人工濕地在污水處理廠中的應(yīng)用

人工濕地在污水處理廠中的應(yīng)用

目前，我國(guó)廣泛應(yīng)用活性廢水處理法、氧化溝法、間歇性活性廢水處理法等。我國(guó)處理污水造價(jià)在1000元/t以上,運(yùn)行費(fèi)用在0.3～1.2元/t之間,而我國(guó)2050年以前要投入建設(shè)的污水處理廠還需投資1000億元左右,再加上管網(wǎng)費(fèi)用需投資2000億元,那么年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用近100億元。由于高昂的投資和運(yùn)行費(fèi)用,使得各種二級(jí)、三級(jí)處理技術(shù)難以大面積推廣。事實(shí)也說明,單純依靠傳統(tǒng)的人工處理方法在我國(guó)當(dāng)前的情況下尚難以從根本上解決水污染的問題,只能延緩其發(fā)展趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代以來,人工濕地處理技術(shù)的提出和發(fā)展,為綜合解決上述問題提供了一種新的選擇。人工濕地作為一種新型生態(tài)污水處理技術(shù),具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低(僅為傳統(tǒng)二級(jí)污水廠的1/10至1/2)、抗沖擊負(fù)荷、處理效果穩(wěn)定、出水水質(zhì)好,蘆葦可以利用(作為造紙?jiān)?等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此人工濕地技術(shù)不失為我國(guó)經(jīng)濟(jì)尚欠發(fā)達(dá)、地理?xiàng)l件相對(duì)寬裕的廣大中小城鎮(zhèn)、居民小區(qū)污水處理的優(yōu)選方案。從近年來國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展,特別是國(guó)內(nèi)如火如荼的開發(fā)應(yīng)用,以及包括去污機(jī)理、動(dòng)力學(xué)模型等理論的進(jìn)一步成熟,人工濕地作為一種經(jīng)濟(jì)有效的污水處理手段,必將成為我國(guó)污水處理的重要工藝而得到廣泛應(yīng)用。1表面流人工濕地表面流人工濕地通常是利用天然沼澤、廢棄河道等洼地改造而成的,其底部有由粘土層或其它防滲材料構(gòu)成的不透水層,以防止有害物質(zhì)對(duì)地下水造成的潛在危害,填以滲透性良好的土壤(10-6～10-7m/s),生長(zhǎng)著各種挺水、潛水植物,污水以比較緩慢的流速和較淺的水深流過土壤表面,經(jīng)過表面流人工濕地系統(tǒng)中各種生物、物理、化學(xué)作用,從而得到凈化。目前,表面流人工濕地已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于處理生活、養(yǎng)殖污水,蓄積和凈化暴雨徑流,利用人工濕地控制面源污染,恢復(fù)和重建河流、湖泊濕地,在線凈化受污河、湖水等各個(gè)方面。特別是表面流人工濕地在外觀形式和功能結(jié)構(gòu)上都十分類似于天然濕地系統(tǒng),污水中的營(yíng)養(yǎng)元素可以促進(jìn)植物生長(zhǎng),有機(jī)污染物可以通過微生物的分解利用后,通過食物鏈的傳遞為各種動(dòng)物提供食物,從而使其成為一個(gè)經(jīng)過人工強(qiáng)化的、生物多樣性極其豐富的自然生態(tài)系統(tǒng),可以為遷徙過冬的鳥類和各種濕地生物提供充足的食物和生活空間。因此,對(duì)表面流人工濕地系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應(yīng)用,既可以為綜合解決傳統(tǒng)二級(jí)處理脫氮除磷效率不高,三級(jí)處理投資運(yùn)行費(fèi)用昂貴提供一種新的選擇,又可以為保護(hù)、利用、恢復(fù)目前日漸萎縮和退化的自然濕地面積提供一個(gè)全新的解決方式。2氮磷去除過程中的生物活性含氮化合物在表面流人工濕地中的循環(huán)變化過程如圖1所示。表面流人工濕地中含氮化合物主要包括顆粒有機(jī)氮(particulateorganicnitrogen)、溶解有機(jī)氮(dissolvedorganicnitrogen)、氨態(tài)氮(NH4+-N、NH3-N)和硝態(tài)氮(NO2--N、NO3--N)。一般進(jìn)入表面流人工濕地的城市污水中的總氮約有50%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是有機(jī)氮,余下的主要是有機(jī)氮在下水道中被微生物降解后的產(chǎn)物NH4+-N。同時(shí)各種植物的枯萎,藻類、細(xì)菌、附著微生物等的死亡,也是表面流人工濕地中PON的又一重要來源。這些PON在進(jìn)入表面流人工濕地以后會(huì)最終沉淀于水層底部,被腐殖層和土壤中的微生物通過氨化作用(ammonification)降解成為氨態(tài)氮又返回水體之中,少量難降解PON逐漸穩(wěn)定、沉積成為新的濕地土壤。有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨態(tài)氮的過程是由溫度和pH控制的,有研究表明城市污水中的有機(jī)氮在11～14℃條件下,經(jīng)過19h就會(huì)全部轉(zhuǎn)化成氨態(tài)氮。在水中,氨態(tài)氮的兩種存在形式(NH3和NH4+)之間的平衡轉(zhuǎn)化主要是受溫度和pH的影響。例如,在25℃、pH=7的條件下,NH3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只占0.6%,因此NH4+-N是表面流人工濕地中氨態(tài)氮主要的存在形式。在無植物覆蓋和遮擋的開闊水面中,藻類的大量繁殖可以導(dǎo)致pH上升,從而使氨態(tài)氮的平衡向NH3轉(zhuǎn)移,加速氨態(tài)氮向大氣的揮發(fā),在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的塘系統(tǒng)中這一過程對(duì)總氮去除效率的貢獻(xiàn)最高可達(dá)50%以上,但是由于表面流人工濕地設(shè)計(jì)和構(gòu)造的出發(fā)點(diǎn)不同,一般這一過程的作用并不顯著。因此,水中的NH4+-N主要通過在好氧環(huán)境中被微生物通過硝化作用(nitrification)轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮而去除,每轉(zhuǎn)化1gNH4+-N成NO3--N,需要消耗4.3gO2和7.14g堿(以CaCO3計(jì))。因此,在進(jìn)行FWS系統(tǒng)溶解氧平衡計(jì)算時(shí)應(yīng)注意將硝化耗氧量(NOD)計(jì)入。由于NO2--N和NO3--N不能被土壤以離子交換、吸附等方式結(jié)合,因而主要存在于表覆水(surfacewateroroverlyingwater)和土壤間隙水(sedimentporewater)中,被植物和好氧微生物吸收利用去除,或被反硝化還原成氣態(tài)氮(N2、N2O)而進(jìn)入大氣。微生物和藻類的吸收和利用速率未見報(bào)道,但它們的殘?bào)w在死亡后很快就被分解,生長(zhǎng)所吸收利用的N幾乎全部返回水體,因此這一過程對(duì)脫氮效果影響不大。蘆葦和香蒲對(duì)NO3--N的吸收速率分別約為N0.5g/(m2·a)和3.3g/(m2·a)。Bachand等的研究表明,雖然植物本身所吸收的氮質(zhì)量不足TN去除量的10%,但不同的植物對(duì)FWS脫氮效果的影響很大,這一方面說明反硝化作用才是氮去除的主要過程,同時(shí)也間接地證明了腐敗的植物殘?bào)w為在腐殖層和濕地土壤中發(fā)生的反硝化提供了重要的有機(jī)物來源。反硝化(denitrifacation)是細(xì)菌在厭氧或缺氧環(huán)境中分解利用有機(jī)物產(chǎn)能時(shí),將NO2--N和NO3--N代替O2作為電子受體,最終生成氣態(tài)氮(N2、N2O)的一種生物化學(xué)反應(yīng),每反硝化1gNO3--N成N2,需要消耗相當(dāng)于2.86gBOD的有機(jī)物并產(chǎn)生3.0g堿(以CaCO3計(jì)),可能發(fā)生反硝化的最小碳氮質(zhì)量比為1。這一過程一般發(fā)生在出在缺氧或厭氧條件下的腐殖層和濕地土壤中,由于腐敗的植物殘?bào)w是濕地土壤中有機(jī)質(zhì)的主要來源,因此,微生物反硝化時(shí)所利用的主要碳源是植物殘?bào)w腐敗時(shí)所釋放出來的有機(jī)物,而不是隨污水進(jìn)入FWS中的有機(jī)物質(zhì)。反硝化所需的w(C)/w(Ndeni)根據(jù)有機(jī)物降解難易程度的不同而介于(3∶1)～(70∶1),植物殘?bào)w可降解的難易程度又與其w(C)/w(N)和纖維含量有關(guān)。例如,一般潛水植物和漂浮植物死亡后,60d內(nèi)會(huì)損失掉70%～80%的生物量,而纖維含量較多的香蒲則需要1a的時(shí)間才能損失掉同樣數(shù)量的生物量。由上述硝化/反硝化過程的發(fā)生機(jī)制可知,雖然潛流型人工濕地系統(tǒng)在處理硝態(tài)氮含量高、氨態(tài)氮基本去除的二級(jí)出水或暴雨徑流時(shí),反硝化脫氮效果比較理想,但是由于潛流型人工濕地系統(tǒng)始終處在一個(gè)缺氧和厭氧環(huán)境下,且系統(tǒng)中碳源的分布并不與反硝化作用活躍的區(qū)域同步,所以當(dāng)處理只經(jīng)過簡(jiǎn)單沉淀或一級(jí)處理的生活污水時(shí),表面流人工濕地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)往往更容易得到體現(xiàn)。生物固氮作用可以同時(shí)在好氧和厭氧環(huán)境中,通過生活在水、腐殖層和土壤中細(xì)菌、藍(lán)藻等各種微生物完成。這一過程是天然濕地中氮的主要來源,但在接收和處理污水的表面流人工濕地系統(tǒng)中這一過程并不顯著。氮在表面流人工濕地中的去除過程主要有揮發(fā)、土壤吸附和離子交換、植物吸收、硝化反硝化。前兩個(gè)過程的去除作用并不顯著。而植物吸收的去除只占總質(zhì)量的10%左右,且必須通過收獲才能離開表面流人工濕地系統(tǒng)。這種管理方式費(fèi)用較高,一旦植物被收獲,則在腐殖層和土壤中依賴植物殘?bào)w分解提供有機(jī)物而進(jìn)行的反硝化作用會(huì)受直接影響,從而影響反硝化脫氮的效果。因此設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化,同時(shí)又要使反硝化細(xì)菌有適宜的厭氧缺氧環(huán)境和充足的有機(jī)物來源,以保障反硝化脫氮這一表面流人工濕地系統(tǒng)中主要脫氮途徑的順利進(jìn)行。3人工濕地系統(tǒng)中磷的去除效率含磷化合物在表面流人工濕地中的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程如圖2所示。進(jìn)入表面流人工濕地系統(tǒng)中的含磷化合物主要包括顆粒磷(particulatephosphorus)、溶解有機(jī)磷(dissolvedorganicphosphorus)和無機(jī)磷酸鹽(dissolvedinorganicphosphorus)。多年的研究表明,人工濕地能夠利用土壤、微生物、植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用,通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中磷元素的高效去除,其中生化過程有:(1)植物、附著微生物、其它微生物的吸收;(2)植物枯枝和土壤有機(jī)磷的穩(wěn)定化(礦化)。非生物過程有:(3)沉積作用;(4)吸附和沉淀作用;(5)土壤和表覆水之間的擴(kuò)散交換作用。各種附著生長(zhǎng)和懸浮在水中的微生物,在生長(zhǎng)繁殖過程中可以吸收和利用污水中的無機(jī)磷酸鹽,Wang等的研究表明,通過污水進(jìn)入表面流人工濕地中的磷(P)大約有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%[0.117～0.220g/(m2·a1)]被微生物吸收利用,而且這部分磷在微生物死亡后幾乎全部被迅速分解釋放,回到水體當(dāng)中,所以一般認(rèn)為微生物的活動(dòng)與TP的去除效率之間并無顯著相關(guān),但是有機(jī)磷酶促水解無機(jī)化,卻是表面流人工濕地系統(tǒng)中磷被土壤吸附沉淀和植物吸收利用的關(guān)鍵一步。濕地植物在生長(zhǎng)季節(jié),可以將通過擴(kuò)散交換過程由表覆水通過表層土壤進(jìn)入深層土壤間隙水中的無機(jī)磷酸鹽吸收利用,重新將磷“泵回”地表以上,成熟的表面流人工濕地中植物、表層土壤和深層土壤三者之間處于一種動(dòng)力學(xué)平衡狀態(tài),使得表層土壤與表覆水之間的交換吸附磷的能力不斷得到恢復(fù),因而有植物系統(tǒng)比無植物系統(tǒng)有著更好的磷去除效果。植物對(duì)磷的吸收速度和蓄積能力因植物種類的不同而各不相同,Brix研究表明,一些水生植物對(duì)磷(P)的吸收蓄積能力可達(dá)3～5g/(m2·a1)。但是這部分儲(chǔ)存在植物體內(nèi)的磷又會(huì)在秋冬季節(jié)隨著植物的枯萎死亡,部分被微生物緩慢分解重新釋放回水體當(dāng)中,其余部分則逐漸積累穩(wěn)定成為腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)及其吸附的磷可占土壤總磷含量的40%以上,這部分含磷物質(zhì)在好氧條件下很容易被植物吸收而重新利用,但是在厭氧條件下卻不會(huì)被生物酶所分解,可以穩(wěn)定地蓄積和保存,成為磷去除的一個(gè)重要途徑。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)植物收獲的頻率與磷的去除效率直接相關(guān),有規(guī)律的收獲,可以使表面流人工濕地系統(tǒng)中植物對(duì)磷的吸收占總磷去除率的20%～30%。不過亦有學(xué)者指出,植物的收獲短期內(nèi)會(huì)使表面流人工濕地系統(tǒng)出水中磷的濃度升高,并且植物吸收的磷只占總磷去除效率的10%左右,而50%的植物體是生長(zhǎng)在土壤之下的,所以通過收獲從表面流人工濕地系統(tǒng)中取出的磷不足總磷去除效率的5%。有的研究還表明濕地底層中累積、腐敗的植物殘?bào)w仍具有吸附結(jié)合和促進(jìn)共沉淀含磷化合物的作用,可以給人工濕地系統(tǒng)帶來新的磷吸附能力。而且在植物枯萎的過程中,儲(chǔ)存在植物地表以上莖葉中的磷會(huì)有相當(dāng)一部分被轉(zhuǎn)移到其在地下的器官當(dāng)中。加之費(fèi)用、管理和植物處置上的問題,因而這種管理方式在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中并不可取。濕地土壤一直被公認(rèn)為是進(jìn)入濕地系統(tǒng)的磷的最終歸宿。首先吸附在懸浮顆粒物(suspendedsolid)上的磷進(jìn)入表面流人工濕地后,隨著SS的沉淀而去除。而水中的無機(jī)磷酸鹽通過擴(kuò)散交換進(jìn)入土壤間隙水后,可以通過下面兩個(gè)過程被去除:(1)直接與間隙水中的Ca2+、Fe3+、Al3+離子,及其水合物和氧化物反應(yīng),生成難溶化合物,經(jīng)過互相聚合或吸附在土壤顆粒上,形成新的土壤;(2)帶負(fù)電的磷酸根很容易被帶正電的粘土顆粒所吸附,進(jìn)而與粘土顆粒表面水合的Ca2+、Fe3+、Al3+離子發(fā)生離子交換而被結(jié)合,并能與土壤中的硅酸鹽發(fā)生置換而進(jìn)入粘土顆粒的晶格當(dāng)中。因此,濕地蓄存磷的能力主要靠土壤對(duì)磷的吸附及其理化性質(zhì)的決定,磷的去除率與濕地土壤類型密切相關(guān)。濕地土壤中有機(jī)質(zhì)、Ca、Fe、Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤通透能力等會(huì)極大地影響表面流人工濕地對(duì)磷的去除效率,尤其是鐵鋁氧化物含量更是決定著土壤對(duì)磷吸附能力的大小。同時(shí),濕地土壤中的氧化還原電位也對(duì)土壤對(duì)磷的吸附有著很大的影響。例如,在還原環(huán)境中,Fe(Ⅲ)將被還原成Fe(Ⅱ),從而使與之結(jié)合的磷形成的化合物的溶解度升高,從而導(dǎo)致磷的釋放。植物的輸氧作用所形成的好氧環(huán)境也是則會(huì)促進(jìn)濕地土壤對(duì)磷吸附、沉淀、蓄積穩(wěn)定,這也是有植物系統(tǒng)能夠有更好的除磷效果的一個(gè)重要原因。但磷的去除效果對(duì)水力負(fù)荷的變化十分敏感,去除效果在濕地土壤吸附交換達(dá)到平衡后明顯下降。然而,已有研究表明濕地土壤在經(jīng)過一定一個(gè)月的“休息”和與空氣接觸,可以恢復(fù)74%左右的蓄磷能力。4不同的研究方法綜上所述,通過近幾十年來國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)表面流人工濕地系統(tǒng)的深入研究,我們已經(jīng)對(duì)表面流人工濕地中氮、磷去除的各種生物、物理、化學(xué)途徑及其影響因素、控制條件有了比較清楚的