人工湿地对城乡污水处理净化效果研究

作者: 高松 周杰 郭程程 高言

人工湿地对城乡污水处理净化效果研究 0

摘 要:城乡污水处理厂所排放的尾水一般需要进一步处理,方能满足排入外环境的要求。在阐述人工湿地利用动物、植物、微生物等净化污水原理的基础上,从人工湿地的形式选择、各功能区的布局、植物的选择等方面总结提出人工湿地的具体设计方法,并通过对案例项目实际运行情况进行验证研究。根据对案例项目江苏省泗洪县城北污水处理厂人工湿地2019年9月至2021年3月进出水水质的多次检测与分析,以及对双沟污水处理厂尾水湿地和界集污水处理厂尾水湿地2022年2—6月进出水水质的多次检测与分析,结果表明人工湿地对城乡污水的净化处理作用在理论和实践上都能够得到验证,其中CODCr、氨氮、总氮、总磷去除效果显著。

关键词:城乡污水处理;人工湿地;去除率

中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2023)01-137-6

0 引言

城乡污水处理厂处理后的出水虽然水质能够达标,但依然含有一定浓度的氮、磷等污染物,直接排放会对周边生态环境造成一定影响。江苏省宿迁市泗洪县距离我国第四大淡水湖洪泽湖较近。如果当地城镇和农村污水处理厂所排出水直接汇入其中,将会影响洪泽湖水质。而如果将污水处理厂所排出水经过特定的人工湿地进行净化,就可进一步降低出水的氮、磷等污染物含量。因此,研究提出针对城乡污水处理厂出水净化的人工湿地设计方案,并通过实际工程验证净化效果,是十分必要的。

1 人工湿地对污水的净化原理

人工湿地是人为设计与建设的一种构造,其利用一些建筑材料和污泥,顺应水体的自然流动,并借助当地的生态条件搭建一个以水为中心的水陆循环生态系统,因为囊括了多种动植物及微生物,能够实现对污染物的富集和净化。由此可见,作为小型的生态系统,人工湿地能够利用其中的基质、植物与微生物等对污水进行净化,具体的净化机制包括物理、化学和生物等方面。其中,物理作用是沉降、吸附、过滤等,化学作用是化学沉淀、离子交换、氧化还原等,生物作用表现在植物吸收、微生物分解及各类动物的作用等。

1.1 基质的污水净化作用

人工湿地中会布置一些基质,包括砂砾、活性炭等传统基质,也包括沸石、陶粒等新型材料基质。基质对污水的净化作用主要体现在两个方面。一方面,基质本身对部分污染物具有吸附与促沉降的作用;另一方面,基质可作为微生物群落的载体,能够滋养很多细菌与真菌等,有利于降解污染物。

1.2 植物的污水净化作用

植物对污水的净化作用主要体现在3个方面。第一,部分有机污染物质(包括酚类、石油类、芳烃类、多环芳烃类、硝基苯类等)对植物来说是营养成分,因此,植物可通过发达的根系和茎叶对这些有机物质乃至部分金属(包括铁、锰等)元素进行吸收。第二,植物可通过光合作用给湿地系统带来丰富的氧气,从而为其他生物(包括好氧微生物)提供适宜的生存环境,而且植物的根系表面也易滋生多种微生物,因此,植物能够为净化污水提供条件。第三,植物发达的根系和茎叶在水中蔓延,能够降低水流速度,有利于延长污水在生态系统中的滞留时间,使其中的污染物质有足够的时间被净化[1]。

1.3 水生动物的污水净化作用

河湖中的污染物先被细菌和真菌作为营养物质摄取,其中的有机污染物被分解为无机物;而细菌、真菌又可被原生动物吞食,其分解污染物时产生的无机物(如氮、磷等)作为营养盐类被藻类吸收;水中的浮游动物、鱼、虾、蜗牛、鸭等恰恰以藻类为食,可抑制藻类的过度繁殖,不致产生二次污染。同时,湿地生态系统食物链中蚌、螺、草食性浮游动物和鱼类等还可直接吸收营养盐类物质,有效控制藻类生长[2]。

1.4 微生物的污水净化作用

微生物是包括细菌、病毒、真菌及一些小型原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体,其个体微小,必须借助于显微镜等设备才能被看见。在以水为主体的人工湿地中,基质、植物等通过与外部环境的相互作用可滋生出多种多样的好氧与厌氧微生物。微生物可分解多种污染物,如反硝化杆菌、萤气极毛杆菌等可将硝酸类物质或铵最终分解为氮气,解磷巨大芽孢杆菌可将含磷物质转化成磷酸盐,沟戈登氏菌可吸收和富集金属离子等[3]。此外,部分微生物还有去除毒性的作用。此类微生物通过转化、降解、矿化、聚合等反应,可改变污染物的分子结构,从而降低或去除其毒性。例如,黄杆菌属细菌、假单胞菌等可将有机磷农药马拉硫磷水解为含有一酸或二酸的物质。

2 人工湿地的设计

2.1 人工湿地形式的选择

人工湿地可分为表流湿地和潜流湿地。表流湿地是指废水在填料表面漫流,绝大部分有机污染物的降解由浸没在废水中的植物茎基部生物膜中的微生物完成。潜流湿地没有用砂砾层组成的浅床——湿池植物系统,被处理废水从填料床的一端均匀平缓流过植物根区,是一个主要由土壤、湿地植物和微生物组成的生态处理系统。目前,国内外广泛应用的是潜流湿地。但潜流人工湿地在长期运行过程中经常发生堵塞现象,这主要是由填料间隙内生物的生长和分解、固体有机物在湿地内部填料间隙间的沉积、填料本身所含物质的化学沉淀反应及无机颗粒在湿地内部的沉积等造成的。潜流人工湿地堵塞后,不仅会改变其最初的水流模式,而且会对湿地的净水效果产生较大影响。因此,笔者建议将表流湿地作为净化水质的人工湿地处理单元。

2.2 人工湿地各功能区设计

尾水湿地工程各功能区及污水净化流程为生态塘—表流湿地区—沉水植物区—生态河道,如图1所示。工程设计目标为将进水的重铬酸盐指数(dichromate oxidizability,CODCr)削减15%,总氮、总磷含量削减20%,氨氮指标优于Ⅳ类水标准。经污水处理厂处理后,污水中大部分易被生物降解的有机物已被去除;出水CODCr 质量浓度较低,但该部分有机物较难被生物降解,需要利用尾水湿地工程的生态处理功能进一步进行削减。尾水湿地工程的生态塘及沉水植物区是去除CODCr的主要功能区,表流湿地区主要去除氮、磷。沉水植物区是尾水湿地工程的水质保障单元,力保尾水湿地工程出水水质达到Ⅳ类水标准。尾水湿地工程尾端还设置了生态河道,利用河道水体自净能力,保证出水指标优于Ⅳ类水标准。

2.2.1 生态塘设计。生态塘是人工湿地的入口,通常情况下不需要安置曝气与推流设施,仅需要设计一个缓坡,进水就可顺势下流。在这个过程中,非溶解性有机物(颗粒态CODCr)被植物带生态过滤、拦截后滞留在湿地,在湿地内部经吸附、沉淀、生物吸收等过程被转化与消解。

2.2.2 表流湿地区设计。表流湿地区模拟天然沼泽湿地系统营建和运行,植物按照季节变化和自身的生长周期生长、枯萎、沤渍残体。人工湿地净水系统以基质中的腐殖质和植物残体释放的有机物作为碳源,完成反硝化脱氮过程。表流湿地区按功能分为正常湿地区及反硝化脱氮区,其中反硝化脱氮区域内的植物冬季不收割,保留植物残体。表流湿地区为水位可调控区,最低水位为0.3 m,最高水位为0.6 m。表流湿地区末端可设置水位控制坝。

2.2.3 沉水植物区设计。沉水植物区作为水质保障单元,位于湿地水质净化系统的末端。目前,我国应用于沉水植物区的沉水植物主要有苦草[Vallisneria natans(Lour.)Hara]、刺苦草(Vallisneria spinulosa Yan)、菹草(Potamogeton crispus Linn.)、轮叶黑藻[Hydrilla verticillata(Linn.f.)Royle]、竹叶眼子菜(Potamogeton wrightii Morong)等。沉水植物区设计水深为2.5 m,高3.0 m,边坡为斜坡,坡比为1∶3。沉水植物区主要是沉水植物及鱼类等大型生物的生存空间。工作人员通过放养适量的鱼类构建完善的水生生物群落,形成一个水质保障区域。同时,由于水质逐渐清澈,沉水植物能自动向深水区进一步扩展。

2.2.4 河渠设计。河渠为梯形断面,通常建议边坡比为1∶3,上口宽20 m,下口宽14 m,设计水深0.5 m,纵向坡度0.3%,主要功能在于输送尾水湿地工程的出水至现有河道。

2.3 植物选择

植物能够通过根、茎、叶等器官吸收和富集污染物,同时可为微生物提供生长空间、附着场所。湿地中的植物应具有成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值等特点。湿地植物不仅能够对有机污染物和氮、磷等营养物质进行分解或合成代谢,显著提升污染物处理效果,而且在冬季还具有保温功能,能够使湿地生态系统维持在较恒定的温度范围内[4]。表1为人工湿地植物分类,表2为典型人工湿地生态系统各单元植物配植建议。

3 案例分析

3.1 人工湿地对城镇污水的净化效果分析

3.1.1 案例项目概况。泗洪县城北污水处理厂人工湿地位于江苏省泗洪县城北区域,负责接纳城北污水处理厂排出的尾水,主要由生态塘、表流湿地区、沉水植物区和生态河道4个部分组成。城北污水处理厂排出的尾水平均需要在湿地系统中滞留91 h,其水质达到Ⅳ类水标准后汇入拦岗河。现阶段,该尾水湿地工程每天平均处理水量可达4.2万t,1 a预计可削减CODCr 80 t、氨氮15 t、总氮2.5 t、总磷1.3 t,极大地提升了该区域的水环境质量,为国、省考断面的水质达标奠定了良好的基础。

3.1.2 人工湿地对城镇污水净化效果。自2019年9月至2021年3月,笔者分别在不同时间段对泗洪县城北污水处理厂人工湿地进出水进行采样检测,主要检测指标有CODCr、氨氮、总氮、总磷。

3.1.2.1 对CODCr的去除效果。由表6可知,进水CODCr质量浓度在20~32 mg/L,均值为24.92 mg/L,出水CODCr质量浓度在15~24 mg/L,均值为20.00 mg/L,平均去除率为19.31%。污水经污水处理厂生物单元处理后,大部分易被生物降解的有机物被去除,而尾水湿地工程的生态塘可实现对有机物的进一步去除,主要体现在生态塘可利用藻菌共生系统分解部分有机物,同时沉水植物区可进一步去除前端区域残留的部分CODCr。

3.1.2.2 对氨氮的去除效果。由表7可知,人工湿地进水氨氮质量浓度在0.17~0.80 mg/L,均值为0.39 mg/L,出水氨氮质量浓度在0.06~0.58 mg/L,均值为0.25 mg/L,平均去除率达33.66%,去除效果较为明显。以时间节点为参考,人工湿地整体上夏季对氨氮的去除率高于冬季。笔者分析认为,这与不同季节人工湿地中植物与微生物的活性不同有直接的关系,夏季温度高,植物与微生物活性高,因此对氨氮的去除效果也更好。

3.1.2.3 对总氮的去除效果。由表8可知,人工湿地进水总氮质量浓度在7.12~12.15 mg/L,均值为9.16 mg/L,出水总氮质量浓度在1.69~9.80 mg/L,均值为7.49 mg/L,平均去除率为18.50%,整体去除效果较好,比较稳定。但冬季该尾水净化湿地总氮去除效果不佳,这与泗洪县冬季气温较低,植物与微生物活性较低有直接的关系。

3.1.2.4 对总磷的去除效果。由表9可知,人工湿地进水总磷质量浓度在0.04~0.21 mg/L,均值为0.10 mg/L,出水总磷质量浓度在0.04~0.10 mg/L,均值为0.06 mg/L,平均去除率为34.72%,去除效果显著。同时可得出,在进水总磷浓度较高时,该尾水净化湿地除磷效果较为明显,而进水总磷浓度较低时(如为0.04 mg/L),去除效果则不明显。

3.2 人工湿地对农村污水的净化分析

3.2.1 案例项目概况。泗洪县现有乡镇污水处理厂29个,除了正在扩建的9个外,其他20个均配套建设了尾水净化湿地。现以双沟污水处理厂尾水湿地和界集污水处理厂尾水湿地为例进行分析。双沟镇污水处理厂与界集镇污水处理厂主要采用A/A/O+MBR污水处理工艺和碧水源自主创新开发的ICWT智能一体化污水净化系统处理工艺,出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。这两个项目均于2018年2月开始调试运行,尾水净化湿地于4月正式投入运行。前者每天处理污水能力为5 000 t,配套建设了24 992 m2湿地;后者每天污水处理能力为3 000 t,配套建设了8 080 m2湿地。

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