人工復合生態(tài)床處理低濃度農村污水

摘 要：近年隨著(zhù)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(guò)50%，因此控制面源污染已成為解決滇池富營(yíng)養化的關(guān)鍵。根據對滇池某示范控制區的調查，其地表徑流、水土流失、固體廢物和村鎮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(kāi)發(fā)了一種適合于該地區的新型人工濕地系統即人工復合生態(tài)床系統。

近年隨著(zhù)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(guò)50%，因此控制面源污染已成為解決滇池富營(yíng)養化的關(guān)鍵。根據對滇池某示范控制區的調查，其地表徑流、水土流失、固體廢物和村鎮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(kāi)發(fā)了一種適合于該地區的新型人工濕地系統即人工復合生態(tài)床系統。

該系統是在人工濕地的基礎上選擇最佳的植物栽種方式，并在床體內部填充多孔的、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(zhù)面積，同時(shí)增強系統對污染物(尤其是氮、磷)的去除能力。人工復合生態(tài)床作為濕地系統的一種，具有工藝簡(jiǎn)單、運行管理方便、生態(tài)環(huán)境效益顯著(zhù)、投資少等優(yōu)點(diǎn)，適合于村鎮生活污水的處理。根據調查，在滇池地區農村生活污水與排灌水相混合的現象十分普遍，因此農村生活污水匯集出口處因受農田排灌水的影響，污水濃度低、流量大。

對于潛流式濕地，若按常規的水力負荷(一般為2～15cm/d)設計要占很大的面積，因此如何提高系統負荷、減少占地面積成為人工復合生態(tài)床研究的重點(diǎn)。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置
試驗系統設在滇池流域某一示范控制區，共有4個(gè)單元床體，結構如圖1所示。��

首先，污水自流進(jìn)入調節池，然后通過(guò)PVC管送入各個(gè)單元床體。人工復合生態(tài)床水流為潛流式，每個(gè)床體寬為1m、長(cháng)為6m、床深為0.7m、坡度為1%。床體底部鋪設10cm厚的碎石(直徑為2～4cm)層，中部為40cm厚的爐渣層，上部為10cm厚的土壤層，污水在床體內部水平流動(dòng)。布水區和集水區的寬度均為40cm，內部分別填充直徑為2～5cm的卵石，集水區底部安裝一根多孔集水管，且與外部一根出水高度可調的豎管相聯(lián)接。

經(jīng)測定床體平均孔隙率為50%，填充爐渣的水力傳導系數為3.47×10-3mm/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(jiàn)表1)，其中1號床為空白對照。

1.2  植物栽培

試驗選用滇池流域常見(jiàn)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20cm×20cm×40cm(長(cháng)×寬×高)的帶土芽尖并將其移植到各單元床體(種植密度見(jiàn)表1)，栽完后立即充水并使根部浸泡在水中，半個(gè)月后開(kāi)始進(jìn)污水。

1.3 試驗條件

試驗所用污水來(lái)自該示范控制區某溝渠的下游段(該溝渠的水流經(jīng)農田和村鎮，最后進(jìn)入滇池)，以生活污水為主，混有一部分農田排灌水及雨水，其特點(diǎn)是污染物濃度低于生活污水，但水量很大。系統運行期間的進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表2，運行條件見(jiàn)表3。試驗過(guò)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(每周1～2次)。

2 結果與討論

2.1 對污染物的去除效果

濕地系統中具有沉降性的有機物通過(guò)沉積和過(guò)濾可很快被去除，可溶性有機物主要通過(guò)微生物的降解而去除，氮則是通過(guò)硝化與反硝化反應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。值得指出的是復合生態(tài)床中的植物長(cháng)勢非常良好，在4個(gè)月內蘆葦、茭白和菖蒲分別由0.4m長(cháng)高到2.0、2.5和1.2m，而且枝葉繁密，生長(cháng)速度明顯高于天然環(huán)境中的植株。
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人工復合生態(tài)床對污染物的去除效果見(jiàn)表4。

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。這是因為水生植物都有通過(guò)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管，所以與根或莖直接接觸的土壤會(huì )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(wú)植物生長(cháng)且長(cháng)期被淹沒(méi)，土壤幾乎都呈厭氧狀態(tài)，不利于多種微生物的生長(cháng)。另外污水處理系統中的植物被認為是一個(gè)營(yíng)養貯存庫，植物吸收營(yíng)養維持生長(cháng)和繁殖(這些營(yíng)養物基本來(lái)自污水中的有機物、氮和磷)，植物生長(cháng)得越快則污染物減少得越多。��

2.2 植物栽種方式的比較

復合生態(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。��

以上結果說(shuō)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)達并且深淺交錯、輸氧能力強，特別是在蘆葦濕地系統中傳輸氧的能力更強，因為蘆葦的根莖是垂直向下地延伸生長(cháng)，具有非常強的穿透性。系統運行120d后對植物根系的生長(cháng)狀況進(jìn)行了測定，結果顯示蘆葦的根莖深度為30～50cm,根系發(fā)達且四處穿插；茭白的根莖深度為40～50cm,根莖粗大，其上長(cháng)有許多根須；菖蒲的根莖深度為10～15cm,縱向多為根須。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

2.3 氧化還原電位(ORP) 比較

在植物穩定生長(cháng)期間測定了出水DO和床體的ORP，結果見(jiàn)表5。

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(0.5～1.0mg/L),表明植物對床體有一定的輸氧作用，其中2號床�獶O最高，3、4號床次之。床體內部的ORP均為負值，可見(jiàn)床體總體上處于還原態(tài)，內部供氧不足，這種條件有利于反硝化而不利于硝化及好氧反應。比較各單元床體的ORP發(fā)現2號床最高，3、4號床次之，1號床最低，說(shuō)明植物床中蘆葦的輸氧能力最強，而空白床中因為無(wú)植物輸氧作用則處于嚴重的缺氧狀態(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)濟價(jià)值。��

2.4　植物對脫氮、 除磷的作用

濕地系統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氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在。在土壤—植物系統中，有機氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下轉化為銨態(tài)氮，由于土壤顆粒帶有負電荷，銨離子很容易被吸附，土壤微生物通過(guò)硝化作用將銨離子轉化為NO3-，土壤又可恢復對銨離子的吸附功能。土壤對帶負電荷的NO3-沒(méi)有吸附截留能力，NO3-可以被植物根系吸收而成為植物營(yíng)養成分或通過(guò)反硝化最終轉化為N2或者N2O而揮發(fā)掉。濕地系統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。��
在試驗進(jìn)行的第120天對系統中植物的各項參數進(jìn)行了測定，結果見(jiàn)表6、7。

由表6、7可計算出運行期間通過(guò)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)。試驗系統采用的填充土壤的pH值為中性，所以可以忽略氮的揮發(fā)損失，由此可得到系統運行期間通過(guò)生物脫氮而去除的氮量Nb=Nin-Nplant-Nout以及通過(guò)沉淀和介質(zhì)吸附去除的磷量Pa＝Pin-Pplant-Pout，計算結果如圖2、3所示。��

從圖2可以看出，通過(guò)反硝化去除的總氮量占投配總氮量的40%左右，可見(jiàn)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(guò)比較可知，3號床中植物對氮、磷的吸收最大，4號床最小。因為3號床中的植物特別是茭白的生長(cháng)量最大，而4號床中的菖蒲由于植株矮小，生長(cháng)量最小，這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了為什么3號床對污染物的去除效果較好。由此可見(jiàn)，茭白對氮、磷的吸收能力強，蘆葦則介于二者之間，但蘆葦的根系輸氧作用強。鑒于水生植物對污水中的氮、磷具有一定吸收能力，定期收割人工復合生態(tài)床中的植物也能促進(jìn)系統對氮、磷的去除。
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2.5　對污染物削減量的計算

以試驗所用排污溝渠為例，對人工復合生態(tài)床的污染物削減量進(jìn)行了計算。污水流量為10m3/h即(240m3/d)，按3號床的處理效果計算，水力負荷為30cm/d時(shí)的處理系統所 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/(m2·d)，可削減COD、TN和TP量分別為4.45、0.35和0.039t/a，與一般濕地系統相比，該工藝水力負荷高、占地面積小。

3 結論

① 在高水力負荷(30cm/d)條件下各單元床體出水水質(zhì)較好，對COD、TN、氨氮和TP的去除率分別為59.6%～70.6%、50.4%～60.6%、70.8%～83.0%和55.0%～66.0%。人工復合生態(tài)床對COD、TN和TP去除量分別為15.25、1.193和0.134g/(m2·d)。

② 蘆葦具有較強的輸氧能力，茭白具有較強的吸收氮、磷的能力，因此蘆葦與茭白混種是一種較好的植物種植方式。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)