人工濕地處理技術(shù)在農(nóng)村污水處理中的運(yùn)用

袁敏航,王子涵,張 翀,劉曉靜,夏 楊

1.中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司,北京 100037 2.中國建筑基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部(中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司),北京 100020

0 引言

國家統(tǒng)計(jì)局近年數(shù)據(jù)顯示,我國目前的城市化率超過了60%。在城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的形勢下,城鎮(zhèn)污水處理效率也得到了極大提升。而作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,目前全國的成建制村的數(shù)量在百萬以上,農(nóng)村在污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面較為落后,從而導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)出現(xiàn)了相對嚴(yán)重的污水散排現(xiàn)象。根據(jù)2020年全國污染普查數(shù)據(jù)顯示,在農(nóng)村地區(qū)水污染物含量排放量中COD水污染物的占比達(dá)到了50%,明顯超過城鎮(zhèn)地區(qū)。因此在廣大農(nóng)村地區(qū)開展積極有效的生活污水處理非常有必要。

1 人工濕地的去污作用機(jī)理

1.1 人工濕地構(gòu)成

1.1.1 植物

人工濕地系統(tǒng)中植物是非常重要的一個(gè)組成部分[1]。植物不僅可以直接吸收污水中的氮、磷等營養(yǎng)元素,同時(shí)可以有效控制污水中的重金屬等有害物質(zhì)。當(dāng)處在低水力負(fù)荷的情況下,植物可以直接吸收污水中的硝態(tài)氮、磷酸鹽等化合態(tài)氮和磷。植物發(fā)達(dá)的根系還可以對鐵、鋁等重金屬元素形成有效吸收。另外植物根系上存在大量微生物,在濕地環(huán)境下微生物的繁殖和代謝發(fā)達(dá),也可以發(fā)揮出凈化水質(zhì)的效果。

1.1.2 基質(zhì)

人工濕地農(nóng)場微生物和植物等都是以基質(zhì)為基本生長要素。且基質(zhì)內(nèi)會(huì)發(fā)生大量的凈化污水的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)。通過基質(zhì)自身的吸附、沉淀和過濾作用可以直接發(fā)揮出污水凈化效果。此外,微生物的分泌物可有效降解污水中的有機(jī)物和氮、磷等物質(zhì)[2]。在選擇人工實(shí)體基質(zhì)填料的過程中應(yīng)該以表面積大、吸附能力強(qiáng)、附著微生物能力強(qiáng)、易掛膜、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、使用壽命長等特征的基質(zhì)為主。目前較為常用的人工濕地填料主要有建筑廢渣、沸石、石灰石、鍋爐廢渣等。

1.2 人工濕地去污機(jī)理

1.2.1 有機(jī)物去除機(jī)理

污水中的有機(jī)物主要分為易溶和難溶2種。人工濕地處理系統(tǒng)中的填料、土壤、植物根系可有效吸附和攔截難溶性有機(jī)污染物,并通過微生物進(jìn)行降解。而易溶性有機(jī)物則可通過微生物分解和植物吸收等方式去除。微生物分解過程主要分為厭氧和好氧2種反應(yīng)。

與好氧反應(yīng)過程相比較,厭氧反應(yīng)過程更加緩慢、復(fù)雜,其反應(yīng)過程主要包括水解復(fù)合反應(yīng)、產(chǎn)酸產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷、還原脂肪酸產(chǎn)生甲烷等幾個(gè)過程[3]。

1.2.2 氮元素去除機(jī)理

生活污水中主要有硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、有機(jī)氮等幾種氮元素存在形式。人工濕地中的微生物可通過反硝化、硝化和氨化癥作用將氮元素化合物轉(zhuǎn)化成氮?dú)?最終完成脫氮處理。此外,人工濕地系統(tǒng)中的植物根系、基質(zhì)也能對氮元素進(jìn)行少量吸收。氨氮是農(nóng)村污水中氮元素最主要的一種存在形式,因此,氮元素去除最主要的內(nèi)容就是去除氨氮。

污水的pH值也會(huì)對氨氮揮發(fā)產(chǎn)生直接影響,當(dāng)污水pH值處于8以下情況時(shí),并不會(huì)發(fā)生明顯揮發(fā)現(xiàn)象,但pH值達(dá)到9.3以上時(shí),超過50%的氮元素存在于氨中,此時(shí)揮發(fā)效果會(huì)對氨氮去除產(chǎn)生明顯影響。傳統(tǒng)的人工濕地系統(tǒng)pH值通常處于8以內(nèi),因此氨氮揮發(fā)的影響完全可忽略。

2 人工濕地在農(nóng)村污水生化處理中的應(yīng)用試驗(yàn)

為探索人工濕地系統(tǒng)在農(nóng)村污水生化處理中的應(yīng)用效果,本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方式驗(yàn)證人工濕地對農(nóng)村污水中各類污染物的去除效果。

2.1 污水處理室內(nèi)試驗(yàn)

雖農(nóng)村生活污水具有極強(qiáng)的可生化性,但整體污染濃度不高。試驗(yàn)主要針對污水中的總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量(CODcr)等4種污染物質(zhì)的去除效果進(jìn)行分析。在不同情況下對人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整來獲取污染物平均去除指標(biāo)。試驗(yàn)前先將生活污水水質(zhì)進(jìn)行分析待掌握其凈化原理后,最終確定試驗(yàn)方案。試驗(yàn)選取某村鎮(zhèn)污水處理站作為取樣點(diǎn),試驗(yàn)過程中模擬了波形上下折板潛流人工濕地系統(tǒng),人工濕地植物選擇綠蘿,填料選擇活性炭、沸石和生物陶粒等。通過不同工況,對農(nóng)村生活污水處理規(guī)律進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

2.2 水質(zhì)分析

該污水處理廠主要采取的是微動(dòng)力地埋式生態(tài)化污水處理技術(shù)。圖1為該村鎮(zhèn)污水處理的工藝流程圖。

圖1 污水處理的工藝流程圖

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),該采樣點(diǎn)的農(nóng)村生活污水整體呈現(xiàn)棕黃色,有強(qiáng)烈臭味。取樣后將樣品放在實(shí)驗(yàn)室靜置1 d,并未發(fā)現(xiàn)大量雜質(zhì),經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),主要污染物為懸浮物、有機(jī)污染物、氮和磷等污染物質(zhì),污染源主要為農(nóng)村廚余污水、廁所污水和洗漱等污水,具有極強(qiáng)的可生化性[4],其水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 污水水質(zhì)指標(biāo)

2.3 進(jìn)出水口位置試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)主要設(shè)置了0.1 m/d、0.2 m/d以及0.4 m/d這3種不同的水力負(fù)荷條件,在進(jìn)出水方面主要設(shè)置了上進(jìn)上出、上進(jìn)下出、下進(jìn)上處、下進(jìn)下出4種不同方式。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,采取上部進(jìn)水方式后,3種不同水力負(fù)荷條件下,出水出口CODcr的濃度分別為45.14～53.27 mg/L、49.41～59.09 mg/L、58.84～68.10 mg/L,平均去除率達(dá)到67.66%、 64.27%、62.72%,且與水力負(fù)荷為0.2 m/d的情況相比較,當(dāng)水力條件為0.1 m/d時(shí),4種進(jìn)出水方式CODcr去除率分別提升了5.66%、4.76%、3.39%、3.07%。同樣采取上部進(jìn)水方式,3種不同水力負(fù)荷條件下,出水總磷的濃度為0.76～0.84 mg/L、0.84～0.90 mg/L、1.08～1.35 mg/L,平均去除率達(dá)到66.37%、 65.01%、63.01%。且與水力負(fù)荷為0.2 m/d的情況下相比較,當(dāng)水力條件為0.1 m/d時(shí),4種進(jìn)水出方式的總磷去除率分別提升了1.36%、0.83%、1.24%、1.04%。在水力負(fù)荷為0.4 m/d的情況下,出水水質(zhì)只能達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在3種不同水力負(fù)荷條件下,出水氨氮的濃度為9.16～10.26 mg/L、8.32～9.90 mg/L、9.92～10.88 mg/L,平均去除率達(dá)到43.97%、48.41%、48.25%。當(dāng)水力負(fù)荷為0.2 m/d時(shí),平均去除率分別比0.4 m/d、0.1 m/d時(shí)高出0.16%、4.44%。3種不同水力負(fù)荷條件下,出水總氮的濃度變化范圍為16.71～18.04 mg/L、18.03～19.25 mg/L、19.11～21.08 mg/L,平均去除率達(dá)到38.74%、36.66%、36.97%。當(dāng)水力負(fù)荷為0.1 m/d時(shí),平均去除率分別比0.2、0.4 m/d時(shí)高2.08%、1.77%。

2.3.1 化學(xué)需氧量(CODcr)去除效果分析

當(dāng)水力負(fù)荷條件為0.1、0.2 m/d時(shí),水質(zhì)處理效果差異不明顯,但水力負(fù)荷條件達(dá)到0.4 m/d時(shí),水質(zhì)指標(biāo)明顯下降。且當(dāng)水力負(fù)荷條件為0.1 m/d時(shí)CODcr去除效果提升非常明顯。由此可見,從水利負(fù)荷條件層面來看,0.1 m/d條件下CODcr去除效果明顯更好。根據(jù)對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),當(dāng)水力負(fù)荷處于0.1 m/d條件時(shí),采取上部出水方式能夠達(dá)到更好的去除效果,由此證明采取上部進(jìn)水方式能取得更佳效果。這主要是因?yàn)?水力負(fù)荷較小的情況下采取上部出水的布置方式能夠進(jìn)一步延長污水在系統(tǒng)內(nèi)的流程,這樣可以保證污水與填料充分接觸,因此原料對CODcr的吸附作用明顯增加。且水力負(fù)荷較小的情況下,采取上部出水的方式微生物代謝作用也可以得到促進(jìn),CODcr去除效果相應(yīng)提升[5]。

2.3.2 總磷(TP)去除效果

當(dāng)水力負(fù)荷條件為0.1、0.2 m/d時(shí)水質(zhì)處理效果差異不明顯,但水力負(fù)荷條件達(dá)到0.4 m/d的情況下水質(zhì)指標(biāo)明顯下降。從去除率層面來看,水力負(fù)荷條件0.1 m/d與0.2 m/d相比較,水力負(fù)荷條件為0.1m/d時(shí)TP去除效果有明顯提升。且根據(jù)4種不同進(jìn)出水口位置的對比結(jié)果可發(fā)現(xiàn),水質(zhì)處理效果最好的為上部進(jìn)水-下部出水模式,可見TP去除效果會(huì)受到進(jìn)水口設(shè)置條件的較大影響。綜合來看,由于農(nóng)村生活污水中的TP主要依靠填料進(jìn)行吸附攔截與上下部進(jìn)出水方式設(shè)置,與基質(zhì)的接觸更加充分,吸附效果將更加明顯[6]。

2.3.3 氨氮(NH3—N)去除效果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示,在水力負(fù)荷條件不同的情況下,污水清處理水質(zhì)均達(dá)到一級(jí)b標(biāo)準(zhǔn),其中,當(dāng)水力負(fù)荷條件為0.1、0.2 m/d時(shí),NH3—N出水濃度非常接近,平均去除率非常相似。但當(dāng)水力負(fù)荷條件為0.1 m/d時(shí),NH3—N出水濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.4 m/d條件時(shí),NH3—N平均去除率相對更高。分析發(fā)現(xiàn),與其他指標(biāo)相比較,NH3—N去除效果會(huì)受到進(jìn)水NH3—N濃度的極大影響,進(jìn)水濃度越高平均去除效率越高,但從總體層面來看,NH3—N去除效果最好的為上部進(jìn)水-下部出水,且水力負(fù)荷條件為0.2 m/d。主要是因?yàn)檫@種進(jìn)出水方式可保障NH3—N在前端與外界空氣充分聯(lián)通,且能夠適當(dāng)補(bǔ)充污水中的溶解氧,從而進(jìn)一步提升了磷化細(xì)菌對氨氮的降解率。

2.3.4 總氮(TN)去除效果

從水質(zhì)處理情況分析可知,TN去除效果最好的水力負(fù)荷條件為0.1 m/d,當(dāng)水力負(fù)荷升高時(shí),去除效果明顯下降。從進(jìn)出水口位置對去除效果的影響層面分析可見,TN去除效果會(huì)受到進(jìn)水口位置的極大影響。從綜合層面來看,采取下部進(jìn)水方式,且水力負(fù)荷條件為0.1 m/d時(shí),TN去除效果明顯更好,因下部進(jìn)水時(shí),系統(tǒng)進(jìn)水端上部與外部空氣可實(shí)現(xiàn)充分接觸和聯(lián)通,而上部進(jìn)水方式使得進(jìn)水端與空氣接觸受限,影響整個(gè)系統(tǒng)的溶解氧含量。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入缺氧或厭氧環(huán)境時(shí),反硝化細(xì)菌的脫氮效果更加明顯,在水力負(fù)荷較低的情況下,污水在系統(tǒng)中停留時(shí)間更長,與反硝化細(xì)菌的接觸也更加充分,因此去除效果更加明顯。

3 結(jié)束語

目前農(nóng)村地區(qū)的生活污水已經(jīng)逐步成為我國生態(tài)污染的主要污染源之一,在農(nóng)村污水處理過程中通過人工濕地技術(shù)的應(yīng)用,同時(shí)結(jié)合其他先進(jìn)污水處理工藝可以使農(nóng)村污水排放現(xiàn)狀得到有效改善,也可進(jìn)一步提升農(nóng)村水資源的保護(hù)力度,對促進(jìn)農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展具有重要作用。