人工湿地法处理农村生活污水

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我国是农业大国,有八亿农业人口,很多农村面临生活污水失控的问题,由此带来地表水质量严重下降,农村生活用水困难,人们的健康受到影响,生态平衡遭到破坏,这是目前农村改善生活环境遇到的难题。农村生活污水处理问题是当前农村环境综合整治的重要内容。目前生活污水的生化处理技术已是十分成熟,可供选择的工艺有普通活性污泥法、氧化沟法和人工湿地等,以及一些演变工艺。这些工艺花样繁多,人们在不断探索和改进,力图使工艺更加高效和节能。

人工湿地系统是一个完整的生态系统,它形成了内部的良好循环并具有较好的经济效益和生态效益,具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面积、改善和美化生态环境、维护和运行费用低廉等优点。这项技术适合我国国情,尤其适合南方广大中小城市、农村的污水处理,具有广阔的应用前景。

1 人工湿地概念

湿地系主要自然或人工、长久或暂时之沼泽地,湿原,泥地或水域地带。湿地是陆地与水体之间的过渡地带,是一种高功能的生态系统,具有独特的生态结构和功能,对于保护生物多样性,改善自然环境具有重要作用。由于人类的不合理开发,湿地资源在我国受到很大破坏,在特殊时期和环境条件下,研究和建立人工湿地生态系统是对自然湿地生态系统的适度补充,也是对其功能退化的恢复性建设。

人工湿地是以人工建造和监督控制的、与沼泽地相类似的地面,通过自然生态系统中的物理、化学和生物三者协同作用以达到对污水的净化。湿地能净化污水,是自然环境中自净能力很强的区域之一,它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用,通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。

2 人工湿地的分类

人工湿地根据湿地中主要植物形式可分为:(1)浮生植物系统;(2)挺水植物系统;(3)沉水植物系统。沉水植物系统还处于实验室阶段,其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物主要用于碳(N)、磷(P)去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据水流形式可分为:自由表面流、潜流和竖流系统。自由表面流系统中,废水在湿地的土壤表层流动,水深较浅。与潜流和竖流系统相比,其优点是投资省,缺点是负荷低,夏季会滋生蚊蝇、散发臭味,目前已较少采用。潜流系统污水在湿地床的表面下流动,一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用,提高处理效果和处理能力;另一方面由于水流在地表下流动,保温性好,处理效果受气候影响较小,且卫生条件较好,是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统,但此系统的投资比自由表面流系统略高。

3 人工湿地的构造

绝大多数自然和人工湿地由五部分组成:(1)具有各种透水性的基质,如土壤、砂、砾石;(2)适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物,如芦苇;(3)水体(在基质表面下或上流动的水);(4)无脊椎或脊椎动物;(5)好氧或厌氧微生物种群。

人工湿地系统正是在这种有一定长宽比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床,废水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动,并在床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇、蒲草等)形成一个独特的动植物生态系统,对废水进行处理。

湿地植物具有三个间接的重要的作用:(1)显著增加微生物的附着;(2)湿地中植物可将大气氧传输至根部,使根在厌氧环境中生长;(3)增加或稳定土壤的透水性。植物通气系统可向地下部分输氧,根和根状茎向基质中输氧,因此可向根际中好氧和兼氧微生物提供良好环境。植物的数量对土壤导水性有很大影响,芦苇的根可松动土壤,死后可留下相互连通的孔道和有机物。不管土壤最初的孔隙率如何,大型植物可稳定根系的导水性相当于粗砂2~5倍。而土壤,砂,砾石基质具有:为植物提供物理支持;为各种复杂离子、化合物提供反应界面,为微生物提供附着。流动水体为动植物、微生物提供营养物质。

4 人工湿地污水处理系统

人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将生化需氧量(BOD5)、悬浮物(SS)、营养盐、原生动物、金属离子和其它物质处理达到二级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括酸化池(双层沉淀池)、化粪池、组合塘、初沉池。人工湿地单元中的流态采用推流式、阶梯进水式、回流式或综合式。按进水方式可分为水平流(HF Horizontal-flow)和垂直流(VF Vertical-Flow)。

人工湿地的基本流程:阶梯进水可避免处理床前部堵塞,使植物长势均匀,有利于后部的硝化脱氮作用;回流式可对进水进行一定的稀释,增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味。出水回流还可促进填料床中的硝化和反硝化作用,采用低扬程水泵,通过水力喷射或跌水等方式进行充氧。综合式则一方面设置出水回流,另一方面还将进水分布至填料床的中部,以减轻填料床前端的负荷。人工湿地的运行可根据处理规模的大小进行多种方式的组合,一般有单一式、并联式、串联式和综合式等。在日常使用中,人工湿地还经常与氧化塘等进行串联组合。

5 人工湿地污水处理系统的特点

人工湿地系统具有如下优点:(1)建造和运行费用便宜;(2)易于维护,技术含量低;(3)可进行有效可靠的废水处理;(4)可缓冲对水力和污染负荷的冲击;(5)可提供和间接提供效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动物栖息、娱乐和教育。

人工湿地不足之处:(1)占地面积大;(2)对生物学和水力学复杂性及重要工艺动力学参数研究不彻底;(3)易受病虫害影响。人工湿地系统在达到其最优效率时,需2~3个生长周期。

6 人工湿地污染物的去除机理

人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物三种作用。人工湿地运行稳定后,填料表面和植物根系中生长了大量的微生物形成生物膜,废水流过时,悬浮物被填料及根系阻档截留,有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以去除。湿地床层中因植物根系对氧的传递释放,使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态,保证了废水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作用营养成分直接吸收,还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从废水中去除,最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物最终从系统中去除。人工湿地去除污染物的范围广泛,包括N、P、SS、有机物、微量元素、病原体等。

6.1 有机物的去除

人工湿地显著特点之一是对有机物有较强的处理能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤可以很快从废水中截留下来,被微小生物加以利用;可溶性有机物则可通过生物膜的吸附及微生物的代谢过程被去除。研究表明:在进水浓度较低情况下,人工湿地对BOD5的去除率可达85%~95%。COD去除率可大于80%,城市污水通过湿地处理后,出水BOD5 在10 mg/L 左右。试验还表明:不溶性BOD5(约占总BOD5 的50%左右)和COD 在进水5 m的距离内可迅速地被去除;约90%的SS 在进水10 m以内得以去除。废水中大部分有机物最终被厌养微生物转化为CO2、H2O和少量的剩余微生物残体。

6.2 氮的去除

人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氨的挥发、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生长的必需元素,废水中的无机氮包括NH3-N 和NO3-N,均可以被人工湿地中的植物吸收,合成植物蛋白质,最后通过植物的收割形式从人工湿地的废水中去除。一部分NH3-N 可转化成NH3 后,以气态的形式挥发到大气中。微生物的硝化、反硝化作用对氮的去除起重要作用。根据根区法理论,人工湿地植物中根毛的输氧,根区附近湿地土壤中连续出现好氧、缺氧、厌氧状态,为自养型好氧微生物(亚硝酸菌、硝酸菌)和厌养型微生物反硝化细菌大量的存在提供了条件,使要求好氧条件的硝化反应和要求厌氧的反硝化反应可以同时完成。另外,对硝化反应有抑制作用的是NH3-N、重金属、氰化物及有机物,人工湿地对这些物质也有一定的去除作用。因此人工湿地比一般污水处理系统具有较强的氮处理效率。根据试验实测结果,人工湿地中氨化细菌、亚硝化菌、硝化菌、反硝化菌数量都处于较高水平,因此人工湿地具硝化、反硝化、脱氮的良好基础和潜力。所以,人工湿地比传统活性污泥处理系统(一般无法完成反硝作用)具有更强的氮的处理能力。

6.3 磷的去除

磷和氮一样是生物的必需元素,但水体中磷又是富营养化的限制性元素,含量过高时又可造成藻类过度繁殖而成富营养化状态。废水中磷的存在形态取决于废水中磷的类型,最常见的是磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐。人工湿地对磷的去除作用包括基质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除及物理化学作用。基质中的吸收和过滤对无机磷的去除作用,因填料不同而存在差异,若土壤中含有较多的铁、铝氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝,使土壤固磷能力大大增加;若以砾石为填料的湿地,砾石中的钙可以生成不溶性磷酸钙而从废水中沉淀。

植物吸收无机磷和吸收无机氮一样,都是在吸收同化作用下,将无机磷变成植物体的组成部分,最后通过植物收割去除。微生物对磷去除包括对磷的正常吸收和对磷的过量积累,由于

人工湿地根区附近土壤中不同的含氧状态而相当于许多A-A-O处理单元,使某些细菌种类在厌氧条件下吸收低分子的有机物(如脂肪酸) ,同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来,提供必需的能量;又在好氧条件下,氧化所吸收的有机物,并提供能量,同时从废水中吸收超过其生长所需的磷,并以聚磷酸盐的形式成为微生物细胞的内含物而被贮存起来,因此人工湿地有较高的除磷效果。

由于湿地中植物光合作用光反应、暗反应交替进行,根系输氧的交替出现,以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异,导致了系统中厌氧、好氧的交替出现,使磷的过量释放和过量积累得以完成。这是常规二级处理方式所难以满足的。具体参见http:

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7 人工湿地处理工艺流程

根据社会主义新农村建设的发展思路,并结合农村的排水系统现状、污水处理规模小等情况,为在降低工程投资和运行成本的同时,达到提高村中绿地建设面积,确保污水的处理达标排放,尤其是对污水中氮、磷的去除,并实现处理污水可作为农业灌溉用水,在前处理增加水解酸化池,形成“水解酸化+人工湿地”组合处理工艺。人工湿地处理污水主要工艺流程:污水→粗格栅→细格栅→沉砂池→综合调节池→水解酸化池→第一级人工湿地→第二级人工湿地→第三级人工湿地→达标排放。

8 人工湿地技术在我国的应用研究及实例

我国在“七五”期间开始人工湿地的研究。1989年,国家环保局华南环境科研所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建立人工湿地实验基地,占地18.9亩,处理3100 t/d的城镇综合污水,效果十分好。

1990年在北京昌平进行的自由水面流人工湿地。处理量为500t/d的生活污水和工业废水。

1990年,天津环保科研所建立11个实验单元研究芦苇湿地对城市污水的处理能力,并对水力负荷,有机负荷,停留时间及季节等与污水中主要污染物间规律进行探索。

华中农业大学李科德等采用人工模拟芦苇床处理生活污水,对其净化机理进行了研究。结果表明,芦苇根际具有较高的氧化还原电势,为好氧微生物的活动创造了有利条件。芦苇床内根际微生物数量与污染物去除率之间有明显相关性。污水中有机污染物是通过芦苇床内各种微生物协同作用去除;NH3-N主要是通过硝化反硝化连续反应去除;SS和P的去除主要通过沉淀、过滤、吸附、固结等理化作用而实现。芦苇床的优势菌属:假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属,原生动物以肾形虫居多。

中国环境科研院刘文祥在1994~1995 年,采用由漂浮植物、沉水植物、挺水植物及草滤带组成的人工湿地对控制农田径流污染进行了研究。占地1257 m2,利用低洼弃耕地改造而成。

中科院南京植物所采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水,面积130 m2,流量0.5 m3/h,运行两个月表明:pH 由2.6 升到6.1,铜离子去除99.7%,铁离子去除99.8%,锰离子去除70.9%,运行费5~10 万元/年。

山东胶南市建设一座日处理6 万t 污水的人工湿地系统,占地1000 亩,工艺为:格栅-沉砂池-调节池-人工湿地-排海。此系统利用海边盐碱地,投资三千万元。

2005 年,浙江省长兴县在建设生态县过程中,开展农村生活污水处理示范工程项目,利用地下厌氧池及人工湿地法相结合的新型污水生态处理技术。经过处理就可以降低水中的化学需氧量,而这上面种植的美人蕉、黑麦草,根系发达、喜湿、吸收能力强,其扎根在人工沙层中,污水渗入沙层后,含氨氮的水体腐殖质、泥浆等物种被美人蕉发达的根系吸收并消耗掉。长兴县对14 个村和5 个集镇投入资金千万余元,实施了“人工湿地”处理。预计到2013 年,该县农村生活污水处理率将达到60%。(广东化工)

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