生態(tài)溝對(duì)農(nóng)村混合類型污水處理方案的影響

生態(tài)溝對(duì)農(nóng)村混合類型污水處理方案的影響

隨著污染點(diǎn)管理的逐步有效控制，云南流域污染物排放的負(fù)荷迅速增加，已成為導(dǎo)致云南水域污染的重要原因之一。城郊居民農(nóng)田混合區(qū)是滇池北岸主要構(gòu)成區(qū)域,因此,居民農(nóng)田混合區(qū)面源污水成為城郊面源污染的重要來源。隨著城郊居民生活水平的提高,自來水普及率逐漸提高,生活污水排放量也相應(yīng)增加,然而污水收集管網(wǎng)建設(shè)卻相對(duì)滯后,房屋建設(shè)無序,致使補(bǔ)建管網(wǎng)也變得相當(dāng)困難,因此,農(nóng)村生活污水在城郊面源污染中占有越來越大的比重。國內(nèi)外有利用排水渠道和溝渠處理污水的成功實(shí)例。據(jù)報(bào)道,美國和加拿大有65%的農(nóng)田利用溝渠網(wǎng)排水。楊林章等研究表明,生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮磷削減率達(dá)40%以上。然而,目前國內(nèi)生態(tài)溝渠主要應(yīng)用在處理農(nóng)田排水上。而居民農(nóng)田混合區(qū)生活污水亂排亂放嚴(yán)重,污水污染濃度高,有必要針對(duì)該污染類型開發(fā)一種生態(tài)溝渠凈化方法,為城郊面源污染控制提供技術(shù)支撐。為此,筆者對(duì)滇池北岸城郊農(nóng)田生態(tài)溝渠構(gòu)建及凈化效果進(jìn)行了研究。1材料和方法1.1農(nóng)田濕地工程該研究地點(diǎn)位于滇池北岸入湖河流之一的大清河沿岸梁家村片區(qū)。該區(qū)域?qū)儆诘湫统墙季用褶r(nóng)田混合區(qū),人口密度大,生活污水排放量大,糞便使用量減少,幾乎沒有污水收集管網(wǎng),村前農(nóng)田95%種植韭菜。居民區(qū)生活污水通常通過村內(nèi)簡易排水溝匯入村莊與農(nóng)田相連的污水收集溝,最后流入村前農(nóng)田溝渠。旱季農(nóng)田溝渠水體始終處于發(fā)黑發(fā)臭狀態(tài),給村民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。選擇梁家村村前3條農(nóng)田溝渠作為試驗(yàn)溝渠,編號(hào)分別為溝Ⅰ,溝Ⅱ和溝Ⅲ。其中溝Ⅰ長80m,溝Ⅱ長76m,溝Ⅲ長78m。溝Ⅰ,溝Ⅱ?yàn)樯鷳B(tài)改造溝渠,溝Ⅲ為傳統(tǒng)對(duì)照溝渠。根據(jù)原有農(nóng)田溝渠雜草叢生、水流不暢、溝渠生態(tài)系統(tǒng)支離破碎等現(xiàn)狀,依據(jù)生態(tài)學(xué)和環(huán)境工程學(xué)原理,對(duì)農(nóng)田溝渠進(jìn)行必要的生態(tài)學(xué)改造,使其兼顧灌溉排水和污水凈化功能。水質(zhì)凈化時(shí)兼顧脫氮、除磷和削減COD含量,滿足高低負(fù)荷污水要求。1.1.1滲流場(chǎng)及截面系統(tǒng)沿著溝渠水流方向依次構(gòu)建了如下污水凈化單元:格柵、沉砂池、酸化水解池、厭氧微生物處理池、復(fù)合介質(zhì)(礫石、陶粒、竹炭)攔截段。將溝渠整體修飾平直,在溝渠進(jìn)水口安裝1cm×1cm格柵。用磚砌體在溝渠前段分別構(gòu)建沉砂池、酸化水解池、厭氧微生物處理池3個(gè)處理單元,表面涂抹防水砂漿,其中,酸化水解池、厭氧微生物處理池頂端加蓋預(yù)制蓋板;后段用扁竹和木樁沿溝渠內(nèi)壁固定,防止泥土脫落和保證溝壁上植物的正常生長。攔截段前后構(gòu)建水位調(diào)節(jié)板,在延長水力停留時(shí)間的同時(shí)保證非降雨日溝渠內(nèi)有充足水分供植物生長。在雨季,雨污混合污水流量大時(shí),水流經(jīng)過沉砂池后可以直接從酸化水解池和厭氧微生物池上表面的預(yù)制蓋板上流過,不影響正常排洪。具體設(shè)計(jì)方案見圖1、2(以溝Ⅰ為例)。1.1.2不同介質(zhì)復(fù)合涂膜的制備植物選擇:選擇本地具有耐污、生物量大且較美觀的幾種常見水生植物種植于溝渠中。其中,滯留區(qū)種植菖蒲(AcoruscalamusLinn),株高10~12cm;礫石攔截段上種植馬蹄蓮(ZantedeschiaaethiopicaSpreng),株高15~18cm;陶粒攔截段上種植慈菇(Arrowhead),株高12~15cm;竹炭攔截段上種植水芹[Oenanthejavanica(Blume)DC],株高10~15cm。植物種植株距為20cm,滯留區(qū)菖蒲種植2排,行距15cm,攔截段單排居中種植。填料選擇:選擇本地常見填料,并依據(jù)進(jìn)水及出水濃度,沿溝渠排水方向依次填加:礫石、陶粒、竹炭3種復(fù)合介質(zhì)。具體方法:將溝渠內(nèi)底泥清除20cm,分別鋪設(shè)3種填料,厚度為10cm。微生物選擇:選擇其中1條生態(tài)溝渠投加復(fù)合微生物菌劑(中國科學(xué)院南京土壤研究所研制)。將接種微生物菌劑的介質(zhì)投放于酸化水解池中,離池底30cm左右。1.2方法1.2.1炭段末端采樣每條溝渠設(shè)立6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(入口、沉砂池末端、厭氧池末端、礫石段末端、陶粒段末端、竹炭段末端即出水口),如圖3所示。在溝渠調(diào)試期內(nèi)每個(gè)星期監(jiān)測(cè)1次,連續(xù)3個(gè)月;在溝渠穩(wěn)定期內(nèi)每2個(gè)星期監(jiān)測(cè)1次。采樣時(shí)間為上午9:00~9:30(居民集中排水時(shí)間)。研究期為1年(從2006年7月中旬到2007年7月中旬,共采得非降雨時(shí)段17次)。1.2.2總養(yǎng)分含量測(cè)定硝態(tài)氮(NO3--N)含量采用紫外分光光度法測(cè)定;氨氮(NH4+-N)含量采用納氏試劑分光光度法測(cè)定;總氮(TN)含量采用過硫酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定;速效磷(H2PO4--P)含量采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定;總磷(TP)含量采用堿性過硫酸鉀消化-鉬銻抗分光光度法測(cè)定;化學(xué)需氧量(COD)含量采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定。具體操作方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。2結(jié)果與分析2.1溝、溝、hpo4--p的進(jìn)水水平壓分布在非降雨日,居民區(qū)形成的污水通過溝渠排出。每條溝渠日進(jìn)水量平均1.5~2.0m3,但排放時(shí)間主要集中在一日三餐前后幾小時(shí),具有排放時(shí)間集中、排放量大、水質(zhì)濃度高等特點(diǎn)。從表1可以看出,溝Ⅰ、溝Ⅱ和溝Ⅲ進(jìn)水TN濃度平均分別為43.0、66.2和45.8mg/L,其中,NH4+-N含量占TN的62.3%、77.6%和60.9%,NO3--N含量占比例很小。溝Ⅰ、溝Ⅱ和溝Ⅲ進(jìn)水TP濃度平均分別為4.10、7.12和4.00mg/L,其中H2PO4--P占TP的63.4%、52.1%和66.0%,其余為有機(jī)磷。溝Ⅰ、溝Ⅱ和溝Ⅲ進(jìn)水COD濃度平均分別為11.7、24.0和38.6mg/L。2.2處理好污水的環(huán)境,提高反硝化脫氮能力溝渠作為自然生態(tài)系統(tǒng)中的一部分,本身具有凈化功能,對(duì)各種污染物的削減率在20%~30%。而經(jīng)過改造的生態(tài)溝渠較傳統(tǒng)溝渠凈化效果有明顯提高,對(duì)各種污染物的濃度削減率均在50%以上。這主要有以下幾方面的原因:首先,生態(tài)溝渠前端構(gòu)建沉砂池、酸化水解池和厭氧池,除自身污水凈化功能外,3者的池容量約5m3,每條溝渠在非降雨日進(jìn)水量約1.5~2.0m3/d,水力停留時(shí)間增加2~3倍。其次,酸化水解池、厭氧池與后段攔截區(qū)構(gòu)成的厭氧-好氧交替環(huán)境及植物根系周圍的微厭好氧環(huán)境為反硝化脫氮提供了必要條件。再者,3種介質(zhì)填料,尤其是竹炭,比表面大,具有良好的吸附效果,而種植的3種耐污、生長快的水生植物將吸附于填料上的污染物轉(zhuǎn)化為自身組織體,有效地削減了污染物質(zhì)。此外,生態(tài)處理離不開微生物,填料除自身物理吸附功能外,其表面生長的生物膜以及所選擇水生植物發(fā)達(dá)根系周圍的微生物對(duì)污染物的削減具有更重要的作用。因此,在其他條件因素基本相同的條件下,添加微生物的生態(tài)溝渠比未添加微生物的生態(tài)溝渠對(duì)污染物的凈化效果更明顯,濃度削減率均在65%以上(圖4)。2.3處理效果分析將生態(tài)溝渠分為沉砂段(菖蒲+沉砂池)、厭氧段(酸化水解池+厭氧池)、礫石段(礫石層+馬蹄蓮)、陶粒段(陶粒層+慈菇)、竹炭段(竹炭層+水芹)5個(gè)處理單元,對(duì)各單元的處理效果進(jìn)行比較分析。2.3.1微生物的影響作用從圖5可以看出,沉砂段、厭氧段、竹炭段添加微生物處理COD削減率都大于不加微生物處理,而礫石段、陶粒段差別不大。這說明添加的微生物對(duì)沉砂段、厭氧段、竹炭段COD的削減具有重要作用。在添加微生物的溝渠中,沉砂段、礫石段和竹炭段對(duì)COD具有很好的削減效果;在不加微生物的溝渠中,3段攔截段對(duì)COD也具有很好的削減效果;而厭氧段對(duì)COD的削減效果相對(duì)較差,特別是在不加微生物處理中,厭氧段對(duì)COD的削減率非常低。2.3.2不同處理單元微生物對(duì)竹炭段nh4+-n的削減率圖6顯示,在竹炭段和礫石段,添加微生物處理TN削減率顯著大于不添加微生物處理,而其他處理單元差異不大。這說明添加的微生物對(duì)竹炭段和礫石段TN削減率有重要作用。圖7顯示,竹炭段添加微生物處理NH4+-N削減率顯著大于不添加微生物處理,而其他處理單元差異不大。這說明添加的微生物對(duì)竹炭段NH4+-N削減率有重要作用。圖8顯示,竹炭段、沉砂段和礫石段添加微生物處理NO3--N削減率顯著大于不添加微生物處理。這說明添加的微生物對(duì)這些處理單元NO3--N削減率有重要作用。在各處理單元中,厭養(yǎng)段對(duì)TN、NH4+-N和NO3--N的削減率均低;不添加微生物條件下,礫石段對(duì)TN削減率也不高,其他各處理單元對(duì)氮均有很好的削減率(圖6~8)。2.3.3添加微生物渠對(duì)填料吸附量的影響從圖9、10可以看出,無論是H2PO4--P還是TP,對(duì)于3段攔截段,添加微生物溝渠削減率均大于不加微生物溝渠。這說明外源添加微生物能夠增加和豐富攔截段介質(zhì)填料表面的微生物群落,影響削減效果。其中,添加的微生物在礫石段和陶粒段,更有利于對(duì)H2PO4--P的去除。對(duì)于沉砂段和厭氧段,由于外源添加的微生物將部分有機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)變成無機(jī)態(tài)磷,造成H2PO4--P削減率反而低于未添加微生物的溝渠。3結(jié)論和討論3.1污染物削減率在沉砂段中,滯留區(qū)和沉砂池主要去除以SS形態(tài)存在的N、P及COD,占溝渠總削減率的20%左右。在厭氧段中,酸化水解池和厭氧微生物池除具有一定的沉砂作用外,其主要作用為降解大分子有機(jī)物并轉(zhuǎn)化部分元素形態(tài),如沼氣發(fā)酵、反硝化脫氮,因此削減率:COD>TN>TP,占溝渠總削減率5%~10%。經(jīng)過沉砂段和厭氧段的前處理后,氮磷等污染物質(zhì)通過3段攔截段的介質(zhì)吸附、植物吸收以及微生物的生物化學(xué)反應(yīng)共同作用來實(shí)現(xiàn)污水凈化。5個(gè)處理單元對(duì)各污染物削減率的基本表現(xiàn):竹炭攔截段>沉砂段>礫石攔截段>陶粒攔截段>厭氧段。從整體上看,雖然厭氧段對(duì)污染物削減率最低,但其對(duì)后3段攔截段凈化起到重要作用。3.2微生物的添加量作為一個(gè)污水生態(tài)處理工程,微生物在污水凈化中發(fā)揮著重要作用,而通過引進(jìn)外源微生物來提高生態(tài)溝渠中微生物數(shù)量和擴(kuò)大微生物種群,無疑會(huì)進(jìn)一步提高溝渠的污水凈化效果。添加微生物的生態(tài)溝渠對(duì)各污染物的削減率較未添加微生物的生態(tài)溝渠均提高20%~30%。在實(shí)際推廣應(yīng)用中,如果溝渠出水直接排入地表水,為進(jìn)一步降低出水指標(biāo),需要添加微生物,而在溝渠末端后仍有其他處理措施,則可以選擇不添加。該試驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用生態(tài)溝渠處理城郊居民混合區(qū)產(chǎn)生的農(nóng)村污水,對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理(沉砂+酸化水解+厭氧)、再處理(介質(zhì)填料+植物)的技術(shù)路線可行,而且非常必要。該研究中,生態(tài)溝渠前端通過滯留區(qū)和沉砂池?cái)r截和沉降污水中大的顆粒,中間經(jīng)過酸化