廊道式人工濕地項(xiàng)目報(bào)告

廊道式人工濕地工程報(bào)告2研究目標(biāo)本工程擬通過對(duì)上海市農(nóng)村生活污水處理狀況的調(diào)查以及對(duì)適用于處理農(nóng)村生活污水的相關(guān)工藝效率的分析研究，發(fā)現(xiàn)目前人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水出現(xiàn)的問題，結(jié)合有關(guān)的污水處理原理和有關(guān)研究的結(jié)論，找出一些可行的解決途徑，為農(nóng)村生活污水處理裝置的設(shè)計(jì)和處理效果的優(yōu)化提供參考意見。分析人工濕地工藝在處理農(nóng)村生活污水時(shí)常出現(xiàn)的問題據(jù)美國(guó)環(huán)保局對(duì)100多個(gè)運(yùn)行中人工濕地的調(diào)查,有將近一半的濕地系統(tǒng)在投入使用后的5年內(nèi)出現(xiàn)了堵塞問題,其水力傳導(dǎo)系數(shù)降低,除污效果變差,運(yùn)行壽命縮短[8]。人工濕地的堵塞問題越來越成為其應(yīng)用的障礙,弄清人工濕地堵塞的機(jī)理,探尋相應(yīng)的解決措施和預(yù)防對(duì)策十分必要而迫切。普遍認(rèn)為,造成濕地堵塞的原因是基質(zhì)層中固體顆粒的累積。目前,對(duì)該方面的研究大都集中在積累的主要成分是有機(jī)物還是無機(jī)物以及進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷、填料、運(yùn)行方式、濕地植物的作用等對(duì)顆粒積累程度的影響上。針對(duì)垂直潛流人工濕地處理系統(tǒng)中的填料堵塞問題所開展的諸多研究認(rèn)為,有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)等固體顆粒積累是導(dǎo)致垂直潛流人工濕地填料堵塞的重要原因葉建鋒等認(rèn)為,垂直潛流式人工濕地發(fā)生堵塞的成因主要是基質(zhì)層中非過濾性成分的積累所致。經(jīng)進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)堵塞并不是進(jìn)水中粒徑>5.μm的不可濾物質(zhì)被直接截留的結(jié)果,而是由基質(zhì)層中不可濾成分積累造成的,當(dāng)基質(zhì)外表生物膜形成后,污水中不同粒徑的懸浮物或膠體狀態(tài)的底物凝聚和吸附在微生物的外表,進(jìn)而形成大粒徑絮團(tuán)狀的累積物,從而造成有機(jī)物和無機(jī)物的共同積累[9]?！?〕有機(jī)負(fù)荷與有機(jī)質(zhì)積累許多研究說明,有機(jī)負(fù)荷對(duì)基質(zhì)層的堵塞有很大影響。由于有充足的水和營(yíng)養(yǎng)供給,人工濕地中的植物年生產(chǎn)力很高(地上局部干質(zhì)量可到達(dá)7131~8155kg/m2),導(dǎo)致較高的潛在有機(jī)負(fù)荷。因此,在季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí),應(yīng)將濕地植物的地下局部也一并去除,減小有機(jī)負(fù)荷以保證濕地的長(zhǎng)期運(yùn)行。Platzer和Mauch建議人工濕地的有機(jī)負(fù)荷不要超過25gBOD/(m2·d)[10]。T.H.F.Wong和Laak認(rèn)為,堵塞與濕地系統(tǒng)到達(dá)平衡狀態(tài)前的有機(jī)負(fù)荷有關(guān)。平衡狀態(tài)前,濕地系統(tǒng)中的微生物種類少,或者處理某種污水的功能性微生物數(shù)量缺乏,過高的有機(jī)負(fù)荷不能被及時(shí)分解,進(jìn)而導(dǎo)致堵塞。Laak進(jìn)一步指出,濕地系統(tǒng)到達(dá)平衡之后堵塞與有機(jī)物的積累有關(guān),當(dāng)有機(jī)物積累到一定程度,沉積在濕地外表的有機(jī)物形成了一層黑色粘膜,以及由于受低溫限制而沒有發(fā)生化學(xué)變化的有機(jī)化合物導(dǎo)致系統(tǒng)孔隙的外部堵塞,而沉積在孔隙內(nèi)的有機(jī)物那么導(dǎo)致了孔隙內(nèi)部的堵塞[9]。人工濕地的有機(jī)物累積主要發(fā)生在外表和深度約100mm以上的填料層。付貴萍等研究說明,填料中的有機(jī)質(zhì)直接影響填料的緩沖性、滲透性、通氣狀況和填料溫度等,對(duì)填料是否堵塞起著關(guān)鍵作用,是一項(xiàng)需掌握的重要指標(biāo)[11]。因此,他們提出有機(jī)質(zhì)積累是導(dǎo)致濕地堵塞的一個(gè)重要原因?！?〕無機(jī)顆粒雖然多數(shù)學(xué)者認(rèn)為有機(jī)質(zhì)積累是人工濕地堵塞的重要原因,但是就低有機(jī)負(fù)荷的潛流人工濕地處理受污染河水系統(tǒng)而言,其填料堵塞機(jī)制可能存在較大的不同。靖玉明等人的研究說明,填料孔隙的堵塞現(xiàn)象主要發(fā)生在中試系統(tǒng)的前段(沿水流方向距進(jìn)水點(diǎn)約0~5m),堵塞物主要為無機(jī)顆粒物。因此他們認(rèn)為必須加強(qiáng)能夠有效去除無機(jī)顆粒物的預(yù)處理工藝[12]。結(jié)合人工濕地工藝出現(xiàn)的問題設(shè)計(jì)用于預(yù)處理的厭氧生物處理工藝通過以上的分析可看出，用于預(yù)處理的工藝對(duì)進(jìn)水的處理要到達(dá)的目標(biāo)是：降低人工濕地的進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷；降解大分子有機(jī)物，減少人工濕地的有機(jī)質(zhì)積累；去除局部無機(jī)顆粒物。目前，用于生活污水處理的人工濕地系統(tǒng)中最常用的前處理系統(tǒng)有SepticTanks(ST)和ImhofTanks(IT)，然而這兩種系統(tǒng)在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題。由于不能有效去除污水中懸浮物(SS)，因此ST-CW和IT-CW系統(tǒng)經(jīng)常遭遇堵塞的問題，尤其是在有機(jī)質(zhì)含量較高的情況下，堵塞問題尤為嚴(yán)重。將厭氧池作為預(yù)處理系統(tǒng)與人工濕地相結(jié)合，是一種最近開展起來的有效組合工藝。該系統(tǒng)相比以上兩者，對(duì)SS的去除率可提高30%~50%[13]，這可以有效的防止?jié)竦囟氯麊栴}。而且，厭氧池占地面積小，可減少人工濕地30%~60%的有效占地面積，并可防止惡臭的產(chǎn)生[14]。厭氧池-人工濕地組合工藝，不僅可有效去除污水中有機(jī)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分，而且具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)投資少、耗能低、維護(hù)簡(jiǎn)便、產(chǎn)泥量少等優(yōu)勢(shì)，這在農(nóng)村地區(qū)污水的處理上具有其他工藝無法比較的優(yōu)勢(shì)[15]。另外，為了優(yōu)化處理效果，可前置小型格柵+沉砂池，減少后續(xù)處理構(gòu)筑物的負(fù)荷，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。人工濕地的選擇與設(shè)計(jì)擬選擇獨(dú)特設(shè)計(jì)的廊道式人工濕地。目前，人工濕地多采用矩形，然而多年的研究和實(shí)踐運(yùn)行說明，矩形人工濕地易產(chǎn)生布水不均勻，出現(xiàn)死角，占地面積大等一系列問題。張克強(qiáng)等通過設(shè)計(jì)廊道式人工濕地處理生活污水的研究說明，濕地的環(huán)流設(shè)計(jì)與常規(guī)的矩形濕地相比，在同等污水處理量同滯留期的前提下，減少了占地面積，延長(zhǎng)了水流的硝化處理路程，消除了系統(tǒng)死區(qū)，提高了微生物的附著量，大幅度減少了蚊蟲的孳生量，降低運(yùn)行本錢，在更大程度上，實(shí)現(xiàn)了景觀美化與環(huán)境治理的雙重效益[16]。提供可行的維護(hù)方案〔1〕選擇適宜的填料粒徑及級(jí)配粒徑較大的基質(zhì)可以有效地防止堵塞的發(fā)生,但過大的粒徑會(huì)縮短水力停留時(shí)間,影響凈化效果,因此需要在保證凈化效果和防止堵塞兩者之間選擇一個(gè)最正確平衡點(diǎn);對(duì)于有多層填料的垂直流人工濕地,除填料粒徑,不同粒徑填料之間配比的選擇也十分重要[20]。〔2〕選擇適宜的濕地植物濕地植物能產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)物,減少由植物造成有機(jī)物堵塞的方法是可考慮選用根際復(fù)氧能力強(qiáng)、分泌難降解物質(zhì)較少的植物并定期收割植物的地上局部[21]?！?〕合理的進(jìn)水厭氧加速了系統(tǒng)的堵塞[19],間歇進(jìn)水可保證濕地的復(fù)氧,加速有機(jī)物的分解,堵塞總是發(fā)生在高水力負(fù)荷的系統(tǒng)中[20],而水力負(fù)荷很大程度上決定著其污染負(fù)荷,因此合理選擇進(jìn)水次數(shù)、進(jìn)水量及時(shí)間間隔可有效防止?jié)竦氐亩氯！?〕曝氣充氧由于厭氧狀態(tài)是導(dǎo)致基質(zhì)中胞外聚合物積累的重要原因,因此對(duì)污水進(jìn)行預(yù)曝氣充氧可以起到一定的預(yù)防堵塞作用[22]。由于污水在滲透過程中其DO值會(huì)迅速降低,而在散水管周圍供給空氣那么可以有效提高污水的DO濃度,維持基質(zhì)中的好氧狀態(tài),使微生物的分解作用得以維持,同時(shí)還可以防止基質(zhì)中胞外聚合物的蓄積[9]?！?〕停床、輪休通過停床休作與輪作,一方面可以使大氣中的氧進(jìn)入濕地內(nèi)部,促進(jìn)好養(yǎng)微生物的活性,加快降解基質(zhì)中沉積的有機(jī)物;另一方面由于系統(tǒng)停止進(jìn)水,微生物新陳代謝需要的各種營(yíng)養(yǎng)物得不到持續(xù)的補(bǔ)充,從而抑制微生物的生長(zhǎng)[23]?！?〕投加蚯蚓L.Davisonh等認(rèn)為,蚯蚓可以清通基質(zhì)以及去除基質(zhì)外表的有機(jī)沉淀物,從而恢復(fù)人工濕地基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性能[17]。但這種方法還處于初步研究階段,實(shí)際工程的效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。〔7〕水位控制由于蚊蠅滋生和雜草的腐爛經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致濕地的嚴(yán)重堵塞。周期性的淹水以及植物栽種不久后的淹水都有助于控制雜草。而且周期性淹水和排水有助于打亂蚊子的生長(zhǎng)周期,從而控制蚊子數(shù)量。而對(duì)于潛流型人工濕地來說,植物生長(zhǎng)時(shí),保持濕地的水位極其重要。有關(guān)研究說明,在人工濕地建立初期,當(dāng)植物成活后,可以通過降低水位來刺激其地下根的伸展。這不僅有助于氧化沉淀在濕地里的有機(jī)碳化物、硫化鐵和其他缺氧化合物,并且可能抑制細(xì)菌的活性[18]。2.3擬解決的關(guān)鍵問題設(shè)計(jì)人工濕地的結(jié)構(gòu)，使人工濕地的好氧厭氧分區(qū)較明顯以提高脫氮除磷的效率人工濕地表層種植植物品種的選擇人工濕地填料的選擇3、擬采取的研究方案及可行性分析3.1擬采用的工藝流程見下列圖一3.2人工濕地的設(shè)計(jì)及對(duì)污水處理效果分析第一級(jí)子濕地在整個(gè)濕地的最內(nèi)圈,為圓形結(jié)構(gòu),采用布水管由內(nèi)而外沿圓弧均勻布水,該子濕地采用垂直潛流工藝,因?yàn)樵|(zhì)較差,時(shí)常帶有惡臭,同時(shí)也是蚊蟲寄生繁殖的最正確環(huán)境,所以采用垂直潛流模式不會(huì)將污水暴露在土層以外,從而消除了臭味,也抑制了蚊蟲卵的寄生,再運(yùn)用適當(dāng)?shù)奶盍?、濕地植物和間歇進(jìn)水的方式,可為該子濕地有效充氧,有利于濕地的有氧呼吸和硝化作用[24]。該種工藝類型的子濕地對(duì)SS、COD、BOD的降解能力較強(qiáng)。圖二-廊道式人工濕地俯視圖濕地的其他各級(jí)那么為與第一級(jí)同心的圓環(huán)結(jié)構(gòu),在第二級(jí)區(qū)域內(nèi),第一級(jí)出水口的下方,要分割出一個(gè)較小的扇形集水池,該池可起到緩存集水、跌水增氧和進(jìn)水布水的作用,但不宜過大,因?yàn)檫@里容易孽生蚊蟲。通過集水池和與其相連接的集水管可以為第二級(jí)子濕地進(jìn)行對(duì)稱并聯(lián)式布水。第二級(jí)子濕地一般要設(shè)計(jì)成水平潛流式人工濕地模式。根據(jù)水力負(fù)荷率和長(zhǎng)寬比等約束條件確定出濕地寬度,采用適當(dāng)?shù)奶盍虾屯λ参?來進(jìn)行水質(zhì)處理。該級(jí)為整個(gè)濕地的主要處理單元之一,受工藝類型的作用,該級(jí)子濕地的厭氧處理能力和有機(jī)質(zhì)降解能力較強(qiáng),可以去除絕大局部的SS、COD、BOD和局部氮磷等[16]。只要水力學(xué)結(jié)構(gòu)、填料配置和植物選配得當(dāng),該子濕地會(huì)形成一個(gè)良好的厭氧、好氧和兼性處理區(qū)域,使有機(jī)質(zhì)降解,硝化與反硝化都能夠很好進(jìn)行。將第二級(jí)濕地的出水進(jìn)行聚集,然后在出水口的下方,也就是第三級(jí)濕地的區(qū)域內(nèi),分割出一個(gè)與一二級(jí)子濕地之間具有類似功能的集水池,為第三級(jí)子濕地進(jìn)行增氧跌水和進(jìn)水布水[16]。第三級(jí)子濕地宜采用外表流人工濕地模式,因?yàn)樵谕獗砹鳚竦刂?不但可以種植挺水植物,還可以種植沉水植物和浮水植物,尤其是一些藻類,因?yàn)樵孱惿L(zhǎng)所需的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就是碳、氮和磷的化合物[25],它能夠從生物的角度更有效更徹底的去除氮磷,彌補(bǔ)了前兩級(jí)子濕地依靠附著、硝化和反硝化的動(dòng)平衡作用來去除氮的缺乏,同時(shí)在光合作用的條件下,還可以為濕地環(huán)境增補(bǔ)充足的氧氣,增強(qiáng)了系統(tǒng)的好氧處理能力。3.3人工濕地植物的選擇植物選種，既要考慮植物對(duì)系統(tǒng)滲透性能的影響,又要考慮凈化效果、美化功能等方面的因素?？煽紤]選用根際復(fù)氧能力強(qiáng)、分泌難降解物質(zhì)較少的植物,并定期收割植物的地上局部。每種濕地植物都有它自己的特點(diǎn)，如果選擇幾種濕地植物進(jìn)行合理的搭配，不僅會(huì)使?jié)竦氐膬艋侍岣?，而且凈化效果也變得更穩(wěn)定，還很有可能解決NO3--N的凈化問題。單一物種的凈化能力有限，而且受季節(jié)影響較大。本工程不單一種植一種植物，而是選用多種植物配合種植。擬采用的植物：挺水植物：風(fēng)車草、菖蒲、水生美人蕉、香蒲、黃鳶尾浮水植物：睡蓮、圓幣草、浮萍沉水植物：苴草、莕菜、水綿、狐尾藻。各級(jí)子人工濕地依據(jù)實(shí)際運(yùn)行的水力流動(dòng)和填料情況以及水質(zhì)選擇不同的主要挺水植物，但都需配合其他植物一起種植。3.4人工濕地填料的選擇武俊梅、王榮等的研究說明，在高負(fù)荷水力條件下，用于垂直流人工濕地的沸石、無煙煤、頁(yè)巖、蛭石、陶瓷濾料、礫石、鋼渣和生物陶粒八種填料中生物陶粒對(duì)有機(jī)物，沸石對(duì)氮，無煙煤對(duì)磷的處理效果相對(duì)較高[26]。鑒于農(nóng)村生活污水為有機(jī)物、氮和磷綜合污染的特點(diǎn)，擬選用生物陶粒、無煙煤、沸石的組合填料。組合比例依實(shí)際運(yùn)行時(shí)考慮降低本錢以及防止堵塞和提高處理效果等因素進(jìn)行優(yōu)化選擇。4、本工程的特色與創(chuàng)新之處〔1〕擬采用廊道式人工濕地。濕地的環(huán)流設(shè)計(jì)與常規(guī)的矩形濕地相比