翟计红,吴国华,崔丽英,李 勇

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251; 2.太原市环保局,太原 030012)

人工湿地依靠自然湿地生态系统中物理、化学、生物的三重共同作用来实现对污水的净化[1，2],相对于气候温暖的南方地区,在广大北方地区由于受到气候条件的限制,人工湿地的应用成功范例较少,在铁路污水处理领域几乎是空白。2010年4月至2011年9月选择冬季比较漫长的石太客运专线某工区进行潜流人工湿地处理生活污水的处理效果研究,系统工艺流程为：全站污水→化粪池→污水闸槽井(含人工格栅)→人工潜流湿地→稳定塘→出水[3]。实测日处理污水量15.95 m3/d,湿地总占地面积25 m×20 m,水力投配负荷为3.2 cm/d。由于地处山区,有充分的地形高差可以利用,试验系统无任何动力消耗。

1 污水水质

本项目的污水具有明显的北方地区特点,具体分析如下：

(1)经过化粪池预处理后,污水的可生化性非常好,B/C=209/348=0.60；

(2)污水中氮的含量非常高,且NH3-N/TN=0.82～0.99,这种水质特点说明该车站排放的污水以粪便污水为主,由于客观条件和生活习惯等原因,餐饮废水和洗浴污水所占比重较小；

(3)按照80%的出现概率控制,试验污水的进水水质指标为：CODcr≤450 mg/L,BOD5≤300 mg/L,NH3-N≤100 mg/L,TP≤9 mg/L,SS≤180 mg/L。上述指标中除悬浮物外,其他指标都高于原设计预测值。除生活习惯、膳食结构等一般性因素外,当地独特的气候条件对污水水质影响比较大。

该工区(车站)地处太行山山区,海拔1 260～1 270 m；历年年平均降雨量576.5 mm；历年年平均蒸发量1 919 mm；历年最大风速20.7 m/s；历年平均风速2.6 m/s。这些因素会导致当地表层地下水补给和排泄的严重不平衡,很高的蒸发量会“浓缩污水”,至于悬浮物较低的原因可能由于化粪池的自然沉淀作用,对大颗粒无机物和悬浮物具有非常好的物理去除效果。假定土壤中水的蒸发量约为从清水中蒸发量的70%[10],年蒸发量1 919×0.7=1 343.3 mm；假定雨水量20%被吸收,湿地吸收的雨水量为576×0.2=115.3 mm/年；因此净蒸发量1 343.3-115.3=1 228 mm；湿地面积500 m2,一年污水蒸发量618 m3,目前湿地年处理污水量15.96×365=5825 m3,占年处理污水量的10%,因此对污水浓度的提高有明显的影响。

水的蒸发量在一年之内变化较大,由于春季多风,夏季炎热,因此在此时间段地表水的蒸发速度远大于补给,污水水质对应不同的季节具有明显的变化规律：受蒸发量大小影响,夏季水质高于冬季。同理该地区全年的污水水质也应该高于蒸发量小的其他地区。

2 污染物处理效果分析

2.1 COD去除效率分析

(1)COD去除效率随季节的变化规律

依据图1,2010年1月至2011年4月污水温度小于5 ℃,去除率37.57%～47.16%；2011年6月至2011年9月污水温度大于15 ℃,去除率62.03%～73.43%。

图1 COD去除率随水温(季节)变化规律

有机物的降解效率呈现一定的季节性变化规律,4、5月份气候变暖,植物开始发芽,生长逐渐旺盛,光合作用日益增强,产氧量增大,同时水温上升,微生物活性增强,增殖速度加快,对有机物的需求增大,在植物和微生物的协同作用下,污染物的去除效果回升明显,5～6月去除率在50%～60%；进入夏季,植物生长进入最旺盛时期,植物光合作用的供氧量相对增加,好氧菌的活性大为增强,7～9月去除率达到70%～73%。进入冬季后,温度较低,水面结冰,植物和微生物活性都处于抑制状态,污染物的去除基本依靠土壤的吸附、沉淀、过滤,因此去除率降到40%左右。

(2)植物生长对COD去除效率的影响

湿地土建施工完成后,2010年4月采用播种方法种植芦苇,由于芦苇成活率比较低,同年8月采用移栽插种的方法进行补种；2011年4月对上年枯死的芦苇竿进行收割,并进一步加密补种。对比芦苇生长稀疏的2010年和2次补种后的2011年有机物去除率增长明显：2010年7月至2010年9月,COD去除率为41%～48%；2011年7月至2011年9月,COD去除率增长为70%～73%。芦苇[7]为人工湿地中的好氧微生物提供了较好的兼氧环境,同时提供了较大的附着表面,有利于微生物的生长繁殖,加快了污染物的降解速率,同时芦苇直接吸收污水中可利用的营养物质,进一步提高了有机物的去除效果[5]。

(3)COD全年去除规律分析

根据图2，2011年人工湿地出水COD年平均值满足污水综合排放二级标准150 mg/L的要求,夏季出水COD平均值基本满足污水综合排放一级标准100 mg/L的要求。稳定塘水质监测时间为2011年5月4日～2011年9月21日，属于当地气温最高的季节,COD去除率在60%～70%的概率数据高于全年水平40%。COD的去除规律和相关文献研究资料基本一致,但也存在全年去除效率稍低,出水水质偏高的问题,除北方地区植物生长密度和活性不够的因素外,还受当地较大的蒸发量影响：夏季芦苇生长旺盛,根系发达,向土壤中充氧能力强,有机物去除效率高,但进水污染浓度高于一般生活污水；冬季虽然进水浓度较低,但芦苇湿地中植物基本进入枯萎休眠阶段,光合产氧速率极低,COD去除率也较低。

图2 COD去除效果

2.2 BOD去除效率分析

(1)BOD去除效率随季节的变化规律(图3)

2011年1月至2011年4月污水温度小于5 ℃,去除率37.91%～56.52%；2011年6月至2011年9月污水温度大于15 ℃,去除率57.14%～66.34%。夏季BOD去除率高出冬季大约20%。

图3 BOD去除率随水温(季节)变化规律

(2)植物生长对BOD去除效率的影响

对比芦苇生长稀疏的2010年和2次补种后的2011年去除率增长明显：2010年7月至2010年9月,BOD去除率为44%～50%；2011年7月至2011年9月,BOD去除率增长为60%～67%。

(3)BOD全年去除规律分析(图4)

2010、2011年人工湿地出水BOD年平均值分别为105 mg/L和88 mg/L,均不满足污水综合排放二级标准30 mg/L的要求,夏季出水BOD平均值稍好于全年平均水平[5],湿地系统对BOD的去除率明显偏低。微生物的活动是污水中有机物降解的主要机制或净化污水的主要力量,研究发现COD和BOD的去除与各种微生物数量有明显的相关性,去除因素与微生物的数量和活性直接相关。在影响微生物活动的各项因素中,温度的作用非常重要,温度适宜,能够促进、强化微生物的生理活动,温度不适宜,能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。参与污水处理的微生物多属嗜温菌,最高与最低温度宜分别控制在35 ℃和15 ℃,湿地内污水在没采取任何保温措施的情况下,一年中只有4个月超过15 ℃,因此对微生物的活性和数量都有较大影响。污水中的不溶性的有机物的去除主要依靠人工湿地中填料的吸附、过滤功能及其自身的沉淀作用去除,BOD基本都溶解于水中,人工湿地的处理能力是有一定限度的,过高浓度的污水往往不能彻底净化,且出水中有机物浓度同进水浓度成正比例关系,试验期间BOD的平均值为209 mg/L,进水浓度偏高,越高的溶解性有机物会消耗更多的氧气,而芦苇根系提供的氧气有限,可能导致植物根区附近较小范围内,氧化还原反应主要是氧化过程,在离根区较远的地方则表现为还原过程,溶解氧的含量的降低直接影响着有机污染物的去除效率[9]。

图4 BOD去除效果

2.3 NH3-N去除效果

(1)NH3-N去除效率随季节的变化规律(图5)

2011年1月至4月,NH3-N去除率≤0,出水指标大于进水,表明湿地内发生氨化作用,由于污水温度小于5 ℃时,硝化菌完全停止,在同时去除COD和硝化反应的体系中,对硝酸菌的抑制更加强烈。2011年6月至2011年9月污水温度大于15℃,微生物的活性逐步恢复,NH3-N去除率达到全年处理效率的最高值14.56%～31.63%。

(2)植物生长对NH3-N去除效率的影响

湿地植物庞大的根系表面附着大量微生物,并创造了利于微生物生长的微环境。植物通过光合作用产生氧气,部分传输至植物根系,在根系周围形成有利于硝化作用的好氧微区；厌氧区内富含的枯枝碎叶及底质层内含有大量可利用碳源,提供了反硝化条件；此外,植物根系的生长增大了土壤空隙率,使得水分蒸发和NH3-N挥发作用增强。2010年湿地芦苇生长情况较差,6月～9月NH3-N的去除率9.79%～13.47%,与植物生长良好的2011年相比低10%～20%。

(3)NH3-N全年去除规律分析(图6)

湿地年平均进水水质NH3-N=80 mg/L,出水不满足污水综合排放标准要求,氮的去除效率在10%～40%,大部分是植物生长,细菌细胞生理上的需要而摄取的数量,氮的硝化、反硝化过程非常微弱,具体分析理由如下：硝化反应的适宜温度是20～30 ℃,15 ℃以下时,硝化速率下降,5 ℃时完全停止；本地区月平均水温大于15 ℃仅4个月,因此全年硝化速率很低。硝化菌对环境的变化很敏感,为了使硝化反应正常进行,必须保持好氧条件,同时BOD浓度又不能太高(小于20 mg/L)[10],否则自养型的硝化菌得不到优势,不能成为优占种属,硝化反应无法进行。本工程由于进水浓度较高,大气复氧、芦苇根系充氧能力有限,很难满足1 mg/L的氧浓度；同时出水的BOD浓度在80～100 mg/L不满足硝化菌的繁殖条件。

图5 NH3-N去除率随水温(季节)变化规律

图6 NH3-N去除效果

2.4 SS去除效果(图7)

图7 SS去除效果

进水悬浮物的去除主要在湿地的前段完成,主要依靠土壤填料层、植物的根系和茎的过滤和拦截作用[8],由于湿地通常都供氧不足,被截留的悬浮物在湿地中存在积累现象,可能引起土壤层渗流能力的下降,最终影响出水水质,保持湿地系统对悬浮物稳定的去除效果须在后期管理上投入必要的人力、物力翻地或进行地块“轮休”。2011年人工湿地出水SS年平均值满足污水综合排放一级标准70 mg/L的要求。由于稳定塘内藻类和水生植物茎叶影响,稳定塘的出水SS稍高于湿地出水。

2.5 TP去除效果

(1)TP去除效率随季节的变化规律(图8、图9)

图8 TP去除率随水温(季节)变化规律

图9 TP去除效果

TP的去除效率与气温的变化频率基本一致,气温升高,去除率就高,气温降低,去除率就低,而且2010年和2011年具有不同的去除特点。2010年4月到2010年7月,随着气温的升高,TP去除率由52%上升到74%,2010年8月到2010年12月污水温度由22.6 ℃降低到6.2 ℃,TP去除率由58%降低到11%,去除率变化幅度非常大。由于植物生长和微生物活性和季节变化休戚相关,一般来说,气温升高会导致植物、微生物生理活性提高,有利于磷的去除[4]。研究表明,3条途径对磷去除的贡献大小为：基质>水生植物>微生物,其中短期内基质吸附磷的比重占70%,含Ca和Fe的基质可通过Ca、Fe、Al与PO43-反应而沉淀。2010年TP的去除率变化很大,可以认为植物吸收和微生物活动在其中不占主导地位,至2010年9月,土壤对磷的吸收沉淀逐渐达到饱和状态,虽然水生植物对磷的吸收开始发挥主要作用,但总去除率仍呈下降趋势。

(2)TP全年去除规律分析

湿地系统出水不满足污水综合排放二级标准,土壤的吸附过滤作用对磷的去除起主要作用,本工程土壤中Ca、Fe含量较低,要提高系统的除磷效率,需要缩短土壤的更换频率或进行土壤改良,优先选用钙含量2～2.5 kg/100 kg的混合土。水生植物对磷的吸收虽然很慢,但是一个不可逆的过程,当基质吸附达到饱和状态时,其对磷的吸收发挥着重要作用,在根系中沉淀的污泥部分会随水流流出,因此只有进一步降低出水悬浮物浓度,才能提高除磷效率。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)在高蒸发量、少降雨量的北方干旱地区污水水质的预测,应适当考虑高温、多风的春、夏、秋季污水“浓缩效应”。地下水位较低,年平均气温较低的铁路中小车站粪便污水所占比重较大,在污水排放口和进入污水处理站前都设置化粪池,由于水力停留时间较长,化粪池起到两方面的作用：①化粪池取代传统的沉淀池,悬浮物以污泥和浮渣的形式被截留,因此对悬浮物具有非常好的去除效果；②污水、污泥在化粪池内发生酸性发酵,污水中的有机物不但在数量上发生了很大变化,而且在理化性质上也发生了变化,B/C达到0.6,增加BOD5的处理难度。

(2)人工湿地对CODcr、SS、TP具有较好的去除效果：出水的CODcr全年平均值可以达到污水综合排放标准二级水平,夏季平均值可以达到污水综合排放标准一级水平；出水的SS全年平均值可以达到污水综合排放标准一级水平；土壤的吸附过滤作用对磷的去除起主要作用,Ca、Al粒子与磷酸盐反应达到饱和后应定期更换填料而被去除,否则会引起去除效率的迅速降低。

(3)人工湿地对污染物的去除效率受季节影响非常明显,对NH3-N的去除效率影响最大,对SS的去除效率影响最小；

(4)对全年气温较低的北方地区,植物生长周期较短,对较高浓度的污水去除效率较低。尤其是BOD5和NH3-N需通过植物吸收及微生物分解作用去除,如果常年温度小于15 ℃,土壤内成活的微生物数量较少,同时植物根系的供氧能力有限,浅层土壤中基本为缺氧或厌氧状态,对溶解性有机物的分解能力有限,氨的硝化作用不明显。考虑恶劣的气候条件,要获得好的出水水质,建议单级湿地进水BOD5小于100 mg/L,NH3-N小于30 mg/L。

3.2 建议

(1)在相对寒冷、干旱的北方地区,想要获得较高的去除效率,必须采取其他辅助措施：①进水NH3-N较高的情况下,应在湿地前段增加好氧处理设施；②进水较高BOD5的情况下,可以考虑设置厌氧、好氧等预处理设施[3]和湿地出水回流措施[1],降低进水浓度；③人工改良表层土壤,增加钙含量,定期更换填料都有助于提高TP的去除效果。

(2)人工湿地属于接近天然的一种污水处理工艺[6],对日常管理维护水平要求较低,基本无动力消耗,长时间运行也会面临堵塞和去除率下降等问题,解决办法有：①寒冷地区应采取建设防护大棚、湿地表面覆盖稻草、控制出水水位形成表层冰盖等保温措施；②定期清掏化粪池和后续稳定塘的污泥有助于降低系统悬浮物浓度；③北方地区植物成活率低,应有专人看管,保持一定的种植密度,防止牛羊啃食；④对于进水BOD和NH3-N较高的污水必须采取好氧、厌氧生化等预处理工艺,人工湿地作为一种后续处理工艺,才能最大限度发挥人工湿地的处理效能,提高系统出水的稳定性，也可以考虑湿地串连的方法提高去除率；⑤应重视由于湿地堵塞对系统正常运行的不利影响,结合TP的去除要求,一般应1～2年更换1次土壤,湿地配水及收水系统应考虑适应组合式安装、易更换的要求。

参考文献：

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