垂直流人工濕地的小試設(shè)計(jì)及其凈化效果

垂直流人工濕地的小試設(shè)計(jì)及其凈化效果

0國(guó)際人工濕地水處理技術(shù)研究概況隨著人口的增加和城市化進(jìn)程的加快，廢水的類型和排放量不斷增加。盡管世界各國(guó)都采取了各種措施,但是仍然難以遏制水質(zhì)污染的趨勢(shì)。人工濕地污水處理系統(tǒng)是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物等因素的協(xié)同作用得以實(shí)現(xiàn)污水凈化的。第一個(gè)完整的人工濕地試驗(yàn)始于1974年德國(guó)的Othfrensen濕地。國(guó)際上濕地水處理技術(shù)發(fā)展較快,在歐洲和北美,數(shù)以千計(jì)的天然濕地和人工濕地被廣泛應(yīng)用于處理多種廢水,歐洲蘆葦床技術(shù)應(yīng)用較廣泛。但大多采用水平流、單一的垂直流等方式。本研究發(fā)展下行流-上行流人工濕地作為一種水處理技術(shù),改善水質(zhì),促使退化水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和水資源的持續(xù)利用。本文針對(duì)北京市漢石橋濕地自然保護(hù)區(qū)嚴(yán)重缺水,出現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)退化的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一套人工濕地污水處理系統(tǒng),并對(duì)其凈化效果進(jìn)行了初步的研究。1材料和方法1.1人工濕地建設(shè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于北京市順義區(qū)漢石橋濕地自然保護(hù)區(qū)東岸,總面積為257.66m2,人工濕地全長(zhǎng)26.7m,寬9.65m,平均深度為1.2m,整體構(gòu)造全部用石塊灌注水泥砌成,底部覆三合土夯實(shí)并抹水泥以防滲,見(jiàn)圖1。1.1.1排放式池子結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)可分為4個(gè)部分。第一部分為曝氣沉淀池,由一長(zhǎng)8.7m、寬2m、深1m的長(zhǎng)方形池子在中間隔斷而成。第二部分為處理池,前半部并排3個(gè)池子為長(zhǎng)8m,寬2.4m,深1.2m,全部為垂直流;后半部并排3個(gè)池子長(zhǎng)7.5m,寬2.2m,深1.1m,由東到西分別為垂直流、潛流、潛流。第三部分為集水池,底層以礫石鋪墊,預(yù)留為漂浮植物處理區(qū)。第四部分為養(yǎng)魚(yú)塘,此部分可以比較直觀地顯示處理后的出水與進(jìn)水在透明度上的差別,并可以增加景觀效應(yīng)。此人工濕地處理系統(tǒng)的污水主要來(lái)自漢石橋濕地附近的濕地家苑所排放的生活污水,經(jīng)處理后排入濕地中供其循環(huán)利用。1.1.2不同礫石的陶粒每個(gè)處理池最底層鋪上20cm厚、直徑10～20cm的礫石,礫石上鋪30cm的陶粒。為防止陶礫漂浮,在陶礫上鋪以5cm的直徑為1～2cm的碎石,最上層鋪20cm的沙土。1.1.3濕地植物的選擇植物作為生態(tài)系統(tǒng)中的必不可少的成員之一,不僅是能量的生產(chǎn)者而且對(duì)全球生態(tài)平衡的維持起著十分重要的作用。濕地植物是水陸交錯(cuò)地帶中生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分,在人工濕地污水凈化過(guò)程中濕地植物也起著非常重要的作用。本試驗(yàn)所有植物均選擇于漢石橋濕地本土的濕地植物,具有典型的水生、濕生,根系發(fā)達(dá),生物量較大等特點(diǎn),屬多年生的植物,見(jiàn)表1。處理池1-A與2-A用PVC管相連(為方便起見(jiàn)以下統(tǒng)稱處理單元A),1-B與2-B用PVC管相連(以下統(tǒng)稱處理單元B),1-C與2-C用PVC管相連(以下統(tǒng)稱處理單元C),形成3組并列的以不同植物組合的處理單元。1.2濕地表面填料系統(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng),采用直徑為50mm的PVC管。下行池中表面中央為1根直徑50mm一級(jí)布水管,橫向連接3根直徑40mm的二級(jí)布水管。在管下方鉆小孔(直徑6mm)使進(jìn)水均勻地分布到濕地表面,充分利用垂直流濕地的界面作用。上行池填料表面為“王”字形收集管,下鉆小孔,以均勻收集出水;下行-上行池中間砌一隔斷底部留有20cm高相通。水流方式為下行流-上行流。進(jìn)水方式采用間歇式,以便于較低水力負(fù)荷時(shí)的布水均勻,充分地利用濕地表面和體積;另外,間歇式進(jìn)水方式,利于創(chuàng)造濕地充氧的條件,有利于濕地中的有氧呼吸及硝化作用。根據(jù)不同的水力負(fù)荷,采用日進(jìn)水2～3次。在正式開(kāi)始進(jìn)入污水前,先向濕地中灌入自來(lái)水,目的是洗刷基質(zhì)填料,以減少由于填料本底值過(guò)高而給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的誤差。連續(xù)洗刷2次,每次停留時(shí)間3d。洗刷后的濕地系統(tǒng)再經(jīng)過(guò)生活污水浸泡14d,培養(yǎng)適宜的微生物群落,污水首先經(jīng)過(guò)化糞池沉淀處理,而后再經(jīng)短暫的缺氧、厭氧處理最后排入人工濕地系統(tǒng)。1.3水源的排鹽利用該試驗(yàn)直接采用濕地家苑的生活污水作為系統(tǒng)的進(jìn)水水源,處理后的出水再排入濕地中以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善、水資源的循環(huán)利用,促使退化水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和水資源的持續(xù)利用。運(yùn)行期間的進(jìn)水水質(zhì)狀況見(jiàn)表2。1.4儀器狀況和水質(zhì)2005年7月至2005年10月,定期對(duì)濕地進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析。本文主要報(bào)道幾種水質(zhì)指標(biāo)的改善狀況:①儀器測(cè)定進(jìn)出水的水溫、電導(dǎo)、pH值、氨氮、硝基N(Hydrolab多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀)、溶氧(UC-12型便攜式溶氧儀);②化學(xué)需氧量(重鉻酸鉀法);③總P(鉬銻抗比色法)、總氮(過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法)各種指標(biāo)的測(cè)試方法均按國(guó)家環(huán)保局編制的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行。2結(jié)果與分析2.1引種、維護(hù)、保濕6月16日開(kāi)始引種植物,這次成功地引種了6種植物,包括:蘆葦、香蒲、菖蒲、茭白、水蔥、慈菇,引種后將香蒲和蘆葦?shù)募舛思舻?將植物的花絮剪掉以使植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)的時(shí)間延長(zhǎng),期望以此提高成活率。引種后向池中持續(xù)灌水,使水面保持在土壤之上10cm,并進(jìn)行日常維護(hù),栽種以后,各種植物均能正常生長(zhǎng)。10月底大部分植物出現(xiàn)生長(zhǎng)退化,并開(kāi)始枯萎。水蔥、菖蒲和茭白的長(zhǎng)勢(shì)還比較旺盛,一直到11月底才出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象。由于栽種的時(shí)間較晚,最佳生長(zhǎng)季節(jié)已過(guò),大部分植物不能充分地占有整個(gè)濕地表面,覆蓋度不大。2.2微生物-植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)人工濕地處理污水的機(jī)理比較復(fù)雜。多年的研究表明,人工濕地系統(tǒng)能夠利用基質(zhì)-微生物-植物這一復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用,通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解,實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的高效凈化,同時(shí)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的生物地球化學(xué)循環(huán),促進(jìn)綠色植物生長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)廢水的資源化與無(wú)害化。2.2.1在污水中存在部分氧化應(yīng)素,在其菌2005年7月至2005年10月,對(duì)人工濕地進(jìn)出水的水溫、電導(dǎo)、pH和溶解氧濃度進(jìn)行了9次測(cè)量,其平均值如圖2。由圖2可以看出:人工濕地進(jìn)出水的水溫變化不大,但出水的水溫要高于進(jìn)水水溫,說(shuō)明濕地具有保溫的功能,而且濕地中的生物特別是微生物的代謝活動(dòng)如發(fā)酵作用也可產(chǎn)生部分熱量,可能是導(dǎo)致出水水溫略高的原因之一。進(jìn)水的pH值為8.88,呈堿性,而出水的pH值略低于進(jìn)水,說(shuō)明微生物的降解活動(dòng)可產(chǎn)生有機(jī)酸類,而且基質(zhì)對(duì)離子的吸附和釋放作用以及植物的一些生理活動(dòng)等都可引起出水pH降低。出水的電導(dǎo)率都低于進(jìn)水,體現(xiàn)了基質(zhì)對(duì)污水中離子的吸附作用,另外植物根系的吸收和釋放作用及植物的生理活動(dòng)也可改變基質(zhì)的酸堿等條件促進(jìn)基質(zhì)離子的吸收。出水的溶解氧下降可能是由于污水中的氧化物質(zhì)被還原、降解,系統(tǒng)出水的溶解氧濃度顯著低于進(jìn)水(P<0.05)是由于系統(tǒng)在凈化污水的過(guò)程中還消耗了部分O2。但是處理單元ABC之間的差異并不顯著(P>0.05)。2.2.2除p、氮的生物作用在2005年7月至2005年10月期間,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)出水的CODcr和總氮(TN)總磷(TP)進(jìn)行了測(cè)試,其平均值如圖3。由圖3可以知道,該系統(tǒng)對(duì)污水中的CODcr、TN和TP都有很好的凈化效果,在濕地運(yùn)行期間,微生物群落已初步形成,系統(tǒng)對(duì)CODcr的去除有不錯(cuò)的效果,CODcr最低去除率為28%,最高可達(dá)80%。在研究中還發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)對(duì)CODcr的去除效果受溫度的影響較大,這是因?yàn)樗w中CODcr的去除是在微生物對(duì)有機(jī)物的分解、礦化和植物吸附、吸收共同作用而得以實(shí)現(xiàn)的,溫度的降低導(dǎo)致植物、微生物的生理活性下降,從而影響污染物的去除效果。從試驗(yàn)結(jié)果可知,人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中的N、P也有很好的去除效果(見(jiàn)圖3)。濕地中N的去除主要是通過(guò)微生物的硝化與反硝化作用,植物的吸收和揮發(fā)作用,基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀和氨的揮發(fā)等。其中硝化、反硝化作用是人工濕地除氮最主要的途徑。污水進(jìn)入人工濕地下行流池后先通過(guò)硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,此后在水流行進(jìn)的路線上硝化作用減弱,反硝化作用占主導(dǎo)地位,最終氮素轉(zhuǎn)化成氣態(tài)形式釋放。有研究表明,復(fù)合垂直流人工濕地的下行流池表層具有很強(qiáng)的物理、化學(xué)和生物作用,持留了污水中最大部分的氮素。人工濕地反硝化作用在各基質(zhì)層都比較強(qiáng),也說(shuō)明反硝化作用是人工濕地主要的除氮途徑。有研究表明,濕地中85%以上的氮的去除來(lái)自反硝化作用。本濕地系統(tǒng)C處理單元(水蔥-菖蒲組合)對(duì)N的去除率可達(dá)97%以上,TN平均濃度為0.6673mg/L,達(dá)到國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)Ⅲ類水要求。人工濕地對(duì)P的去除是通過(guò)微生物的積累、植物的吸收和基質(zhì)的物理化學(xué)作用等幾方面協(xié)同完成的。有人認(rèn)為植物在人工濕地P的去除中起的作用很小,主要是通過(guò)土壤物理化學(xué)作用完成。人工濕地對(duì)P的去除一直是濕地設(shè)計(jì)所關(guān)心的問(wèn)題。本試驗(yàn)中,出水中的TP濃度明顯低于進(jìn)水,說(shuō)明除P效果明顯,TP最低去除率為72.3%,最高可達(dá)93.7%。TP平均濃度為0.2297mg/L達(dá)到國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)Ⅲ～Ⅳ類水之間。可見(jiàn),該系統(tǒng)能改善水質(zhì),去除生活水中部分N、P物質(zhì),達(dá)到地面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。另外,系統(tǒng)對(duì)NH4-N的去除率也比較理想達(dá)到了55.5%以上,出水平均濃度0.19mg/L可達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn);不過(guò)系統(tǒng)的出水中NO3-N的濃度與進(jìn)水的NO3-N濃度相比并沒(méi)有明顯的降低,可能是由于植物的存在,可以為濕地內(nèi)部輸送氧氣,改善內(nèi)部有氧條件,促進(jìn)了硝化作用的發(fā)生。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)不同處理單元出水中各指標(biāo)濃度進(jìn)行T檢驗(yàn),結(jié)果證明各處理單元對(duì)以上指標(biāo)的凈化能力不存在顯著差異(P>0.05)?？赡苁怯捎谙到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較短,植物生物量較小,植物及其相關(guān)的凈化作用尚未充分顯現(xiàn)出來(lái)。但通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果足可以能夠證明人工濕地系統(tǒng)在污水凈化方面的作用,尤其是對(duì)污水中氮磷的去除更是不容忽視的。3人工濕地凈化效果采用下行流-上行流方式的人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中有機(jī)物和N、P具有一定的凈化作用,是一種有效的、經(jīng)濟(jì)的污水治理技術(shù),而且人工濕地還可因地制宜地應(yīng)用于地表水和湖泊等水體水質(zhì)的改善,并具有一定的景觀價(jià)值。由于該人工濕地系統(tǒng)植物移栽較晚,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較短,人工濕地中植物生長(zhǎng)狀況不是很好,造成植物及其相關(guān)的凈化作用尚未充分顯現(xiàn)出來(lái),各系統(tǒng)凈化污水的效果暫無(wú)明顯差異。但是從試驗(yàn)期間各植物的生長(zhǎng)狀況來(lái)看,水蔥、蘆葦、菖蒲和茭白的生長(zhǎng)一直處于較好的狀態(tài),凈化效果也比較明顯,是較為適宜的用于人工濕地的植