人工濕地處理技術在農村污水處理中的運用

袁敏航,王子涵,張 翀,劉曉靜,夏 楊

1.中建生態環境集團有限公司,北京 100037 2.中國建筑基礎設施事業部(中國建設基礎設施有限公司),北京 100020

0 引言

國家統計局近年數據顯示,我國目前的城市化率超過了60%。在城鎮化高速發展的形勢下,城鎮污水處理效率也得到了極大提升。而作為一個農業大國,目前全國的成建制村的數量在百萬以上,農村在污水處理基礎設施建設方面較為落后,從而導致農村地區出現了相對嚴重的污水散排現象。根據2020年全國污染普查數據顯示,在農村地區水污染物含量排放量中COD水污染物的占比達到了50%,明顯超過城鎮地區。因此在廣大農村地區開展積極有效的生活污水處理非常有必要。

1 人工濕地的去污作用機理

1.1 人工濕地構成

1.1.1 植物

人工濕地系統中植物是非常重要的一個組成部分[1]。植物不僅可以直接吸收污水中的氮、磷等營養元素,同時可以有效控制污水中的重金屬等有害物質。當處在低水力負荷的情況下,植物可以直接吸收污水中的硝態氮、磷酸鹽等化合態氮和磷。植物發達的根系還可以對鐵、鋁等重金屬元素形成有效吸收。另外植物根系上存在大量微生物,在濕地環境下微生物的繁殖和代謝發達,也可以發揮出凈化水質的效果。

1.1.2 基質

人工濕地農場微生物和植物等都是以基質為基本生長要素。且基質內會發生大量的凈化污水的物理、化學和生物反應。通過基質自身的吸附、沉淀和過濾作用可以直接發揮出污水凈化效果。此外,微生物的分泌物可有效降解污水中的有機物和氮、磷等物質[2]。在選擇人工實體基質填料的過程中應該以表面積大、吸附能力強、附著微生物能力強、易掛膜、化學性質穩定、使用壽命長等特征的基質為主。目前較為常用的人工濕地填料主要有建筑廢渣、沸石、石灰石、鍋爐廢渣等。

1.2 人工濕地去污機理

1.2.1 有機物去除機理

污水中的有機物主要分為易溶和難溶2種。人工濕地處理系統中的填料、土壤、植物根系可有效吸附和攔截難溶性有機污染物,并通過微生物進行降解。而易溶性有機物則可通過微生物分解和植物吸收等方式去除。微生物分解過程主要分為厭氧和好氧2種反應。

與好氧反應過程相比較,厭氧反應過程更加緩慢、復雜,其反應過程主要包括水解復合反應、產酸產氫、產甲烷、還原脂肪酸產生甲烷等幾個過程[3]。

1.2.2 氮元素去除機理

生活污水中主要有硝態氮、氨態氮、有機氮等幾種氮元素存在形式。人工濕地中的微生物可通過反硝化、硝化和氨化癥作用將氮元素化合物轉化成氮氣,最終完成脫氮處理。此外,人工濕地系統中的植物根系、基質也能對氮元素進行少量吸收。氨氮是農村污水中氮元素最主要的一種存在形式,因此,氮元素去除最主要的內容就是去除氨氮。

污水的pH值也會對氨氮揮發產生直接影響,當污水pH值處于8以下情況時,并不會發生明顯揮發現象,但pH值達到9.3以上時,超過50%的氮元素存在于氨中,此時揮發效果會對氨氮去除產生明顯影響。傳統的人工濕地系統pH值通常處于8以內,因此氨氮揮發的影響完全可忽略。

2 人工濕地在農村污水生化處理中的應用試驗

為探索人工濕地系統在農村污水生化處理中的應用效果,本文采用室內試驗方式驗證人工濕地對農村污水中各類污染物的去除效果。

2.1 污水處理室內試驗

雖農村生活污水具有極強的可生化性,但整體污染濃度不高。試驗主要針對污水中的總磷、總氮、氨氮、化學需氧量(CODcr)等4種污染物質的去除效果進行分析。在不同情況下對人工濕地系統進行調整來獲取污染物平均去除指標。試驗前先將生活污水水質進行分析待掌握其凈化原理后,最終確定試驗方案。試驗選取某村鎮污水處理站作為取樣點,試驗過程中模擬了波形上下折板潛流人工濕地系統,人工濕地植物選擇綠蘿,填料選擇活性炭、沸石和生物陶粒等。通過不同工況,對農村生活污水處理規律進行了模擬試驗。

2.2 水質分析

該污水處理廠主要采取的是微動力地埋式生態化污水處理技術。圖1為該村鎮污水處理的工藝流程圖。

圖1 污水處理的工藝流程圖

經分析發現,該采樣點的農村生活污水整體呈現棕黃色,有強烈臭味。取樣后將樣品放在實驗室靜置1 d,并未發現大量雜質,經分析發現,主要污染物為懸浮物、有機污染物、氮和磷等污染物質,污染源主要為農村廚余污水、廁所污水和洗漱等污水,具有極強的可生化性[4],其水質指標如表1所示。

表1 污水水質指標

2.3 進出水口位置試驗結果分析

本次試驗主要設置了0.1 m/d、0.2 m/d以及0.4 m/d這3種不同的水力負荷條件,在進出水方面主要設置了上進上出、上進下出、下進上處、下進下出4種不同方式。根據試驗數據顯示,采取上部進水方式后,3種不同水力負荷條件下,出水出口CODcr的濃度分別為45.14～53.27 mg/L、49.41～59.09 mg/L、58.84～68.10 mg/L,平均去除率達到67.66%、 64.27%、62.72%,且與水力負荷為0.2 m/d的情況相比較,當水力條件為0.1 m/d時,4種進出水方式CODcr去除率分別提升了5.66%、4.76%、3.39%、3.07%。同樣采取上部進水方式,3種不同水力負荷條件下,出水總磷的濃度為0.76～0.84 mg/L、0.84～0.90 mg/L、1.08～1.35 mg/L,平均去除率達到66.37%、 65.01%、63.01%。且與水力負荷為0.2 m/d的情況下相比較,當水力條件為0.1 m/d時,4種進水出方式的總磷去除率分別提升了1.36%、0.83%、1.24%、1.04%。在水力負荷為0.4 m/d的情況下,出水水質只能達到二級標準,在3種不同水力負荷條件下,出水氨氮的濃度為9.16～10.26 mg/L、8.32～9.90 mg/L、9.92～10.88 mg/L,平均去除率達到43.97%、48.41%、48.25%。當水力負荷為0.2 m/d時,平均去除率分別比0.4 m/d、0.1 m/d時高出0.16%、4.44%。3種不同水力負荷條件下,出水總氮的濃度變化范圍為16.71～18.04 mg/L、18.03～19.25 mg/L、19.11～21.08 mg/L,平均去除率達到38.74%、36.66%、36.97%。當水力負荷為0.1 m/d時,平均去除率分別比0.2、0.4 m/d時高2.08%、1.77%。

2.3.1 化學需氧量(CODcr)去除效果分析

當水力負荷條件為0.1、0.2 m/d時,水質處理效果差異不明顯,但水力負荷條件達到0.4 m/d時,水質指標明顯下降。且當水力負荷條件為0.1 m/d時CODcr去除效果提升非常明顯。由此可見,從水利負荷條件層面來看,0.1 m/d條件下CODcr去除效果明顯更好。根據對于試驗數據進行分析后發現,當水力負荷處于0.1 m/d條件時,采取上部出水方式能夠達到更好的去除效果,由此證明采取上部進水方式能取得更佳效果。這主要是因為,水力負荷較小的情況下采取上部出水的布置方式能夠進一步延長污水在系統內的流程,這樣可以保證污水與填料充分接觸,因此原料對CODcr的吸附作用明顯增加。且水力負荷較小的情況下,采取上部出水的方式微生物代謝作用也可以得到促進,CODcr去除效果相應提升[5]。

2.3.2 總磷(TP)去除效果

當水力負荷條件為0.1、0.2 m/d時水質處理效果差異不明顯,但水力負荷條件達到0.4 m/d的情況下水質指標明顯下降。從去除率層面來看,水力負荷條件0.1 m/d與0.2 m/d相比較,水力負荷條件為0.1m/d時TP去除效果有明顯提升。且根據4種不同進出水口位置的對比結果可發現,水質處理效果最好的為上部進水-下部出水模式,可見TP去除效果會受到進水口設置條件的較大影響。綜合來看,由于農村生活污水中的TP主要依靠填料進行吸附攔截與上下部進出水方式設置,與基質的接觸更加充分,吸附效果將更加明顯[6]。

2.3.3 氨氮(NH3—N)去除效果

根據試驗結果顯示,在水力負荷條件不同的情況下,污水清處理水質均達到一級b標準,其中,當水力負荷條件為0.1、0.2 m/d時,NH3—N出水濃度非常接近,平均去除率非常相似。但當水力負荷條件為0.1 m/d時,NH3—N出水濃度遠遠小于0.4 m/d條件時,NH3—N平均去除率相對更高。分析發現,與其他指標相比較,NH3—N去除效果會受到進水NH3—N濃度的極大影響,進水濃度越高平均去除效率越高,但從總體層面來看,NH3—N去除效果最好的為上部進水-下部出水,且水力負荷條件為0.2 m/d。主要是因為這種進出水方式可保障NH3—N在前端與外界空氣充分聯通,且能夠適當補充污水中的溶解氧,從而進一步提升了磷化細菌對氨氮的降解率。

2.3.4 總氮(TN)去除效果

從水質處理情況分析可知,TN去除效果最好的水力負荷條件為0.1 m/d,當水力負荷升高時,去除效果明顯下降。從進出水口位置對去除效果的影響層面分析可見,TN去除效果會受到進水口位置的極大影響。從綜合層面來看,采取下部進水方式,且水力負荷條件為0.1 m/d時,TN去除效果明顯更好,因下部進水時,系統進水端上部與外部空氣可實現充分接觸和聯通,而上部進水方式使得進水端與空氣接觸受限,影響整個系統的溶解氧含量。當系統進入缺氧或厭氧環境時,反硝化細菌的脫氮效果更加明顯,在水力負荷較低的情況下,污水在系統中停留時間更長,與反硝化細菌的接觸也更加充分,因此去除效果更加明顯。

3 結束語

目前農村地區的生活污水已經逐步成為我國生態污染的主要污染源之一,在農村污水處理過程中通過人工濕地技術的應用,同時結合其他先進污水處理工藝可以使農村污水排放現狀得到有效改善,也可進一步提升農村水資源的保護力度,對促進農村生態系統健康發展具有重要作用。