人工復(fù)合生態(tài)床處理低濃度農(nóng)村污水.doc

人工復(fù)合生態(tài)床處理低濃度農(nóng)村污水近年隨著流域點(diǎn)源污染控制工程的實(shí)施，面源氮、磷入湖量占流入滇池總量的比例已超過50%，因此控制面源污染已成為解決滇池富營養(yǎng)化的關(guān)鍵。根據(jù)對滇池某示范控制區(qū)的調(diào)查，其地表徑流、水土流失、固體廢物和村鎮(zhèn)生活污水是主要面污染源，而河道和溝渠是污染物的最終入湖途徑，為此研究、開發(fā)了一種適合于該地區(qū)的新型人工濕地系統(tǒng)即人工復(fù)合生態(tài)床系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在人工濕地的基礎(chǔ)上選擇最佳的植物栽種方式，并在床體內(nèi)部填充多孔的、有較大比表面積的介質(zhì)以改善濕地的水力學(xué)性能，為微生物提供更大的附著面積，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)對污染物(尤其是氮、磷)的去除能力。人工復(fù)合生態(tài)床作為濕地系統(tǒng)的一種，具有工藝簡單、運(yùn)行管理方便、生態(tài)環(huán)境效益顯著、投資少等優(yōu)點(diǎn)，適合于村鎮(zhèn)生活污水的處理。根據(jù)調(diào)查，在滇池地區(qū)農(nóng)村生活污水與排灌水相混合的現(xiàn)象十分普遍，因此農(nóng)村生活污水匯集出口處 因受農(nóng)田排灌水的影響，污水濃度低、流量大。對于潛流式濕地，若按常規(guī)的水力負(fù)荷(一般為215cm/d)設(shè)計(jì)要占很大的面積1，因此如何提高系統(tǒng)負(fù)荷、減少占地面積 成為人工復(fù)合生態(tài)床研究的重點(diǎn)。1 試驗(yàn)裝置及方法1.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)在滇池流域某一示范控制區(qū)，共有4個(gè)單元床體，結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，污水自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池，然后通過PVC管送入各個(gè)單元床體。人工復(fù)合生態(tài)床水流為潛流式，每個(gè)床體寬為1m、長為6m、床深為0.7m、坡度為1%。床體底部鋪設(shè)10cm厚的碎石(直徑為24cm)層，中部為40cm厚的爐渣層，上部為10cm厚的土壤層，污水在床體內(nèi)部水平流動。布水區(qū)和集水區(qū)的寬度均為40cm，內(nèi)部分別填充直徑為25cm的卵石，集水區(qū)底部安裝一根多孔集水管，且與外部一根出水高度可調(diào)的豎管相聯(lián)接。經(jīng)測定床體平均孔隙率為50%，填充爐渣的水力傳導(dǎo)系數(shù)為3.4710-3mm/s。為了比較不同水生植物的處理效果，在各單元床體種植了不同的植物(具體布置見表1)，其中1號床為空白對照。表1 各單元床體的植物布置方式項(xiàng)目1號2號3號4號植物種類無蘆葦前1/3段為蘆葦，后2/3段為茭白前1/3段為蘆葦，后2/3段為菖蒲種植密度(株/m2)16蘆葦：16，茭白：12蘆葦：16，菖蒲：201.2 植物栽培試驗(yàn)選用滇池流域常見的水生植物：蘆葦、茭白和菖蒲。2001年2月底在滇池附近的沼澤地 選擇20cm20cm40cm(長寬高)的帶土芽尖并將其移植到各單元床體(種植密度見表1)，栽完后立即充水并使根部浸泡在水中，半個(gè)月后開始進(jìn)污水2。1.3 試驗(yàn)條件試驗(yàn)所用污水來自該示范控制區(qū)某溝渠的下游段(該溝渠的水流經(jīng)農(nóng)田和村鎮(zhèn)，最后進(jìn)入滇池)，以生活污水為主，混有一部分農(nóng)田排灌水及雨水，其特點(diǎn)是污染物濃度低于生活污水，但水量很大。系統(tǒng)運(yùn)行期間的進(jìn)水水質(zhì)見表2，運(yùn)行條件見表3。試驗(yàn)過程中參照國家環(huán)保局的推薦方法分析COD、TN、氨氮和TP等水質(zhì)指標(biāo)(每周12次)。表2 污水水質(zhì)COD(mg/L)TN(mg/L)氨氮(mg/L)TP(mg/L)DO( mg/L)pH508028240.51.00.51.07.08.0表3 運(yùn)行條件水力負(fù)荷(cm/d)COD負(fù)荷g/(m2d)TN負(fù)荷g/(m2d)TP負(fù)荷g/(m2d)停留時(shí)間(d)3021.61.970.2112 結(jié)果與討論2.1 對污染物的去除效果濕地系統(tǒng)中具有沉降性的有機(jī)物通過沉積和過濾可很快被去除，可溶性有機(jī)物主要通過微生物的降解而去除，氮則是通過硝化與反硝化反應(yīng)及水生植物的吸收而被去除，而磷的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收1。值得指出的是復(fù)合生態(tài)床中的植物長勢非常良好，在4個(gè)月內(nèi)蘆葦、茭白和菖蒲分別由0.4m長高到2.0、2.5和1.2m，而且枝葉繁密，生長速度明顯高于天然環(huán)境中的植株。人工復(fù)合生態(tài)床對污染物的去除效果見表4。表4 人工復(fù)合生態(tài)床對污染物的去除效果床號CODTN氨氮TP進(jìn)水(mg/L)出水(mg/L)去除率(%)進(jìn)水(mg/L)出水(mg/L)去除率(%)進(jìn)水(mg/L)出水(mg/L)去除率(%)進(jìn)水(mg/L)出水(mg/L)去除率(%)16172233055.662.6(59.6)4.97.83.04.838.560.0(50.4)1.92.80.41.162.782.8(70.8)0.580.970.240.3254.058.7(55.0)2162662.973.8(68.6)1.93.455.562.7(59.0)0.20.776.487.5(83.0)0.200.2961.866.0(65.0)3152367.175.4(70.6)1.83.257.064.0(60.6)0.30.872.586.4(80.9)0.190.2862.267.2(66.0)4192662.969.1(66.4)1.93.554.461.3(57.7)0.40.870.881.3(78.7)0.210.2960.865.1(63.2)注： “去除率”一欄中括號內(nèi)為平均值。從表4可以看出，2、3號床對污染物的去除效果較好，1號空白床的去除效率最低。這是因?yàn)樗参锒加型ㄟ^水面上的枝葉從大氣中吸收和輸送氧氣的能力，它們把氧氣送到根部的氣體導(dǎo)管，所以與根或莖直接接觸的土壤會呈好氧狀態(tài)，其他部位的土壤則呈厭氧狀態(tài)，這為土壤中各種不同微生物提供了適宜的環(huán)境，從而促進(jìn)污染物的降解；而空白濕地上無植物生長且長期被淹沒，土壤幾乎都呈厭氧狀態(tài)，不利于多種微生物的生長。另外污水處理系統(tǒng)中的植物被認(rèn)為是一個(gè)營養(yǎng)貯存庫，植物吸收營養(yǎng)維持生長和繁殖(這些營養(yǎng)物基本來自污水中的有機(jī)物、氮和磷)，植物生長得越快則污染物減少得越多。2.2 植物栽種方式的比較 復(fù)合生態(tài)床中除2號床全部種植蘆葦以外，其他均采用混種方式。從表4可知，3號床除污效 果最好、2號床次之、4號床則低于上述兩床。以上結(jié)果說明，多種植物組合能發(fā)揮不同植物的優(yōu)勢，符合濕地植物的多樣性規(guī)律，有利于床體對污染物的去除。4號床的除污效果低于2、3號床是由于菖蒲與蘆葦、茭白相比個(gè)體矮小(平均高度為1.2m)且分孽很少，另外菖蒲的匍匐根雖然很粗大，但其只在土壤淺層蔓延、扎根不深，因此傳氧能力較低。蘆葦和茭白的根系發(fā)達(dá)并且深淺交錯、輸氧能力強(qiáng)，特別是在蘆葦濕地系統(tǒng)中傳輸氧的能力更強(qiáng)，因?yàn)樘J葦?shù)母o是垂直向下地延伸生長，具有非常強(qiáng)的穿透性。系統(tǒng)運(yùn)行120d后對植物根系的生長狀況進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示蘆葦?shù)母o深度為3050cm,根系發(fā)達(dá)且四處穿插；茭白的根莖深度為4050cm,根莖粗大，其上長有許多根須；菖蒲的根莖深度為1015cm,縱向多為根須。2.3 氧化還原電位(ORP) 比較在植物穩(wěn)定生長期間測定了出水DO和床體的ORP，結(jié)果見表5。表5 各床體ORP及出水DO項(xiàng) 目1號2號3號4號出水DO(mg/L)0.71.51.31.1床體ORP(mV)-200-48-84-120由表5可知，除空白床外的各床體出水DO濃度略高于進(jìn)水(0.51.0mg/L),表明植物對床體有一定的輸氧作用，其中2號床DO最高，3、4號床次之。床體內(nèi)部的ORP均為負(fù)值，可見床體總體上處于還原態(tài)，內(nèi)部供氧不足，這種條件有利于反硝化而不利于硝化及好氧反應(yīng)。比較各單元床體的ORP發(fā)現(xiàn)2號床最高，3、4號床次之，1號床最低，說明植物床中蘆葦?shù)妮斞跄芰ψ顝?qiáng)，而空白床中因?yàn)闊o植物輸氧作用則處于嚴(yán)重的缺氧狀態(tài)。從以上分析可知，2、3號床體是較為適宜的人工復(fù)合生態(tài)床形式，3號床對各污染物的去除綜合效果最好，而且種植的茭白具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2.4植物對脫氮、 除磷的作用濕地系統(tǒng)中氮的脫除主要包括作物吸收、生物脫氮以及氮的揮發(fā)。生活污水中的氮通常以有機(jī)氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在。在土壤植物系統(tǒng)中，有機(jī)氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，由于土壤顆粒帶有負(fù)電荷，銨離子很容易被吸附，土壤微生物通過硝化作用將銨離子轉(zhuǎn)化為NO3-，土壤又可恢復(fù)對銨離子的吸附功能。土壤對帶負(fù)電荷的NO3-沒有吸附截留能力，NO3-可以被植物根系吸收而成為植物營養(yǎng)成分或通過反硝化最終轉(zhuǎn)化為N2或者N2O而揮發(fā)掉。濕地系統(tǒng)中磷的去除主要包括形成不溶性的鈣、鐵、鋁等化合物的沉淀以及植物的吸收。采用潛流式系統(tǒng)時(shí)選用適宜的土壤和介質(zhì)可使除磷效果更好，含有一定量粘土或介質(zhì)中有鐵、鋁離子存在時(shí)可進(jìn)一步提高除磷效果1。在試驗(yàn)進(jìn)行的第120天對系統(tǒng)中植物的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測定，結(jié)果見表6、7。表6 各植物的氮、 磷含量和含水率項(xiàng) 目蘆葦茭白菖蒲全氮*2.902.342.04全磷*0.300.250.32含水率61.2553.8161.47注： *干物質(zhì)含量。表7 各床體植物的收割量( 濕重) kg床號蘆葦茭白菖蒲1號2號20.83號7.916.74號9.65由表6、7可計(jì)算出運(yùn)行期間通過植物吸收所去除的總氮量(Nplant)和總磷量 (Pplant)。由進(jìn)、出水總氮和總磷濃度和進(jìn)、出水流量可以得到在此期間的總氮投配總量(Nin)和排放總量(Nout)、總磷的投配總量(Pin)和排放總量(Pout)。試驗(yàn)系統(tǒng)采用的填充土壤的pH值為中性，所以可以忽略氮的揮發(fā)損失，由此可得到系統(tǒng)運(yùn)行期間通過生物脫氮而去除的氮量Nb=Nin-Nplant-Nout以及通過沉淀和介質(zhì)吸附去除的磷量PaPin-Pplant-Pout，計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示。從圖2可以看出，通過反硝化去除的總氮量占投配總氮量的40%左右，可見反硝化是脫氮的主要途徑；植物吸收的總氮量占投配總氮量的10%19%，也是脫氮的重要途徑。從圖3可知，由沉淀和吸附去除的磷量占投配量的50%左右(是除磷的主要途徑)，植物吸收則占9%16%左右。通過比較可知，3號床中植物對氮、磷的吸收最大，4號床最小。因?yàn)?號床中的植物特別是茭白的生長量最大，而4號床中的菖蒲由于植株矮小，生長量最小，這也從另一個(gè)角度說明了為什么3號床對污染物的去除效果較好。由此可見，茭白對氮、磷的吸收能力強(qiáng)，蘆葦則介于二者之間，但蘆葦?shù)母递斞踝饔脧?qiáng)。鑒于水生植物對污水中的氮、磷具有一定吸收能力，定期收割人工復(fù)合生態(tài)床中的植物也能促進(jìn)系統(tǒng)對氮、磷的去除。2.5對污染物削減量的計(jì)算以試驗(yàn)所用排污溝渠為例，對人工復(fù)合生態(tài)床的污染物削減量進(jìn)行了計(jì)算。污水流量為10m3/h即(240m3/d)，按3號床的處理效果計(jì)算，水力負(fù)荷為30cm/d時(shí)的處理系統(tǒng)所 需占地面積為800m2，對COD、N和TP的平均去除量分別為15.25、1.193和0.134g/(m2d)，可削減COD、TN和TP量分別為4.45、0.35和0.