潛流人工濕地處理車站生活污水效能研究

翟計紅,吳國華,崔麗英,李 勇

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251; 2.太原市環保局,太原 030012)

人工濕地依靠自然濕地生態系統中物理、化學、生物的三重共同作用來實現對污水的凈化[1，2],相對于氣候溫暖的南方地區,在廣大北方地區由于受到氣候條件的限制,人工濕地的應用成功范例較少,在鐵路污水處理領域幾乎是空白。2010年4月至2011年9月選擇冬季比較漫長的石太客運專線某工區進行潛流人工濕地處理生活污水的處理效果研究,系統工藝流程為：全站污水→化糞池→污水閘槽井(含人工格柵)→人工潛流濕地→穩定塘→出水[3]。實測日處理污水量15.95 m3/d,濕地總占地面積25 m×20 m,水力投配負荷為3.2 cm/d。由于地處山區,有充分的地形高差可以利用,試驗系統無任何動力消耗。

1 污水水質

本項目的污水具有明顯的北方地區特點,具體分析如下：

(1)經過化糞池預處理后,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,這種水質特點說明該車站排放的污水以糞便污水為主,由于客觀條件和生活習慣等原因,餐飲廢水和洗浴污水所占比重較小；

(3)按照80%的出現概率控制,試驗污水的進水水質指標為：CODcr≤450 mg/L,BOD5≤300 mg/L,NH3-N≤100 mg/L,TP≤9 mg/L,SS≤180 mg/L。上述指標中除懸浮物外,其他指標都高于原設計預測值。除生活習慣、膳食結構等一般性因素外,當地獨特的氣候條件對污水水質影響比較大。

該工區(車站)地處太行山山區,海拔1 260～1 270 m；歷年年平均降雨量576.5 mm；歷年年平均蒸發量1 919 mm；歷年最大風速20.7 m/s；歷年平均風速2.6 m/s。這些因素會導致當地表層地下水補給和排泄的嚴重不平衡,很高的蒸發量會“濃縮污水”,至于懸浮物較低的原因可能由于化糞池的自然沉淀作用,對大顆粒無機物和懸浮物具有非常好的物理去除效果。假定土壤中水的蒸發量約為從清水中蒸發量的70%[10],年蒸發量1 919×0.7=1 343.3 mm；假定雨水量20%被吸收,濕地吸收的雨水量為576×0.2=115.3 mm/年；因此凈蒸發量1 343.3-115.3=1 228 mm；濕地面積500 m2,一年污水蒸發量618 m3,目前濕地年處理污水量15.96×365=5825 m3,占年處理污水量的10%,因此對污水濃度的提高有明顯的影響。

水的蒸發量在一年之內變化較大,由于春季多風,夏季炎熱,因此在此時間段地表水的蒸發速度遠大于補給,污水水質對應不同的季節具有明顯的變化規律：受蒸發量大小影響,夏季水質高于冬季。同理該地區全年的污水水質也應該高于蒸發量小的其他地區。

2 污染物處理效果分析

2.1 COD去除效率分析

(1)COD去除效率隨季節的變化規律

依據圖1,2010年1月至2011年4月污水溫度小于5 ℃,去除率37.57%～47.16%；2011年6月至2011年9月污水溫度大于15 ℃,去除率62.03%～73.43%。

圖1 COD去除率隨水溫(季節)變化規律

有機物的降解效率呈現一定的季節性變化規律,4、5月份氣候變暖,植物開始發芽,生長逐漸旺盛,光合作用日益增強,產氧量增大,同時水溫上升,微生物活性增強,增殖速度加快,對有機物的需求增大,在植物和微生物的協同作用下,污染物的去除效果回升明顯,5～6月去除率在50%～60%；進入夏季,植物生長進入最旺盛時期,植物光合作用的供氧量相對增加,好氧菌的活性大為增強,7～9月去除率達到70%～73%。進入冬季后,溫度較低,水面結冰,植物和微生物活性都處于抑制狀態,污染物的去除基本依靠土壤的吸附、沉淀、過濾,因此去除率降到40%左右。

(2)植物生長對COD去除效率的影響

濕地土建施工完成后,2010年4月采用播種方法種植蘆葦,由于蘆葦成活率比較低,同年8月采用移栽插種的方法進行補種；2011年4月對上年枯死的蘆葦竿進行收割,并進一步加密補種。對比蘆葦生長稀疏的2010年和2次補種后的2011年有機物去除率增長明顯：2010年7月至2010年9月,COD去除率為41%～48%；2011年7月至2011年9月,COD去除率增長為70%～73%。蘆葦[7]為人工濕地中的好氧微生物提供了較好的兼氧環境,同時提供了較大的附著表面,有利于微生物的生長繁殖,加快了污染物的降解速率,同時蘆葦直接吸收污水中可利用的營養物質,進一步提高了有機物的去除效果[5]。

(3)COD全年去除規律分析

根據圖2，2011年人工濕地出水COD年平均值滿足污水綜合排放二級標準150 mg/L的要求,夏季出水COD平均值基本滿足污水綜合排放一級標準100 mg/L的要求。穩定塘水質監測時間為2011年5月4日～2011年9月21日，屬于當地氣溫最高的季節,COD去除率在60%～70%的概率數據高于全年水平40%。COD的去除規律和相關文獻研究資料基本一致,但也存在全年去除效率稍低,出水水質偏高的問題,除北方地區植物生長密度和活性不夠的因素外,還受當地較大的蒸發量影響：夏季蘆葦生長旺盛,根系發達,向土壤中充氧能力強,有機物去除效率高,但進水污染濃度高于一般生活污水；冬季雖然進水濃度較低,但蘆葦濕地中植物基本進入枯萎休眠階段,光合產氧速率極低,COD去除率也較低。

圖2 COD去除效果

2.2 BOD去除效率分析

(1)BOD去除效率隨季節的變化規律(圖3)

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

圖3 BOD去除率隨水溫(季節)變化規律

(2)植物生長對BOD去除效率的影響

對比蘆葦生長稀疏的2010年和2次補種后的2011年去除率增長明顯：2010年7月至2010年9月,BOD去除率為44%～50%；2011年7月至2011年9月,BOD去除率增長為60%～67%。

(3)BOD全年去除規律分析(圖4)

2010、2011年人工濕地出水BOD年平均值分別為105 mg/L和88 mg/L,均不滿足污水綜合排放二級標準30 mg/L的要求,夏季出水BOD平均值稍好于全年平均水平[5],濕地系統對BOD的去除率明顯偏低。微生物的活動是污水中有機物降解的主要機制或凈化污水的主要力量,研究發現COD和BOD的去除與各種微生物數量有明顯的相關性,去除因素與微生物的數量和活性直接相關。在影響微生物活動的各項因素中,溫度的作用非常重要,溫度適宜,能夠促進、強化微生物的生理活動,溫度不適宜,能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動。參與污水處理的微生物多屬嗜溫菌,最高與最低溫度宜分別控制在35 ℃和15 ℃,濕地內污水在沒采取任何保溫措施的情況下,一年中只有4個月超過15 ℃,因此對微生物的活性和數量都有較大影響。污水中的不溶性的有機物的去除主要依靠人工濕地中填料的吸附、過濾功能及其自身的沉淀作用去除,BOD基本都溶解于水中,人工濕地的處理能力是有一定限度的,過高濃度的污水往往不能徹底凈化,且出水中有機物濃度同進水濃度成正比例關系,試驗期間BOD的平均值為209 mg/L,進水濃度偏高,越高的溶解性有機物會消耗更多的氧氣,而蘆葦根系提供的氧氣有限,可能導致植物根區附近較小范圍內,氧化還原反應主要是氧化過程,在離根區較遠的地方則表現為還原過程,溶解氧的含量的降低直接影響著有機污染物的去除效率[9]。

圖4 BOD去除效果

2.3 NH3-N去除效果

(1)NH3-N去除效率隨季節的變化規律(圖5)

2011年1月至4月,NH3-N去除率≤0,出水指標大于進水,表明濕地內發生氨化作用,由于污水溫度小于5 ℃時,硝化菌完全停止,在同時去除COD和硝化反應的體系中,對硝酸菌的抑制更加強烈。2011年6月至2011年9月污水溫度大于15℃,微生物的活性逐步恢復,NH3-N去除率達到全年處理效率的最高值14.56%～31.63%。

(2)植物生長對NH3-N去除效率的影響

濕地植物龐大的根系表面附著大量微生物,并創造了利于微生物生長的微環境。植物通過光合作用產生氧氣,部分傳輸至植物根系,在根系周圍形成有利于硝化作用的好氧微區；厭氧區內富含的枯枝碎葉及底質層內含有大量可利用碳源,提供了反硝化條件；此外,植物根系的生長增大了土壤空隙率,使得水分蒸發和NH3-N揮發作用增強。2010年濕地蘆葦生長情況較差,6月～9月NH3-N的去除率9.79%～13.47%,與植物生長良好的2011年相比低10%～20%。

(3)NH3-N全年去除規律分析(圖6)

濕地年平均進水水質NH3-N=80 mg/L,出水不滿足污水綜合排放標準要求,氮的去除效率在10%～40%,大部分是植物生長,細菌細胞生理上的需要而攝取的數量,氮的硝化、反硝化過程非常微弱,具體分析理由如下：硝化反應的適宜溫度是20～30 ℃,15 ℃以下時,硝化速率下降,5 ℃時完全停止；本地區月平均水溫大于15 ℃僅4個月,因此全年硝化速率很低。硝化菌對環境的變化很敏感,為了使硝化反應正常進行,必須保持好氧條件,同時BOD濃度又不能太高(小于20 mg/L)[10],否則自養型的硝化菌得不到優勢,不能成為優占種屬,硝化反應無法進行。本工程由于進水濃度較高,大氣復氧、蘆葦根系充氧能力有限,很難滿足1 mg/L的氧濃度；同時出水的BOD濃度在80～100 mg/L不滿足硝化菌的繁殖條件。

圖5 NH3-N去除率隨水溫(季節)變化規律

圖6 NH3-N去除效果

2.4 SS去除效果(圖7)

圖7 SS去除效果

進水懸浮物的去除主要在濕地的前段完成,主要依靠土壤填料層、植物的根系和莖的過濾和攔截作用[8],由于濕地通常都供氧不足,被截留的懸浮物在濕地中存在積累現象,可能引起土壤層滲流能力的下降,最終影響出水水質,保持濕地系統對懸浮物穩定的去除效果須在后期管理上投入必要的人力、物力翻地或進行地塊“輪休”。2011年人工濕地出水SS年平均值滿足污水綜合排放一級標準70 mg/L的要求。由于穩定塘內藻類和水生植物莖葉影響,穩定塘的出水SS稍高于濕地出水。

2.5 TP去除效果

(1)TP去除效率隨季節的變化規律(圖8、圖9)

圖8 TP去除率隨水溫(季節)變化規律

圖9 TP去除效果

TP的去除效率與氣溫的變化頻率基本一致,氣溫升高,去除率就高,氣溫降低,去除率就低,而且2010年和2011年具有不同的去除特點。2010年4月到2010年7月,隨著氣溫的升高,TP去除率由52%上升到74%,2010年8月到2010年12月污水溫度由22.6 ℃降低到6.2 ℃,TP去除率由58%降低到11%,去除率變化幅度非常大。由于植物生長和微生物活性和季節變化休戚相關,一般來說,氣溫升高會導致植物、微生物生理活性提高,有利于磷的去除[4]。研究表明,3條途徑對磷去除的貢獻大小為：基質>水生植物>微生物,其中短期內基質吸附磷的比重占70%,含Ca和Fe的基質可通過Ca、Fe、Al與PO43-反應而沉淀。2010年TP的去除率變化很大,可以認為植物吸收和微生物活動在其中不占主導地位,至2010年9月,土壤對磷的吸收沉淀逐漸達到飽和狀態,雖然水生植物對磷的吸收開始發揮主要作用,但總去除率仍呈下降趨勢。

(2)TP全年去除規律分析

濕地系統出水不滿足污水綜合排放二級標準,土壤的吸附過濾作用對磷的去除起主要作用,本工程土壤中Ca、Fe含量較低,要提高系統的除磷效率,需要縮短土壤的更換頻率或進行土壤改良,優先選用鈣含量2～2.5 kg/100 kg的混合土。水生植物對磷的吸收雖然很慢,但是一個不可逆的過程,當基質吸附達到飽和狀態時,其對磷的吸收發揮著重要作用,在根系中沉淀的污泥部分會隨水流流出,因此只有進一步降低出水懸浮物濃度,才能提高除磷效率。

3 結論與建議

3.1 結論

(1)在高蒸發量、少降雨量的北方干旱地區污水水質的預測,應適當考慮高溫、多風的春、夏、秋季污水“濃縮效應”。地下水位較低,年平均氣溫較低的鐵路中小車站糞便污水所占比重較大,在污水排放口和進入污水處理站前都設置化糞池,由于水力停留時間較長,化糞池起到兩方面的作用：①化糞池取代傳統的沉淀池,懸浮物以污泥和浮渣的形式被截留,因此對懸浮物具有非常好的去除效果；②污水、污泥在化糞池內發生酸性發酵,污水中的有機物不但在數量上發生了很大變化,而且在理化性質上也發生了變化,B/C達到0.6,增加BOD5的處理難度。

(2)人工濕地對CODcr、SS、TP具有較好的去除效果：出水的CODcr全年平均值可以達到污水綜合排放標準二級水平,夏季平均值可以達到污水綜合排放標準一級水平；出水的SS全年平均值可以達到污水綜合排放標準一級水平；土壤的吸附過濾作用對磷的去除起主要作用,Ca、Al粒子與磷酸鹽反應達到飽和后應定期更換填料而被去除,否則會引起去除效率的迅速降低。

(3)人工濕地對污染物的去除效率受季節影響非常明顯,對NH3-N的去除效率影響最大,對SS的去除效率影響最小；

(4)對全年氣溫較低的北方地區,植物生長周期較短,對較高濃度的污水去除效率較低。尤其是BOD5和NH3-N需通過植物吸收及微生物分解作用去除,如果常年溫度小于15 ℃,土壤內成活的微生物數量較少,同時植物根系的供氧能力有限,淺層土壤中基本為缺氧或厭氧狀態,對溶解性有機物的分解能力有限,氨的硝化作用不明顯。考慮惡劣的氣候條件,要獲得好的出水水質,建議單級濕地進水BOD5小于100 mg/L,NH3-N小于30 mg/L。

3.2 建議

(1)在相對寒冷、干旱的北方地區,想要獲得較高的去除效率,必須采取其他輔助措施：①進水NH3-N較高的情況下,應在濕地前段增加好氧處理設施；②進水較高BOD5的情況下,可以考慮設置厭氧、好氧等預處理設施[3]和濕地出水回流措施[1],降低進水濃度；③人工改良表層土壤,增加鈣含量,定期更換填料都有助于提高TP的去除效果。

(2)人工濕地屬于接近天然的一種污水處理工藝[6],對日常管理維護水平要求較低,基本無動力消耗,長時間運行也會面臨堵塞和去除率下降等問題,解決辦法有：①寒冷地區應采取建設防護大棚、濕地表面覆蓋稻草、控制出水水位形成表層冰蓋等保溫措施；②定期清掏化糞池和后續穩定塘的污泥有助于降低系統懸浮物濃度；③北方地區植物成活率低,應有專人看管,保持一定的種植密度,防止牛羊啃食；④對于進水BOD和NH3-N較高的污水必須采取好氧、厭氧生化等預處理工藝,人工濕地作為一種后續處理工藝,才能最大限度發揮人工濕地的處理效能,提高系統出水的穩定性，也可以考慮濕地串連的方法提高去除率；⑤應重視由于濕地堵塞對系統正常運行的不利影響,結合TP的去除要求,一般應1～2年更換1次土壤,濕地配水及收水系統應考慮適應組合式安裝、易更換的要求。

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