人工湿地生活污水处理技术试验研究

2014-12-02贵天虎朱卫东

黄河水利职业技术学院学报 2014年3期

贵天虎，朱卫东

（浙江省水文局，浙江杭州 310009）

0 引言

在20世纪70年代以前，人工湿地系统大都是对天然湿地进行改造，一般是结合湿地系统和氧化塘系统，以达到提升氧化塘的目的。其处理能力一般有限，且效果不甚理想。到了20世纪70年代，Kickuth提出的根区理论推动了人工湿地进行污水处理的实验研究，也推动了人工湿地的研究和应用的进程。在北美，开始对不同构造的人工湿地进行广泛试验。有关试验数据显示，不论是自由表面流湿地，还是潜流湿地，都可以很有效率的除去BOD5、微生物及部分氮磷，处理效果明显提高［1］。80年代后期，人工湿地开始逐步由实验室走向中试乃至规模化应用阶段。90年代后期，中国与欧洲同行合作，研制开发出新型人工湿地－复合垂直流湿地系统。并且在后来，将该系统与园林景观结合，产生了良好的生态效益和经济效益。但是，对于湿地基质、植物进行筛选、优化组合等研究较少［2～4］。

在处理生活污水时，介质复合型人工湿地（简称PKA人工湿地）技术投资少、建设管理方便、运行费用低、占地面积小，特别适用于水库上游居民分散、难建集中式污水处理厂的情况。本文针对PKA人工湿地处理生活污水的净化效果问题，构建了由10层基质组成的生活污水人工湿地研究模型，通过对 CODcr、NH3－N、TP、BOD5等 4 项主要指标的去除效果、影响因素及去除机理分析，研究了PKA人工湿地技术在处理污染水体中的运行规律和作用机理，可为人工湿地水质修复工程提供参考。

1 PKA人工湿地处理技术

1．1 PKA人工湿地技术原理

PKA人工湿地是一项使污水处理达到工程化、实用化的环境友好型新技术。该系统综合物理、化学、生物3种功效，使污水净化工艺达到最大化。植物、基质和微生物是人工湿地实现污水净化功能的3个主要组成部分。

1.1.1 植物及其作用

湿地植物如菖蒲、旱伞草、美人蕉、芦苇等经先前培育，使其根系更适应污水环境。

在人工湿地净化污水的过程中，植物不但可以去除污染物，还可以促进污水中营养物质的循环和利用，同时还能绿化环境，改善区域气候，促进生态环境的良性循环。湿地植物的光合作用为湿地好氧微生物贡献了30%的氧气，其纵横生长的根系为湿地的正常运行起到了疏通介质的作用，稳定了介质的水渗透性。另外，湿地植物还与周围环境的各种原生动物、微生物形成小环境，这些微生态小环境对各种污染物有很强的吸收、分解和富集能力。

1.1.2 基质及其作用

基质是人工湿地发挥污水净化作用的重要组成部分。基质为湿地系统中微生物的生长提供稳定的依附界面，为水生植物提供了生长载体，其间的空隙也是空气进出植物根系的通道。基质还可以通过表面的吸附和氧化作用提高对污染物的去除率。它对污染物的去除包括沉淀、吸附、过滤、溶解、气化、固定化、离子交换、络合反应、硝基反应等过程。去除的污染物包括：有机物、悬浮物、氮、磷、重金属、油脂和病原体等。

基质由多种不同粒径的非黏性土组成。从上到下，每一层分别由不同粒径的介质按特定的配合比混合组成。目前，应用较多的基质有土壤、砾石、炉渣、自然岩石与矿物材料等。每种基质都有其应用的局限性，应根据具体条件进行选择，以充分发挥基质的作用。

1.1.3 人工湿地微生物及其作用

在湿地净化污水的过程中，微生物起着重要的作用。湿地中，众多的微生物种群为污水净化提供了足够的分解者，构成了湿地中特有的生态系统［5～7］。有机物的降解、氮化合物的脱氮作用、磷化合物的转化等主要由植物根区和基质中的微生物来完成。因此，微生物不但是污染物吸收和降解的生物群体，而且能捕获污水中的溶解性成分，并与动物或植物共同利用。

1．2 PKA人工湿地处理污水的工艺流程

污水通过各污水管道汇入湿地沉淀池（沉淀池的功效是去除污水中的悬浮物，以免堵塞后续湿地），然后在自控系统的控制下，沉淀池内的污水泵向湿地布水。经过多层湿地介质层的生物、物理、化学三重组合功效，分别分解有机物，吸收磷氮营养物质及重金属等。处理后的中水从湿地底层流出至阀门井。阀门井有两路管道，一路管道至景观湖，补充景观湖水，多余中水从另一路管道排入排洪沟。

2 人工湿地生活污水处理试验研究

2．1 湿地工程构建

2．1．1 试验场地的构建

该试验样地位于某教学单位内，主要用于处理生活污水。湿地分2块，每块500 m2，其平面布置如图1所示。

图1 PKA人工湿地平面示意图Fig.1 PKA constructed wetland plane

2．1．2 基质层原料及设计

开挖1．2 m深的人工湿地池，对池底和四周进行找平、夯实、铺设防渗膜，再由下至上逐层铺设10层介质。沿水流方向，各层介质依次为碎石、碎石、瓜子片、瓜子片与粗沙混合物、粗沙、中沙、粗沙、瓜子片与粗沙混合物、瓜子片、碎石。具体如图2所示。

2．1．3 植物选择

人工湿地介质表层分别种植黄菖蒲（间距为30 cm）、旱伞草（间距为 40 cm）、水生美人蕉（间距为30 cm）、花叶芦竹（间距为20 cm）。其中，以黄菖蒲为主要物种，其他植物种在黄菖蒲中间。同种植物沿出水管方向排列种植。

2．1．4 运行方式

图2 PKA人工湿地垂直结构剖面示意图Fig.2 PKA constructed wetland vertical structure profile

生活污水通过排污管道到达沉淀池，经沉淀池预处理后，由潜水泵自动提至人工湿地进水管，并通过湿地表层的布水管均匀流入湿地池中，逐层向下渗透，由底部集水管收集，最后通过出水管流入集水池。该系统采用全天自动间歇式注水，正常运行条件下，处理规模为 300 m3／d，出水流量为 150 m3／h；在白天主要用水时段（8：00～22：00），1 h 水泵抽一次水，每次抽水时间约8 min。

2．2 主要污染物的去除效果分析

2．2．1 CODcr的去除效果分析

如图3所示，经PKA人工湿地处理后，污水CODcr浓度稳定在7～22 mg／L之间（进水浓度在112．2~131．6 mg／L 之间）。按《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）中 CODcr的水质类别标准判断，达到Ⅲ－Ⅳ类水标准。

图3 PKA人工湿地对CODcr的去除效果Fig.3 Removal effect of PKA constructed wetland to CODcr

在不同季节，PKA人工湿地对CODcr的净化效果为：夏季＞秋季＞春季＞冬季。这是因为，在人工湿地系统中，有机物主要依靠附着于填料及植物根系上的微生物的代谢降解功能来去除。夏季、秋季的温度比较高，微生物具有较强的活性。与此同时，生长良好的湿地植物为湿地提供了充足的氧气，加快了人工湿地系统对有机物进行的氧化分解进程。因此，CODcr具有良好的去除效果。而到了冬季，较低的气温抑制了微生物的活性，并且枯萎植物的落叶腐烂会分解出少量的有机物，在某种程度上会降低人工湿地系统去除有机物的效果。所以，去除率有所降低。春季植物重新生长，气温回升，对有机物的去除效果也有所提高。

2．2．2 NH3－N 的去除效果分析

如图4所示，经PKA人工湿地处理后，生活污水中的 NH3－N浓度在 0．8 mg／L以下（进水浓度在31~50 mg／L之间）。按《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）中 NH3－N 的水质类别标准判断，达到Ⅲ类水标准以上。

在不同季节，人工湿地对NH3－N的去除效果为：夏季＞秋季＞春季＞冬季。这说明，季节变化对人工湿地NH3－N去除率影响较大。夏、秋季节的NH3－N去除率会比春、冬季节高是因为，除去NH3－N主要通过微生物的硝化和反硝化作用，到了冬季，枯萎死亡的植物释放出少量的有机物，氮的去除效果在一定程度上被降低了。与此同时，冬季低温条件降低了微生物的活性，硝化反硝化作用受到抑制。

图4 PKA人工湿地对NH3－N的去除效果Fig.4 Removal effect of PKA constructed wetland to NH3-N

2．2．3 TP 的去除效果分析

如图5所示，经PKA人工湿地处理后，生活污水中的 TP 浓度在 0．098－0．30 mg／L 之间（进水浓度在 1．6~2．3 mg／L 之间）。按《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）中TP的水质类别标准判断，达到Ⅲ～Ⅳ类水标准。

图5 PKA人工湿地对TP的去除效果Fig.5 Removal effect of PKA constructed wetland to TP

在不同季节，人工湿地对TP的净化效果为：夏季和秋季的TP去除率要比春季和冬季高，春季的TP去除率和冬季大致相同，而且夏季去除率明显提高。这主要是因为，人工湿地主要是通过对基质的吸附沉淀来除去磷。存在于TP中的一部分有机磷要想形成沉淀或者被植物直接吸收利用，必须先转化为经微生物矿化分解后的无机磷。春、冬季节温度较低，因而微生物的活性较低，有机磷的矿化分解速率较慢，另一方面，植物大量死亡，失去了对磷的吸收作用。因此，秋季和夏季的TP去除率比春、冬季节的高。

2．2．4 BOD5的去除效果分析

如图6所示，经PKA人工湿地处理后，BOD5浓度稳定在4 mg／L以下（进水浓度在30－50 mg／L之间）。按《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）水质标准评价，出水BOD5浓度达到Ⅲ类水标准以上。

图6 PKA人工湿地对BOD5的去除效果Fig.6 Removal effect of PKA constructed wetland to BOD5

在不同季节，人工湿地对BOD5的净化效果为：夏季＞秋季＞春季＞冬季。这是因为，附着在填料和植物根系上的微生物通过代谢降解作用能去除污水中的有机物。夏、秋季温度较高，使得微生物具有较强的活性，并且生长较好的湿地植物能提供更多的氧气给人工湿地系统，致使湿地系统中有机物的氧化分解速率加快。冬季温度较低，抑制了微生物的活性，枯萎植物的落叶腐烂，会分解出少量的有机物，降低了人工湿地系统除去有机物的速率。因此，冬季的去除效果会有一定程度的下降。到了春季，气温回升，植物生长，提高了有机物的去除效果。