùn)行的第5周基本穩(wěn)定，而TKN和NH3—N出水質(zhì)量濃度穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，在第11周達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這表明硝化細(xì)菌培養(yǎng)馴化較異氧菌需要更長(zhǎng)的時(shí)間.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)人工濕地在0.15 m·d-1的水力負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)(第12～27周)，一級(jí)人工濕地對(duì) COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分別為70.8%、71.2%、53.3%、65.4%、21.1%和55.2%，二級(jí)人工濕地對(duì)COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分別為65.7%、69.4%、51%、60.8%、38.2%和75%，除TDS和SS指標(biāo)外，其余指標(biāo)的去除率均比一級(jí)人工濕地低，一級(jí)人工濕地承擔(dān)了有機(jī)污染物的大部分去除.整個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述各項(xiàng)指標(biāo)的平均去除率分別達(dá)到了90%、90.9%、77.1%、86.4%、51.2%和88.8%，各項(xiàng)指標(biāo)出水質(zhì)量濃度分別為(69.9±3.3)、(28.6±1.5)、(8.6±0.7)、(4.2±0.3)、(585.5±104.5) mg·L-1和27.2±3.6 mg·L-1.當(dāng)水力負(fù)荷提高到0.22 m·d-1時(shí)(第28～35周)，各項(xiàng)污染物出水質(zhì)量濃度和去除率均有一定的變化.從圖3中可以看出，兩級(jí)人工濕地對(duì)COD和BOD的去除率略有小幅度的下降，本研究水力負(fù)荷的提高對(duì)COD和BOD的去除影響很小，有小幅度下降，分別由90%和90.9%下降至88.6%和89.1%.TKN的去除率也隨水力負(fù)荷的提高而小幅度下降，由77.1%下降至67.9%.但NH3—N的去除率卻隨水力負(fù)荷的提高而呈升高趨勢(shì)，這可能與植物根系吸收作用有關(guān)，一級(jí)人工濕地對(duì)NH3—N的去除率由65.4%提高到69%，二級(jí)人工濕地對(duì)NH3—N的去除率基本沒(méi)變化，Xu et al[15]曾以人工濕地處理農(nóng)村生活污水，得到了類似的變化趨勢(shì).隨著水力負(fù)荷的提高，出水TDS和SS質(zhì)量濃度呈升高趨勢(shì)，這表明上升流速的提高的對(duì)根系鹽分吸收效果和礫石懸浮物截留效果有一定的負(fù)面影響.

圖2 不同水力負(fù)荷下有機(jī)物污染質(zhì)量濃度變化情況(單位：周)

圖3 不同水力負(fù)荷下系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物污染的去除情況

3 結(jié) 論

1)兩級(jí)傘草垂直流人工濕地應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理中具有一定的可行性，系統(tǒng)對(duì)COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分別達(dá)90%、90.9%、77.1%、86.4%、51.2%和88.8%.

2)提高的水力負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能有一定的負(fù)面影響，較低的水力負(fù)荷更適合于人工濕地的運(yùn)行.