人工湿地处理农村生活污水效果研究*

2011-04-19张永丽王君勤

四川水利 2011年2期

万珊,张永丽,王君勤

(1.四川大学建筑与环境学院,成都,610041;2.四川理工学院建筑工程系,

四川自贡,643000;3.四川省水利科学研究院,成都,610072)

随着农村经济的迅速发展和城镇化的不断推进,我国农村生活污水排放量也在不断增加,对周边自然水体造成了严重污染,因此农村生活污水处理也迫在眉睫。虽然传统的污水处理技术发展历史较长,处理效果较好,但基建投资大,运行费用高,难以在我国农村地区大面积推广。在此情况下,人工湿地处理技术的应用及发展为农村生活污水处理提供了新的出路。

1 人工湿地的概念及分类

人工湿地是在一定长、宽比及地面坡度的洼地中,由土壤和基质填料混合组成填料床,污水在床体的填料缝隙或床体的表面流动,并在床的表面种植水生植物,形成一个独特的“土壤—植物—微生物”生态系统〔1〕。按照系统中水流方式差异,可分为表面流人工湿地(Free Water Surface Flow,FWS)、水平潜流人工湿地(Horizontal Subsurface Flow Wetland,HSF)和垂直流人工湿地(Vertical Subsurface Flow Wetland,VSF)三种主要类型(见表1)〔2〕。近年伯明翰大学还提出了潮汐潜流人工湿地(Tidal Flow Wetland,TFW),其特点是填料床按时间序列交替地被充满水和排干〔3〕。国内也有研究表明,其间歇进水瞬间排水的运行方式,可较大程度地提高系统复氧量及复氧能力,增强有机物的去除效率〔4〕。

表1 人工湿地分类比较

2 人工湿地对污水的净化机理

2.1 悬浮物的去除

废水中的悬浮物是依靠人工湿地的拦截、吸附、絮凝和胶体颗粒的沉淀作用去除的。大量植物根系和饱和状态的基质,使固体悬浮物被根系和基质阻拦、截留。因此,湿地系统像一个过滤器,使悬浮物通过在基质和根区表面的重力沉淀、渗透和吸附作用而被分离去除。

2.2 溶解物质的去除

污水中的溶解有机污染物,通过植物根系的吸收和吸附,以及植物根际周围和土壤基质中微生物的分解代谢作用,最终被降解为甲烷、二氧化碳和水得以去除。其中,根际微生物和根际分泌物起到了重要的作用。根际微生物不仅能自己降解吸收有机污染物,而且其分泌物的酶类也能降解有机污染物。而根际分泌物不仅能为微生物提供能源,提高微生物对有机污染物的降解效率(根际微生物的数量很大程度取决于植物根际分泌物中所含氨基酸、有机酸、糖类等物质的种类和数量),而且其分泌的酶类对有机污染物也有直接的降解作用。

2.3 氮的去除

污水中的氮一般以两种形式存在:无机氮(NO3-N)和有机氮(NH4-N)。水中氮的去除转化包括很多过程,其中一部分氮可以被湿地中的植物吸收,合成植物体内物质,最终通过植物的收割得以去除。另外,基质也可通过一些物理和化学的途径,包括吸收、吸附、过滤等去除污水中的一部分氮。但是氮主要还是在微生物的作用下通过硝化、反硝化反应来去除的。湿地中的大型植物根系上附着生物膜,有着好氧、厌氧和缺氧区域。原因是处于饱和状态的基质中生长的水生植物,可以增加湿地基质的透气性,同时湿地植物能将空气传输到其根部,由于扩散作用,这些空气在植物的每一须根周围形成一层薄薄的好氧区,在这一微小的好氧区中会发生硝化反应。而对于氧扩散不到的区域,形成厌氧区发生反硝化反应。湿地中存在着无数的好氧、厌氧区,这就相当于多个A-O反应器组合,保证了较好的脱氮效果。

2.4 磷的去除

人工湿地对磷的去除,是通过植物的吸收、微生物的积累和土壤颗粒吸附等共同作用完成的。废水中的无机磷部分在植物的吸收和同化作用下,被合成ATP等有机成分,最后通过植物的收割而被去除。微生物对磷的去除,包括对磷的正常吸收和过量累积。由于人工湿地特殊的好氧、厌氧状态,磷细菌能将有机磷转化成简单的磷化合物,供植物和微生物吸收,并在厌氧条件下提供短链脂肪酸。

此外,湿地中土壤颗粒对磷的吸收也是非常重要的去磷过程,吸附容量和土壤中所含铁、铝、钙化合物的含量有关。在好氧条件下的中性至酸性环境中,Fe3+可以与磷结合生成稳定的化合物。若土壤环境变为厌氧,则Fe3+会被还原成Fe2+,这就会导致吸附能力降低和对磷的释放。钙对磷的吸收只发生在中性环境中。此外,每一个土壤颗粒都有一定的吸附容量,当土壤颗粒的吸附空间被占满之后,吸附作用将不再发生。

2.5 重金属的去除

湿地中金属的去除机制包括离子交换、与湿地中的基质螯合,或转化为不可溶的硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物等沉淀。主要过程是不可溶重金属随悬浮颗粒沉淀得以去除,溶解性重金属通过与基质和沉淀物的离子交换和络合作用,以难溶性化合物的形式沉淀或者被植物所吸收。重金属会对植物产生毒害作用,但是有些植物在吸收重金属后会分泌一些物质和重金属络合,从而消除了金属的毒性。不可溶金属的去除类似于TSS的机制。另外,通过PH和氧化还原电位的调节,使这些不可溶金属转化为可溶性金属,被植物和细菌等所吸收〔5〕。

3 试验分析及结果讨论

3.1 试验方法及过程

试验采用水平潜流人工湿地,对四川某地农村生活污水进行处理。填料床表面种植芦苇、美人蕉等水生植物,内部填充不同粒径的多孔介质。如图1所示,填料床底部铺设高度30cm粒径3cm～4cm的卵石,中部为高度40cm粒径1cm～3cm的碎石,上部为20cm高的土壤层,污水在床体内部水平流动。上部土壤层主要为粘土,经测定土壤渗透率为0.21cm/h。

图1 水平潜流人工湿地结构示意

试验所用污水取自村内排水沟渠,以生活污水为主,混有部分农田灌溉排水。试验过程参照国家环保局推荐方法,对COD、氨氮、TN和TP等水质指标均进行了分析(见表2)。

表2 污水水质

3.2 试验结果讨论

3.2.1 湿地对污染物的去除效果(见表3)。表3中数据显示,湿地出水水质基本达到排放标准。相对于传统污水处理方法,污水在湿地床的表面下流动,一方面可以利用表面土的截留作用、填料表面的生物膜及植物根系等提高处理能力;一方面由于其保温性较好,处理效果不易受气候影响。因此,水平潜流人工湿地对农村生活污水处理效果较佳。