人工濕地強(qiáng)化復(fù)氧技術(shù)研究現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)構(gòu)想

2014-11-28 13:38:22惠斌顧銀海張金戈

綠色科技 2014年1期

惠斌　顧銀海　張金戈

摘要：指出了改善人工濕地復(fù)氧能力以提高濕地處理能力的研究包括選用利于復(fù)氧的植物和填料、跌水曝氣、進(jìn)水端機(jī)械曝氣、間歇式運(yùn)行等，采取這些措施時(shí)，必須結(jié)合濕地規(guī)模、場(chǎng)地條件、衛(wèi)生條件要求等實(shí)際情況。提出了一種基于間歇式運(yùn)行的改良小型人工濕地設(shè)計(jì)構(gòu)想，為該類型人工濕地強(qiáng)化復(fù)氧提供了設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：人工濕地；溶解氧；復(fù)氧技術(shù)

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2014）01015304

1引言

人工濕地系統(tǒng)中的氧主要被消耗用于有機(jī)物和氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物降解，而作為濕地氧來(lái)源的植物根系泌氧及大氣表面復(fù)氧所產(chǎn)生的少量氧氣相對(duì)于城市污水在實(shí)際負(fù)荷下所需的氧氣量來(lái)說(shuō)是微不足道的[1]。常規(guī)的人工濕地處理系統(tǒng)仍主要為厭氧反應(yīng)系統(tǒng)，這使得濕地對(duì)有機(jī)物的去除較為依賴缺氧和厭氧生化反應(yīng)，處理效率較低；濕地除磷主要依賴基質(zhì)吸附沉淀作用，隨著植物衰敗和基質(zhì)吸附飽和，濕地除磷效果將逐漸喪失；常規(guī)人工濕地脫氮效率普遍在50%～65%之間[2]，何連生，劉鴻亮等[3]研究認(rèn)為在有機(jī)物豐富的潛流濕地中，硝化菌競(jìng)爭(zhēng)氧氣能力較弱，按照全程硝化化學(xué)計(jì)量學(xué)得到的硝化需氧量（NOD）高于實(shí)際的表面復(fù)氧和植物根系放氧，通過濕地表面復(fù)氧和根區(qū)放氧不能完整地硝化反硝化。

在污水生物處理中，利用溶解氧的生化反應(yīng)是效率最高的反應(yīng)過程，并能產(chǎn)生礦化終端產(chǎn)物，因此，形成好氧環(huán)境是提高污水生物處理系統(tǒng)處理能效的重要途徑，如何通過改善人工濕地中的溶解氧含量及分布以提高濕地處理效率逐漸受到關(guān)注。

2人工濕地工藝條件對(duì)濕地氧環(huán)境的影響

大氣表面復(fù)氧、挺水植物根系氧傳輸和進(jìn)水溶氧是濕地中溶解氧的主要來(lái)源。多數(shù)研究顯示，大氣表面復(fù)氧強(qiáng)度在0.5～1g/（m2·d）范圍，植物根系氧傳輸強(qiáng)度在0～3g/（m2·d）范圍[4]。從人工濕地工藝運(yùn)行條件角度分析，影響濕地氧環(huán)境的主要影響因素包括植物種類、填料表面性能、水力流態(tài)等。

2.1植物種類

不同種類植物的根系氧傳輸能力有所不同，鄢璐，王世和等人[5]研究比較了五種植物濕地供氧能力和穩(wěn)定性，供氧能力順序?yàn)樘J葦>美人蕉>茶花>富貴竹>空心菜。研究表明，濕地植物的生長(zhǎng)狀況及其光合作用

收稿日期：20131129

作者簡(jiǎn)介：惠斌（1988—），男，陜西渭南人，南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生。

強(qiáng)度對(duì)于濕地DO分布影響顯著，隨著植物凈光合作用速率的增加，DO增加，但污水中污染物降解又消耗了植物光合作用產(chǎn)生的氧，引起DO水平下降。因此，選擇生長(zhǎng)旺盛、根系發(fā)達(dá)和光合作用較強(qiáng)的濕地植物，適當(dāng)降低污水的負(fù)荷，可以改善濕地溶解氧條件。

2.2基質(zhì)填料

填料物理性質(zhì)的不同，尤其是孔隙率和表面性質(zhì)的不同將直接影響其復(fù)氧效果，孔隙率大、比表面積大的多孔狀填料具有一定的可選性。

高常飛等[6]通過人工強(qiáng)化生態(tài)濾床特性研究可知，火山巖和礫石2種濾料溶氧擴(kuò)散能力區(qū)別較大，利用效率存在明顯差異，比表面積較大的濾料（火山巖）溶氧擴(kuò)散明顯能力較高。

2.3水力流態(tài)

對(duì)于潛流人工濕地，在進(jìn)水溶氧濃度相同時(shí)，垂直流人工濕地的氧環(huán)境優(yōu)于水平流人工濕地，垂直流人工濕地獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力流態(tài)使其更有利于濕地內(nèi)部的供氧，創(chuàng)造出較好的氧環(huán)境，提高各項(xiàng)污染物的去除效果。

2.4水力停留時(shí)間

濕地停留時(shí)間過短時(shí)，水力負(fù)荷較高，濕地進(jìn)出水容易發(fā)生短路，好氧反應(yīng)不能完全進(jìn)行，氧的消耗較少，故濕地溶解氧較高。停留時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，易造成大量“死水區(qū)”，處理效果變差，同時(shí)由于有機(jī)物負(fù)荷較低，氧消耗速率較慢，加之植物輸氧和表明復(fù)氧效果，濕地溶解氧濃度有所提高，最佳停留時(shí)間對(duì)應(yīng)溶解氧最低值。

3強(qiáng)化復(fù)氧技術(shù)

常規(guī)污水處理技術(shù)通常借助高能耗來(lái)控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度，而對(duì)于低能耗甚至無(wú)能耗的生態(tài)處理技術(shù)而言，大型曝氣機(jī)械的使用是不現(xiàn)實(shí)的。因此，如何因地制宜地控制生態(tài)處理系統(tǒng)中的溶解氧濃度，保證出水水質(zhì)，是生態(tài)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要和關(guān)鍵的問題。目前，基于改善濕地溶解氧水平的人工濕地強(qiáng)化處理技術(shù)研究主要分為控制運(yùn)行條件、改變水力流態(tài)、強(qiáng)化供氧等。本文對(duì)目前幾種高效的濕地強(qiáng)化復(fù)氧方式研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和分析。

3.1間歇式運(yùn)行

聶志丹等[7]研究采用間歇運(yùn)行方式使人工濕地復(fù)氧能力提高了51.1%，對(duì)TN和NH+4-N的去除率分別提高了28.6%和51.5%。MichalGreen[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，在人工濕地系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行1～2d后，將其中的污水排干并閑置2～8d可以提高硝化效果；崔玉波等[9]采用進(jìn)水12h、排水12h（HRT=1d）的間歇運(yùn)行方式，使兩級(jí)人工濕地對(duì)氨氮的去除率提高至99%；彭舉威等[10]采用進(jìn)水6h、排水6h（HRT=2d）的間歇進(jìn)、出水方式，提高了濕地系統(tǒng)對(duì)COD的處理效能；尹軍等[11]采用進(jìn)水12h、出水12h（HRT=4d）的間歇進(jìn)、出水方式，提高了濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的處理效能。

王晟、徐祖信[12]等人通過濕地靜態(tài)（中高低）浸潤(rùn)線運(yùn)行和動(dòng)態(tài)浸潤(rùn)線運(yùn)行對(duì)比結(jié)果表明，根據(jù)浸潤(rùn)線動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原理發(fā)明的序批式潛流人工濕地污水處理工藝（CBSW）能夠?qū)崿F(xiàn)了單級(jí)濕地內(nèi)好氧/缺氧環(huán)境的交替出現(xiàn)，提高了脫氮能力，除污綜合效果理想。

張帥[13]研究了潮汐式運(yùn)行人工濕地對(duì)高濃度農(nóng)村生活污水的處理效果，認(rèn)為潮汐式復(fù)氧方式均能明顯提高人工濕地系統(tǒng)對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果，明顯改善微生物硝化、反硝化、生物吸收等作用，有效地提高了人工濕地對(duì)COD、氮、磷的去除性能。

近年來(lái)，歐洲建設(shè)了一些間歇式非飽和潛流人工濕地系統(tǒng)，大多數(shù)用于三級(jí)處理，運(yùn)行結(jié)果表明，間歇式潛流人工濕地（潮汐流人工濕地）的進(jìn)水負(fù)荷約為傳統(tǒng)潛流人工濕地的2倍。endprint

3.2跌水曝氣

肖海文，鄧榮森等[14]研究認(rèn)為設(shè)置多級(jí)多段跌水有利于均衡濕地床填料內(nèi)的溶解氧分布，促進(jìn)硝化反應(yīng)，保證出水水質(zhì)。高常飛等[15]研究認(rèn)為跌水曝氣復(fù)氧預(yù)處理效果明顯，能夠滿足人工強(qiáng)化生態(tài)濾床復(fù)氧量要求，當(dāng)?shù)貧飧叨仍?.6m以內(nèi)，跌水曝氣DO呈現(xiàn)穩(wěn)定增加，兩者之間具有正相關(guān)關(guān)系。葉芬霞等[16]構(gòu)建了新型人工濕地——塔式復(fù)合人工濕地（TICW）處理農(nóng)村生活污水，利用階梯式跌水進(jìn)行充氧，克服了目前人工濕地含氧量少、硝化速率慢的瓶頸，對(duì)NH+4-N的去除率達(dá)到了82%。

英國(guó)水污染研究實(shí)驗(yàn)室曾在實(shí)驗(yàn)室和野外對(duì)跌水的復(fù)氧效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，建立了如下預(yù)測(cè)方程[17]：

r=1+0.38abh（1-0.11h）（1+0.046t）

r為跌水復(fù)氧氧虧比，通過氧虧比r可定量地表征跌水復(fù)氧的效果，r越大，復(fù)氧效果越好。式中h為跌水的自由落差（m）；t為溫度（℃）；a為水質(zhì)參數(shù)，其取值為：較清潔水體為1.8，污染較輕的水體為1.6，中等污染水體為1.0，嚴(yán)重污染水體為0.65；b為曝氣系數(shù)，其取值隨跌水的方式而變化，普通自由下落跌水為10，階梯跌水為13，多級(jí)階梯跌水為135。

雖然跌水曝氣能夠有效改善進(jìn)水端溶解氧水平，但受場(chǎng)地條件和衛(wèi)生條件限制，跌水曝氣技術(shù)適用范圍有限。

3.3機(jī)械曝氣增氧

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者采用人工增氧的方法來(lái)提高濕地的污水處理能力。孫亞兵等[18]利用改進(jìn)型自動(dòng)增氧潛流人工濕地處理模擬生活污水，NH+4-N的平均去除率為88.93%，但系統(tǒng)后期出水均不穩(wěn)定；Claudiane等[19]采用空氣泵對(duì)人工濕地進(jìn)行強(qiáng)制增氧，結(jié)果表明，污水TKN去除率提高了9.4%，但是污水處理費(fèi)用大大增加；Nivala等[20]用曝氣水平潛流濕地處理垃圾填埋場(chǎng)滲濾液，發(fā)現(xiàn)在曝氣下取得了很高的氨氮與BOD5去除率；Ouelle-tPlamondon等[21]在種植了菖蒲的水平流濕地模型進(jìn)水端人工曝氣，取得了較高的COD和總氮的去除率；Lahav等[21]利用自創(chuàng)的被動(dòng)增氧技術(shù)在垂直流濕地床模型中進(jìn)行試驗(yàn)，取得了300g·（m2·d）-1的氮去除負(fù)荷；鄢璐等[22]通過對(duì)復(fù)合潛流濕地前端進(jìn)行強(qiáng)化供氧，顯著提高了有機(jī)質(zhì)和總氮的去除率。

除上述強(qiáng)化復(fù)氧技術(shù)外，多點(diǎn)進(jìn)水、出水回流等技術(shù)也能在一定程度上改善濕地內(nèi)溶解氧水平。濕地溶解氧水平除受人為因素影響，也受到多種自然因素的影響，如溫度、光強(qiáng)等。總的來(lái)說(shuō)，上述強(qiáng)化復(fù)氧措施對(duì)人工濕地溶解氧環(huán)境和凈化效果均有不同程度影響，采取這些措施時(shí)，必須結(jié)合濕地規(guī)模、場(chǎng)地條件、衛(wèi)生條件要求等實(shí)際情況。

4強(qiáng)化通氣復(fù)氧構(gòu)造設(shè)計(jì)構(gòu)想

在前文所述的強(qiáng)化復(fù)氧技術(shù)中，間歇式運(yùn)行更符合人工濕地低能耗運(yùn)行的基本特點(diǎn)，對(duì)于分散式小規(guī)模的人工濕地，復(fù)氧技術(shù)運(yùn)用更具靈活性。筆者提出了一種基于間歇式運(yùn)行的改良小型人工濕地用于分散式污廢水處理回用的設(shè)計(jì)構(gòu)想。以海南生態(tài)旅游島生態(tài)民宿為研究樣本，就地處理回用一家一戶的優(yōu)質(zhì)雜排水，達(dá)到景觀回用水標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下。

4.1設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

設(shè)計(jì)水量：

Qw=η1·η2·m·qd

式中：Qw為設(shè)計(jì)水量，m3/d；η1為水量折減系數(shù)，即污水量占用水量的比例，取0.9；η2為雜排水比例系數(shù)，即優(yōu)質(zhì)雜排水比例占污廢水量的比例，取0.65；qd為用水定額，按照別墅用水定額上限取350L/人·d；m為用水人數(shù)，取6，Qw=1.23m3/d。

水質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)及處理目標(biāo)。

根據(jù)實(shí)地水質(zhì)檢測(cè)和文獻(xiàn)查閱，確定原水水質(zhì)指標(biāo)、回用水水質(zhì)目標(biāo)及人工濕處理負(fù)荷等設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

4.2基本結(jié)構(gòu)尺寸

4.2.1人工濕地表面積

表面積設(shè)計(jì)考慮最大污染負(fù)荷和水力負(fù)荷。人工濕地污染負(fù)荷有BOD5表面負(fù)荷、CODcr表面負(fù)荷、TN表面負(fù)荷、NH+4-N表面負(fù)荷、TP表面負(fù)荷，用污染負(fù)荷計(jì)算人工濕地面積為：

A=Q（C0-Ce）N

式中：Q為污水流量，m3/d；C0為進(jìn)水污染物濃度，mg/L或g/m3；Ce為出水污染物濃度，mg/L或g/m3；N為污染物表面負(fù)荷，g/m2·d，取值見表1。

用水力負(fù)荷計(jì)算人工濕地面積為：

A=QNq

式中：Nq為水力負(fù)荷，L/m2·d，取值見表1。輸入表1設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)最大污染負(fù)荷計(jì)算和水力負(fù)荷校核，濕地面積取6m2。

4.2.2人工濕地深度

人工濕地設(shè)計(jì)深度為：

h=T·QA·n

式中：h為人工濕地深度，m；T為水力停留時(shí)間，d，取2d；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/d；A為人工濕地表面積，m2；n為人工濕地填料孔隙率，取0.4。

計(jì)算得設(shè)計(jì)深度h=1.025m，本設(shè)計(jì)中取h=1m，超高為0.2m。設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)見表2。

4.3強(qiáng)化通氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，濕地尺寸較小，結(jié)構(gòu)形式靈活。本設(shè)計(jì)采用模塊化的箱式結(jié)構(gòu)，沿人工濕地長(zhǎng)邊方向的側(cè)壁開孔，內(nèi)壁設(shè)網(wǎng)狀圍護(hù)防治土壤填料漏出，外壁設(shè)通氣集水槽，槽頂設(shè)格柵隔檔雜物墜入，工藝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1強(qiáng)化通氣的人工濕地結(jié)構(gòu)示意

穿孔通氣孔在人工濕地長(zhǎng)邊方向的側(cè)壁上沿基質(zhì)層深度方向均勻分布，由穿孔通氣口和通氣集水槽構(gòu)成的通氣系統(tǒng)能夠在濕地不同水位運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)揮通氣復(fù)氧效果，改善基質(zhì)層溶解氧水平，提高小型間歇式運(yùn)行或潮汐流運(yùn)行的人工濕地系統(tǒng)的復(fù)氧能力。

5結(jié)語(yǔ)

通過改善濕地工藝結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行條件以及采取適宜的強(qiáng)化復(fù)氧技術(shù)措施均可以不同程度改善濕地氧環(huán)境，從而提高人工濕地對(duì)污染物去除效率。對(duì)于強(qiáng)調(diào)低能耗甚至無(wú)能耗的污水生態(tài)處理技術(shù)而言，機(jī)械式強(qiáng)化曝氣供氧不具有廣泛推廣價(jià)值；跌水曝氣能夠有效提高進(jìn)水端復(fù)氧效果，但對(duì)濕地結(jié)構(gòu)及衛(wèi)生條件要求較高；間歇式運(yùn)行或潮汐流人工濕地兼具表流人工濕地和潛流人工濕地的特點(diǎn)，一定程度上客服了潛流人工濕地植物難以發(fā)揮作用的缺點(diǎn)和表流人工濕地厭氧環(huán)境處理效率低下的缺點(diǎn)，人工濕地干濕交替運(yùn)行同時(shí)也有利于基質(zhì)強(qiáng)化和再生，能夠有效提高人工濕地脫氮除污能力。endprint

筆者在總結(jié)人工濕地強(qiáng)化復(fù)氧技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種強(qiáng)化通氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想，適用于間歇式或潮汐流運(yùn)行的小型人工濕地系統(tǒng)，為該類型人工濕地強(qiáng)化復(fù)氧提供設(shè)計(jì)思路。

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