人工湿地不同水流方式对生活污水净化的比较（耿琦鹏）

关键词：人工湿地 复合流水力 停留时间 脱氮 除磷 污水处理

中图分类号TV213.4 文献标识码B 文章编号1673- 4637( 2006) 06- 0033- 04

人工湿地技术是国际上近20 a 来发展起来的一种废水处理的新技术, 其特点是投资少、效果好、运行维护方便、氮磷去除率高, 这方面的研究在世界范围内得到了迅速发展[1]。在我国中小型城市以及农村资金技术有限、发展大型的污水处理厂有困难的情况下,人工湿地技术是很好的选择方式, 我国深圳白泥坑、北京昌平以及四川的湿地公园都有很好的运行效果。人工湿地不仅处理了当地的生活污水, 而且还向当地居民提供了很好的休闲娱乐场所。

人工湿地污水处理生态工程的净化原理: 依据土地处理系统及水生植物处理污水的原理, 根据自然湿地净化污染物的基本原理建立起来的污水净化系统,它的净化机理在于充分利用湿地环境中发生的物理、化学和生物学作用的综合效应来净化污水, 它们包括沉淀、吸附、过滤、溶解、气化、固定化、离子交换、络合反应、硝基化、反硝基化、营养元素的摄取, 生物转化和细菌、真菌的异化作用等具体过程[2], 从而降低水体中的N、P 等营养元素及有机物的含量, 提高水质。人工湿地根据不同的水流方式可分为: 表面流、潜流和垂直流, 一般采用的基质为当地的土壤、河砂、炉渣和粉煤灰等[3 - 5 ], 通过不同水流方式和基质, 得出较好的搭配。本文将从不同水流方式搭配上分析人工湿地的净化效果和影响因素。

1 实验材料及方法

人工湿地设计为4 m×1 m×0.65 m[6- 8], 共有12个体积相同的池子组成。

1.1 实验基质

12 个池子基质铺设相同, 均为底层选用砾石, 直径1 ~ 5 cm, 厚度20 cm; 中层选用上1 a 基质比较实验中处理效果较好的炉渣, 直径0.5 ~ 1 cm, 厚度20 cm;上层选用当地的泥沙, 直径0.1 ~ 0.5 cm, 厚度25 cm。

1.2 水生植物

选用北京顺义汉石桥自然保护区内的芦苇, 每m28 株。实验期间芦苇生长良好。

1.3 复合流式人工湿地

选用3 种最基本的人工湿地流式: 表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地。然后将这3 种流式两两串联, 构成复合流式人工湿地。复合流人工湿地铺上基质后, 用自来水冲洗2 周, 然后栽种上芦苇, 水流搭配方式见图1。

1.4 运行管理及污水特性

实验采用连续进水的运行模式。实验在6 — 9 月初进行, 水温为30 ℃左右。污水来自中学的生活污水, 可生化性高。

1.5 实验分析方法

TP 采用钼锑抗比色法[ 9 ] ; TN 采用过硫酸钾氧化———紫外分光光度法; NH4+- N 采用纳氏剂比色法;CODCr 采用重铬酸钾法(经重铬酸钾氧化后, 再测定吸光度, 依此确定CODCr 浓度); NO3- - N 采用美国先进的Surveyor4 数据显示仪来测定。

2 实验结果与分析

根据池子设计的长、宽、高、进水水质以及上一年的室外室内实验, 所以选择室外实验的水力停留时间( 下文简称HRT) 为50 h。实验从2006 年6 月初到9 月中下旬, 共测量4 次。

2.1 污水中CODCr 的去除结果

在50 h HRT 下复合流式人工湿地处理污水中的CODCr 结果如图2、3。

图2 中, 系列1 代表化粪池出水的CODCr 浓度,系列2 — 7 代表图1 中的6 组处理单元( 依次从左到右) , 纵坐标代表CODCr , 横坐标代表取水日期; 图3中的系列1 代表化粪池出水的CODCr 浓度, 系列2 — 7代表在集水池中的最终出水。后面的TN、TP、NO3- -N、NH4+ - N 的数据的标记与此相同。

由图2 可以看出, 垂直流相对潜流有更好的去除效果。在湿地运行的初期, 微生物初步形成种群,CODCr 的去除效果不错: 前3 套组合的第1 排( 即垂直流) CODCr 的去除效果都在50%以上, 每套组合的最终CODCr 处理都在65%以上, 处理效果最好的第2套达到了83%。这说明垂直流与垂直流组成的复合型人工湿地对CODCr 的去除是相对最好的。由上述2 图可以看出, 无论复合流人工湿地还是单一流人工湿地,CODCr 的去除率都随着污染负荷的增加而增加, 这与文献[ 10 ] 列举的CODCr 的净化负荷与污水中CODCr的有机负荷间的关系大体一致。复合流人工湿地的基质、芦苇也起到了一定的作用。基质对处理效果的影响: 在湿地运行初期, 由于基质( 主要是炉渣) 的本身的化学性质, 污水的pH 一般都呈碱性, 在运行初期效果不是很好, 随着运行时间的进行, pH 逐渐降下来后, 对有机物的处理效果逐渐有所提高。湿地上的芦苇根部对湿地富氧, 增加耗氧微生物降解有机物的条件。9 月10 日化粪池出水的CODCr 浓度、第1 排出水CODCr 含量以及最终出水CODCr 含量都有所反弹,这是由于当地中学暑假后开学以及湿地植物生长进入后期所致。

2.2 污水中总氮去除结果

50 h HRT 下复合流式人工湿地处理污水中的TN结果如图4、5。

在人工湿地中, N 主要通过水生植物吸收、微生物硝化和反硝化以及氨的挥发等途径被去除。研究表明, 污水中的无机氮可作为植物生长过程中不可缺少的物质而直接被植物摄取, 通过植物的收割而从污水中去除。由图4 和5 可以看出, 不同水流方式对TN 的去除的影响: 从各系列第1 排的处理效果来看,垂直流的处理效果好于潜流, 从各系列的最终处理效果来看, 系列3 处理效果最好, 2 个垂直流单元串联, 可以使湿地内部有相比其他处理方式更多的溶解氧, 同时污水可以和基质上的生物膜更好的接触。生活污水中N 主要由硝态氮和氨态氮组成( ( 92 ±6)% ) , 所以对TN 的去除主要就是对氨态氮和硝态氮的去除。

2.3 污水中氨氮的去除结果

在50 h HRT 下复合流式人工湿地处理污水中的NH4+ - N 结果如图6、7。由图6 可以看出, 单一垂直流湿地要比单一潜流湿地对NH4+ - N 的去除率高20% 左右。这是因为垂直流湿地床体内部相对高的DO, 增强了NH4+ - N 的氧化。由图7 可以看出, 垂直流与垂直流搭配的方式对NH4+ - N 的去除是最好的, 其对NH4+ - N 的去除比其他搭配方式高20% 左右。

2.4 污水中硝氮的去除的结果

在50 hHRT 下复合流式人工湿地处理污水中的NO-3- N 结果如图8、9。

由图8 可以看出, 单一潜流湿地的NO-3- N 含量比单一垂直流湿地低, NO-3- N含量潜流湿地的NO-3- N 含量比垂直流湿地含量普遍低10%~ 20%, 这是由于潜流湿地内部接近厌氧的条件, 加大了反硝化反应, 同时也在一定程度上抑制了硝化反应。从图9 可以看出, 潜流和潜流搭配的水流方式对NO-3- N 的处理效果相对来说是最好的, 与其他方式搭配相比, 普遍低10%~ 30%。

2.5 污水中总磷的去除结果

在50 h HRT 下复合流式人工湿地处理污水中的TP 结果如图10、11。

湿地对磷的去除是植物吸收、物理化学作用及微生物去除3 方面共同作用的结果。芦苇在春天生长初期对磷的吸收能力最强, 此时芦苇中的磷含量能达到一生中最大值, 而在秋冬季节吸收能力下降甚停止。

研究表明, 1 a 中收割2 次对磷的去除率是1 a 收割1次的2 倍多[11 ]。由图10, 11 可以看出, 水流方式对磷的去除的影响可以说是基本一样的。9 月10 日, 磷的浓度出现反弹, 这是由于当地中学开学、植物生长旺季已过、基质对磷的吸附基本饱和等综合因素所致。

3 结语

经过3 个月的实验观察与分析, 得出以下几点结论:

(1) 复合流人工湿地系统对CODCr 的去除效果比较高, 去除率平均在60%以上, 尤其是垂直流组成复合湿地, 平均处理效果更是达到80%以上; 潜流组合的湿地也有一定的处理效果; 但是表面流型湿地由于污水与基质的接触不好, 因此效果相对较差, 而且还容易孳生蚊蝇。

(2) 系统对氮素也有一定的去除效果, 因为氮素的去除关键是微生物, 主要通过湿地微生物的硝化和反硝化作用去除; 植物生长也可以吸收部分氮素, 植物还对湿地富氧, 可以改善湿地缺氧的状态。复合湿地中两个垂直流的搭配效果最好, 潜流湿地相对较差,主要是对氨态氮的去除很小, DO 是其限制因素, 而表面流虽然有相对较多的DO, 但是和基质的接触效果影响其处理效果, 对于污水氮素浓度较高的污水, 如果硝态氮含量高可以先采用潜流进行反硝化处理, 然后再经垂直流处理, 可以通过多增加处理单元来提高处理效果。

(3) 复合流人工湿地不同水流方式对磷的去除没有太大影响。系统对磷素的去除主要是通过基质的物理、化学吸附及植物的生长而去除。因此, 要定期更换基质, 对植物进行收割。

(4) 垂直流人工湿地在处理生活污水方面有很高的去除效果, 尤其是对有机物和氮素的去除, 在有机物和氮素浓度较高的情况下, 可以通过多组垂直流串联,当待处理污水浓度较高时, 在停留时间不超过50 h 的情况下, 可以增加垂直流串联的个数, 能有效地提高处理效果。

(5) 9 月10 日经过人工湿地处理的出水的各项指标其浓度都有不同程度的反弹, 这是由于当地中学开学, 污水中污染物的负荷增加, 再加上, 经过3 个月的运行, 基质吸附接近饱和、芦苇生长进入后期, 影响了在复合流人工湿地的处理效果。

参考文献

[1] 胡康萍. 人工湿地污水处理系统初步研究[J] . 上海环境科学, 1991, 10( 9) : 41 — 44.

[2] 许萍, 李俊奇, 郭靖, 等. 北京城区雨水人工土植物系统水质净化研究[J]. 北京建筑工程学院学报, 2005, 21( 4) : 45 — 50.

[3] 吴振斌. 垂直流人工湿地的设计和净化功能初探[J] .应用生态学报, 2002, 13 ( 6) : 715 — 718.

[4] 聂发辉.人工湿地中蛭石填料净化污水中氨氮能力[J] .城市环境与城市生态, 2003, 16 (6): 280 — 282.

[5] 桑军强.生物陶粒滤池预处理官厅水库水的实验研究[J] . 环境科学与技术2003, 26 (4): 31 — 34.

[6] Gearheard RA. 1993 . Phosphorus removal in construct wetlands Presented at the 66th wef Conference and Exposition , AnatheimCa.

[7] Gearheard RA Finney BA . Lang M , et al , 1998 , A comparison of system planning , design and sizing methodologies for free water surface constructed wetlands. [R] 6th International Conference on wetland Systems for Water Pollution Control .

[8] 崔玉波, 等. 潜流人工湿地的污水处理技术的效能与设计[J] . 环境科学动态, 2003.

[9] 鲁如坤, 等. 土壤化学分析方法[M] . 中国农业科技出版社, 2000.

[10] 吴振斌, 等.人工湿地系统对污水磷的净化效果.水生生物学报, 2001, 25 ( 1) : 28 — 35.

[11] 许春华, 周琪, 宋乐平.人工地在农业面源污染控制方面的应用[J] .重庆科学, 2001, 23 (3) : 70 — 72.

作者简介: 耿琦鹏( 1977— ) , 男, 在读硕士研究生。

来源：《北京水务》2006年第6期