國內(nèi)污染水處理中人工濕地的研究與應(yīng)用

國內(nèi)污染水處理中人工濕地的研究與應(yīng)用

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，河流污染日益突出。2009年中國環(huán)境局發(fā)布的《我國203條河流水分控制監(jiān)測段》中，第4段和第5段水質(zhì)控制段占42.7%（各24.3%和18.4%）。河流污染加劇了我國水資源的嚴重污染，給經(jīng)濟生活、生活和健康帶來了挑戰(zhàn)。與生活污水或廢水相比，污染河流的總流量在季節(jié)性變化較大，污染物濃度變化較大，水溫變化較大。這些特點給河流污染的處理帶來了很大困難。目前，常用于河流污染處理的技術(shù)有：四川河通風、土壤侵蝕等物理技術(shù)、生物膜法、通風氧氣法、土壤處理、穩(wěn)定塘、人工濕地等生態(tài)技術(shù)。其中，人工濕地的能耗低，運營成本低，維護簡單，具有生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟效益?！昂恿魑廴究刂坪蜕鷳B(tài)恢復(fù)”是國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展計劃（2006-2010）中“水體污染控制和治理”的16個主要主題之一?！八幚砗蜕鷳B(tài)恢復(fù)”被納入水體污染控制和治理科技特別學科（以下簡稱“水專項”），“解決中國社會經(jīng)濟發(fā)展中制約的重大污染技術(shù)瓶頸”之一。因此,人工濕地作為一種可以實現(xiàn)“水體水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)”新型水處理技術(shù),在我國污染河水治理中將發(fā)揮重要作用.但人工濕地用于處理污染河水的研究起步較晚,且影響因素眾多,大量相關(guān)研究條件不一、結(jié)果迥異,為其應(yīng)用帶來了很大不便.針對這一問題,本文通過收集人工濕地處理污染河水設(shè)計參數(shù)、處理效果等數(shù)據(jù)并建立資料庫,分析總結(jié)經(jīng)驗并為人工濕地技術(shù)在我國污染河流治理及水體污染控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用提供一定參考.1試驗研究及示范工程用文獻計量學方法統(tǒng)計分析中國知網(wǎng)(CNKI)中人工濕地處理污染河水的文獻,1989—2009年相關(guān)報道共70篇左右,其中大多數(shù)集中在2006—2009年(圖1).2002年首篇文獻中提出了在北京溫榆河構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)的初步構(gòu)想,之后對人工濕地處理污染河水作進一步探討并進行試驗研究和建設(shè)示范工程.開展的研究包括濕地類型、填料植物選擇、堵塞問題、脫氮除磷、水力學特性、季節(jié)影響、運行、設(shè)計探討、生物多樣性、對河流流態(tài)及水體中生物群落的影響等,并且對污染河水中重鉻酸鹽指數(shù)(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、懸浮物(SS)等污染物的去除率進行報道.其中涉及到的人工濕地類型主要有表面流、水平潛流、垂直潛流(包括復(fù)合垂直流)潛流和組合工藝4種,主要分布在云南、廣東、江蘇、北京和山東(圖2).2不同類型的人工濕地在污染河流處理中的應(yīng)用2.1填料和植物的選擇表面流人工濕地和自然濕地最為接近,污水從填料表面流過,一般占地面積較大,容易滋生蚊蠅.由表1可知,表面流濕地處理污染河水的研究和實踐較少.從構(gòu)型或幾何尺寸來看,其占地面積一般比較大,而且具有較大的長寬比(4以上).所用的填料以單一土壤或礫石為主.在植物的選擇上,有選用單一植物并考察各種植物對污染物的去除效率差異,也有用多種植物組合.植物的種類豐富,蘆葦、香蒲、美人蕉選用得比較多.從工藝流程的角度來看,污染河水進入表面流人工濕地之前,通過集水塘、配水井、穩(wěn)定塘、絮凝沉淀池進行預(yù)處理以達到穩(wěn)定和沉淀的目的.2.2研究對象和方法水平潛流濕地中污水從填料表面以下水平流過,與表面流相比,該類型濕地能承受更大水力負荷和污染負荷,可以避免產(chǎn)生惡臭和蚊蠅.由表2~3可知[7,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],我國南北地區(qū)都有用水平潛流處理污染河水的研究應(yīng)用,南方主要分布在江蘇省,北方主要分布在北京和山東.濕地規(guī)模多為小試和中試,最大占地面積為450m3左右.在工藝流程的選擇上,大多數(shù)采用了預(yù)處理設(shè)施(包括集水塘、配水池、緩沖池、沉淀池等),并且進行分級布水.在填料的選擇上,礫石、卵石、砂或土壤的組合最為常見,礫石使用最為廣泛.一般從濕地床底依次向上鋪設(shè)不同厚度的填料,有的只選用單一填料,底部和中部填料粒徑較大,上層填料則采用粒徑小的填料(比如土壤、沙土等),以滿足植物栽種的需要.除了采用礫石、砂、土壤等傳統(tǒng)的人工濕地填料外,也采用了粉煤灰、多孔介質(zhì)生物填料、廢磚或廢陶(建筑垃圾)等新填料.在植物的栽種和選擇上,采用單一植物比較少見,一般選用3種以上不同的植物混合種植或種植在不同的濕地床上(對分級的水平潛流濕地而言),選用植物種類最多達到了8種以上,為了景觀效應(yīng)栽種時配搭景觀植物,選用比較多的植物為美人蕉、蘆葦、香蒲、香根草等.2.3復(fù)合垂直流人工濕地的構(gòu)建垂直流人工濕地一般分為單向垂直流和復(fù)合垂直流2類,污水垂直通過填料達到凈化目的.其中單向垂直流又分下行流和上行流2種形式.目前一般采用下行垂直流,一般該類型濕地的硝化能力高于水平潛流,適合處理氨氮含量高的污水.復(fù)合垂直流則由2個或多個單一的下行流或上行流組合而成,因為污水停留時間增加,一般該類型濕地能承受較高污染負荷并且能提高對污染物的去除率.由表4可知[5,9,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38],垂直流人工濕地的研究和應(yīng)用主要集中在我國南方地區(qū)(江蘇、云南),以復(fù)合垂直流為主,并且大多數(shù)為模擬裝置和小試規(guī)模.采用的填料以單一礫石為主;植物選擇有單一的蘆葦或菖蒲,或者栽種美人蕉、燈心草、風車草等多種植物.2.4非人工濕地建設(shè)中的組合方式組合工藝人工濕地即復(fù)合式人工濕地,一般由兩個以上同種或不同類型的人工濕地池體通過串聯(lián)或并聯(lián)等方式組合而成,組合方式一般根據(jù)實際情況而定.由表5、6可知,在處理污染河水的研究和應(yīng)用中,我國南方和北方地區(qū)都采用了組合工藝,南方報道得相對較多.組合的方式多種多樣,除了各種類型人工濕地的串并聯(lián)組合外,還出現(xiàn)了與沉淀池、砂濾池、氧化塘、生物塘(植物塘和景觀塘)等其他非人工濕地污水處理設(shè)施的組合.填料選擇上,采用單一礫石或礫石與其他填料(爐渣、煤渣、鋼渣、生態(tài)陶粒、石英砂等)配合最為普遍.植物選擇上,栽種單一植物蘆葦?shù)那闆r比較常見,此外有香蒲、菖蒲、美人蕉、風車草等常見濕地植物與其他植物配合栽種[5,9,14,33,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50].2.5高功能型表面流、好氧生物池、接觸氧化池等設(shè)備的前處理原則用于污染河水治理的4種人工濕地類型中,表面流比水平潛流、垂直流(含復(fù)合垂直流)、組合工藝要少.從占地面積看,主要以試驗裝置、小試或中試規(guī)模為主,在北京官廳水庫、遼寧海新河和云南滇池等地有工程應(yīng)用.對于工藝流程,一般采用配水井、集水塘、蓄水池、沉砂池、沉淀池、曝氣池、氧化塘、生物塘、好氧厭氧池、接觸氧化池等設(shè)施進行前處理,以達到穩(wěn)定并提高去除效率的目的.對于幾何尺寸(長寬比),表面流一般較大,水平潛流和垂直流一般在1~2之間(但也有選用較大長寬比的情況),組合工藝一般分別給出各組成部分的長寬比.對于填料,可以分為土壤、礫石、砂、卵石等“比較常規(guī)的填料以及煤渣、鋼渣、爐渣、水渣、生物填料、廢磚、廢陶、石灰石、生態(tài)陶粒、沸石等新填料.對于植物,可以分為蘆葦、菖蒲、香蒲、水蔥、美人蕉、風車草、燈心草等常用植物以及千屈菜、菱草、鶯尾、梭魚草、茭白、再力花、香根草、紙莎草、多花黑麥草、花葉蘆竹、大薸、水芹菜、鳳眼蓮、浮萍等其他植物.填料和植物一般按單一(1或2種)或多種(3種及以上)組合搭配.對于水力負荷,一般在1m3·m-2·d-1以下,最大不超過2m3·m-2·d-1;對于水力停留時間,一般在1d以下或者5d以下,但最大達到24d;從文獻中可以收集到的水力負荷和停留時間數(shù)據(jù)并不多.3通過不同類型的人工濕地分析污染河流中各污染物指標的去除效果3.1人工濕地對污染鹽水中cod的去除效果河水受有機污染物污染的程度一般用COD、CODMn、BOD5來表達.由表7可以得知:比較各類型人工濕地對COD和CODMn去除率的平均值,垂直潛流和組合工藝對其去除效果要高于表面流和水平潛流(垂直流和組合工藝對COD的去除率分別為72.65%、71.4%,而表面流和水平潛流分別為58.99%、46%);對于COD,各類型人工濕地對其去除率的標準偏差都在20左右,而垂直流及復(fù)合垂直流僅為10.29,可見垂直流及復(fù)合垂直流型濕地對COD的去除有更好的穩(wěn)定性.用t-test分析水平潛流人工濕地在南方和北方地區(qū)對污染河水中COD的去除率(采用雙尾分布tails為2,異方差雙樣本檢驗type為3),其t檢測的概率為0.012(P<0.05),可見該類型人工濕地對COD去除率的南北差異性顯著.不考慮南北差異,用one-wayANOVA(SPSS16.0)統(tǒng)計分析除表面流外的3種類型人工濕地對污染河水中COD去除率可以得知,這3種類型對COD的去除率在0.01水平差異顯著(P<0.01);再將這3種類型兩兩比較,可以得知水平潛流與垂直流及復(fù)合垂直流、水平潛流與組合工藝對COD去除率在0.01水平差異顯著,而垂直流(包含復(fù)合垂直流)與組合工藝這2種類型對COD的去除率沒有表現(xiàn)出明顯的差異性(P=0.895).這進一步表明人工濕地類型及工藝流程的選擇與污染河水中COD的去除效果關(guān)系密切,垂直流(含復(fù)合垂直流)及組合工藝這2種類型人工濕地要優(yōu)于水平潛流.3.2人工濕地對污染鹽水中tn的去除效果我國一般監(jiān)測污染河水的TP、TN、NH4+-N、NO3--N等水質(zhì)指標來反應(yīng)污染河水受氮磷污染的情況.由表7可知,對于TN,各類型人工濕地對其平均去除率大致相當(50%左右);其中組合工藝型對TN的去除率南方明顯優(yōu)于北方;不同于對有機污染指標COD和CODMn的去除,垂直流及復(fù)合垂直流人工濕地對污染河水中TN去除率的平均值比其他3種類型低(僅為41%),但考查標準偏差可以得知垂直流及復(fù)合垂直流對TN去除效果有更好穩(wěn)定性(標準偏差為16.17,而其他3種類型在21.3~29.59之間);用one-wayANOVA分析除表面流外的3種類型人工濕地對污染河水中TN的去除率可以得知,水平潛流、垂直流及復(fù)合垂直流和組合工藝這3種類型人工濕地對污染河水中TN的去除率,以及這3種類型兩兩之間,均沒有明顯的差異性(在0.05水平差異不顯著).這表明污染河水中TN的去除受濕地類型及工藝流程影響較小,從去除效果穩(wěn)定性來看垂直流及復(fù)合垂直流為優(yōu)選類型.對于氨氮(NH4+-N),各類型人工濕地對其去除率平均值均介于50%~60%,分析標準偏差可以得知,4種類型對NH4+-N去除都有不穩(wěn)定性(表面流標準偏差20左右,而其他3種類型介于24~28.5之間);對于水平潛流,從平均值來看,對污染河水中氨氮的去除南方地區(qū)要優(yōu)于北方(南方地區(qū)去除率平均值為63.94%,而北方地區(qū)為50.3%),用t-test分析水平潛流人工濕地對污染河水中NH4+-N的去除率,采用雙尾分布和異方差雙樣本檢驗,南北差異并不顯著(P=0.416);用one-wayANOVA分析4種類型人工濕地對NH4+-N的去除率,4種類型之間或兩兩之間在0.05水平差異不顯著,與TN具有一致性.這表明污染河水中氨氮去除受濕地類型影響不大,對于水平潛流,從去除率平均值來看存在南北差異.對于TP,4種類型對其去除率的平均值都在50%以上,標準偏差20左右;垂直流及復(fù)合垂直流對TP去除率平均值相比于水平潛流、組合工藝明顯更高(分別為67.14%,55.8%和59.07%),且標準偏差更低(分別為21.32,22.88和22.5);用one-wayANOVA統(tǒng)計分析除表面流外的3種類型人工濕地對污染河水中TP的去除率,可以得知這3種類型之間和兩兩之間在0.05水平差異不顯著.可以表明濕地類型及工藝流程選擇對污染河水中TP的去除影響不如COD明顯,其中垂直流及復(fù)合垂直流人對污染河水中TP有更好的去除效果及穩(wěn)定性.4建立相應(yīng)標準規(guī)范我國處理污染河水的人工濕地類型以水平潛流、垂直流(含復(fù)合垂直流)及組合工藝為主,表面流人工濕地研究應(yīng)用較少.從可以收集到的資料來看,雖然積累了設(shè)計運行經(jīng)驗,但工藝混雜并且沒有參考標準.因此,人工濕地作為一種可以實現(xiàn)“水體水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)”新型水處理技術(shù),在河流污染治理成功推廣應(yīng)用需要進一步建立和完善資料庫,建立相關(guān)標準規(guī)范.垂直流(含復(fù)合垂直流)及組合工藝人工濕地對COD的去除效果優(yōu)于表面流和水平潛流,其中垂直流及復(fù)合垂直流對COD去除效果穩(wěn)定性最好.各類型人工濕地對TN、NH4+-N和TP的去除效果并沒有顯著差異,對TN和NH4+-N的去除率平均值大致相當,并且對NH4+-N去除效果并不穩(wěn)定.垂直流及復(fù)合垂