潜流人工湿地废水处理技术的效能 4页

'维普资讯http://www.cqvip.com第19卷第2期吉林建筑工程学院学报v0I．19No．22002年6月JournalofJillnArchitecturalandCivilEngineeringInstituteJun．2002文章编号：1009．0185【2002)02．0007．04潜流人工湿地废水处理技术的效能*崔玉波李相猛2赵可3(1：吉林建筑工程学院环境工程系．长春130021；2：赤峰市元宝山区城建局，赤峰024000；3：哈尔滨工业大学市政环境工程学院。哈尔滨150090)摘要：人工湿地是一种很有前途的废水处理方法，利用人工湿地处理废水仍是一个相对较新的概念．可以将系统设计成能够最大程度地发挥天然湿地的物理、化学．以及生物潜能的工程系统．当废水缓慢流过系统时．BOD，TSS．TN．P及病原菌得以大部分去除．同时，通过沉淀和吸收可去除金属．主要污染物去除机理包括好氧和厌氧微生物转化、吸收、沉淀、挥发，以及化学转化等．关键词：潜流人工湿地；废水处理；性能中图分类号：x52文献标识码：人人工湿地是一种很有前途并引起广泛关注的技术．有史以来。天然湿地一直在净化着地表水，而利用人工湿地处理废水仍是一个相对较新的概念，越来越多的国家开始关注这种技术的发展与应用．潜流(subsurfaceflow，SF)人工湿地通常由一个或多个单元构成，周边和底部防水．每个单元充填粒状介质。如砾石。种植水生植物，如香蒲、芦苇等．将系统设计成能够最大程度地发挥天然湿地的物理、化学，以及生物潜能的工程系统。当废水缓慢流过系统表面时。可以去除大部分BOD，TSS，TN，P及病原菌，通过沉淀和吸收。还可去除金属．废水缓慢流过系统，典型的水力停留时间为3d～12d．污染物去除机理包括好氧和厌氧微生物转化、吸收、沉淀、挥发，以及化学转化(white，1995)．传统的废水处理，一般是借助于沉淀和曝气从废水中去除耗氧物质和潜在的有毒物质．但由于传统废水处理需要较高的能量消耗。以及维护、运行费用。使之初建费和运行费均较高．潜流人工湿地较传统的废水处理具有投资低和运行费用低等优点，因此，xCd,城区和农村的废水处理更具有吸引力．目前。美国、加拿大已有300多个湿地废水处理系统，欧洲有500多个，其规模小自40m2，大至1000多公顷。用于处理城市污水、农业排水、垃圾渗滤液，以及雨水等等．1潜流人工湿地的效能潜流人工湿地是由卡塞尔大学的Kickuth教授于二十世纪60年代在德国开发出来的(Conley，1991)，是人工湿地废水处理技术的两种主要形式之一．另一种为自由水面系统(freewatersystem，FWS)．自由水面系统具有自由水面。类似于工程化的沼泽池．潜流系统需种植水生植物，如香蒲、芦苇等．自由水面人工湿地在美国很流行。尤其是用于营养物的去除．而潜流系统在欧洲、澳大利亚，以及南非等地被广泛采用(wood，1995)，近年在美国的利用数量也在增加．如果处理等量的废水，潜流系统用地要比自由水面系统少，而且，运行维护时前者也较后者简单．此外，自由水面系统多发的臭味和蚊蝇滋生在潜流系统中很少出现．尽管两个系统都附带美化环境和为各种生物提供栖息环境的功能。但潜流人工湿地似乎更优．潜流人工湿地的主要污染物去除机理是微生物转化、矿化和物理化学过程(包括吸收、沉降、挥发、蒸腾和沉淀)(Gerberg，1986)．BOD去除主要包括好氧呼吸和厌氧消减(Kadlec，1995)．进水和植物分解为湿地提供碳源。考虑到废水中BOD从废水中的有效去除。湿地中的碳循环有部分量的损失．湿地中BOD的去除很收稿日期：2001—05—09．作者简介：崔玉波．(1968-)．男．内蒙古林西县人．剐教授．硕士·吉林建筑工程学院青年基金项目 维普资讯http://www.cqvip.com8吉林建筑工程学院学报第19卷迅速。约50％的进水BOD在处理床体头几米内即可除去．典型的出水BOD浓度约为10rag／L(Reed，1995)．悬浮固体更易去除，一般出水值低于10rag／L．为防止在进水口附近发生堵塞，进水之前必须设置预处理以降低总固体浓度，一般设置沉淀池即可(Harrison，1997)．通过沉淀、过滤、吸收、捕食，以及死亡等作用，系统中的病原菌将减少(Reed，1995)．据报道，1996年7月间，印地安纳洲拉格兰奇的Fish—Royer湖潜流式人工湿地系统出水大肠杆菌数仅为3．6个／mL．去除磷的主要机理为土壤或颗粒介质的吸附、植物吸收和沉淀储存．一般湿地对磷的吸附能力受限于饱和前的几个月(Kadlec，1995)，但还没有资料表明对磷去除能力的准确估计．植物吸收有限，而且需要定期收割以防止磷的再释放．总之，潜流系统可以去除部分磷，去除率一般在30％-40％左右．潜流系统也可去除一定量的金属，其主要去除机理为离子交换、植物吸收、化学沉淀和微生物氧化后的沉淀等．发生在叶片及根系的金属离子沉积层，以及微生物对离子和锰的氧化，对微生物活动过程起到重要作用．最近。有人通过燃烧藻细胞分析胞外沉积层，也有报导说悬浮藻细胞内含有胞内结晶体，这表明藻类死亡、沉淀。以及埋藏，可以将金属稳定很长时间，这个过程类似于沼铁矿的形成过程．植物吸收所去除的金属可以再释放。但微生物氧化的金属是热动力学稳定的．2潜流人工湿地中的硝化一反硝化作用由于氨氮对鱼类有毒害作用，而且耗氧高，又是淡水富营养化的主要贡献者，故排放到地表水后会引起不良反应．硝酸盐对人类尤其是婴儿有害，也不宜排向地下水．45mg／L硝酸盐(含10mg／LNO3一N，饮用水的上限浓度)，可能引起“蓝孩”综合症，这一病症多发于小于3个月的婴儿，但到6岁前都有影响(Salvato，1992)．氮的去除一直是潜流人工湿地效能的限制性因素，尤其是在冬季．一般TN去除率为44％，NH3一N去除率为45％．但部分系统具有较高的去除率，NH3一N去除率达94％，TN去除率达64％(Watson，1989)，表明获得较高的氮去除率是可能的．与传统的废水处理厂不同。潜流人工湿地可以同时发生硝化和反硝化作用．废水流过植物的根系区，进人微氧环境。在这里发生硝化作用．植物根系也为硝化细菌栖息提供了丰富的表面．当废水流出根系区而进人纯土层(缺氧和厌氧环境)，反硝化作用就会很快发生．因此，影响氮去除的主要限制过程是氨的硝化作用，而冬季较低的气温抑制硝化作用和植物根系放氧作用时，这种限制会更大．预处理后，城市污水中TN的大部分是游离的氨(NH3或NH4)．据Wittgren等人报导，进人潜流人工湿地23．4mg／L的TN有18．6rag／L(79％)的游离氨，其余的21％为有机氮和少量的硝酸盐和亚硝酸盐．有人研究了不同进水流量对湿地内溶解氧含量的影响．研究表明，进水流量不同，进而水位不同，对床体内的硝化速度或溶解氧量很少或没有影响(Ries，1997)．有研究采取预曝气、回流及其它复杂系统来改善硝化作用，也有通过机械方法来改善的，但这与人工湿地低投资、管理简单等优点相悖．为了既提高硝化效率，又保持系统的简捷性，需要研究选择湿地植物以最大化处理区内的好氧区．3湿地植物湿地植物是湿地处理系统最明显的生物特征，但植物吸收对污染物的去除只占污染物去除的一小部分．研究表明。使用未种植植物的床体对污染物也能起到去除作用，但种植植物的效果要好2～3倍．植物根系提供了放氧表面。利于生物和化学转化．故根系放氧和为微生物栖息提供空问是湿地植物的主要功能．另外，通过根系的生长、死亡和代谢来维持床体较好的水力传导性，腐烂的根叶为反硝化细菌提供了必要的碳源．J．FNew及其合作者的研究表明，具有浓密和较长根系的湿地植物对潜流人工湿地较为理想．目前，他们正在研究大根系水生植物对硝化作用的影响．确定了根系量或密度是潜流人工湿地处理系统去除BOD和氨能力的主要影响因素，为优化床体内氧的传递。还需要研究有关植物学的其它相关课题．大部分有关根系区的研究成果已应用于农业，例如，发生于未饱和土壤层中的固氮作用．一个重要的生物学课题是通气组织的作用，通气组织是存在于所有植物体内的、 维普资讯http://www.cqvip.com第2期崔玉波．李相猛，赵可：潜流人工湿地废水处理技术的效能9并具有在植物体内传递气体的大量空间的结构．为了解植物根系与环境的关系，有必要确定氧释放量和研究充氧区动力学．通气组织起到了将氧从大气传递到根系区和将二氧化碳从根系区传递到大气的疏通管道作用．但有关湿地植物氧传递量和氧传递潜能的研究报导较少．Christensen提供了可能应用于大多数湿地植物的很有意义的数据．根系好氧区的厚度从夜间的0．5mm到白天日照几个小时后的5nln1．如考虑潜流人工湿地设计为间歇进水或预测季节性的效果，这些昼夜间的影响是很重要的．研究表明。在光照条件下每厘米新生长植物根茎所释放的氧是老植物的两倍．在白天。根系的溶解氧比大气的饱和氧含量高(Christensen，1994)．这表明，如果是为硝化目的，除了考虑植物根系密度，根系表面积和地下茎(引起氧扩散进入根系的结构)也是选择湿地植物的主要指标．根系表面积、地下茎密度和根系密度具有明显的相关性，但针对不同植物，这种相关性需要进一步研究．另外，通过植物种类选择或植物管理激发新根生长来提高氧的传递，并进而提高硝化作用。需进一步研究．4结论有两个因素可能影响到潜流式人工湿地处理系统的未来发展。一个是政府的规定；另一个是改进性能的研究。尤其是处理氨氮能力的提高．这一新技术需要一个新管理系统，以确保地下水和地表水免受污染．潜流式人工湿地系统的管理需要考虑三个关键因素：(1)蒸发蒸腾作用影响系统性能的定量化研究；(2)人工湿地对进水水质变化和温度变化的不可调节性；(3)大多数现存的人工湿地并没有代替传统的废水处理。而只是代替了个别的氧处理系统．蒸发蒸腾作用使得潜流人工湿地性能的定量化只基于进水污染物浓度并不太合适．例如。系统进水TN为80mg／L。出水为40mg／L。显然处理效果不好．但在夏季，蒸发蒸腾作用可以使废水浓缩5倍(80％的进水损失)．以质量计。系统去除了90％的氮。也就是说相当于进水TN80mg／L，出水8mg／L．而沉淀的作用正好相反．因此。人工湿地应基于质量标准来判断，这一点文献中很少报导．潜流人工湿地对氨氮的去除能力随季节而变．通过地下水模型预测。在水质受污染可能性非常小的地方，只要年均氮量保证在地下水水质免受污染之内。冬季可以接受较高的出水氮的浓度限制。这是非常有利的．但如果系统出水排向地表水。则要考虑毒害作用。所以，出水水质的可变动性较小．研究表明，潜流人工湿地能够有效地处理废水，其出水水质远远优于厌氧处理系统．但缺点是不能保持较高的氨氮去除率。尤其是在冬季，这成为该技术的限制性因素．改善系统的硝化能力是未来的研究重点之一．通过适合的植物选择和管理技术，以最大化床体单位体积的根系表面积，以及床体设计(优化深度、HRT和介质)将需深入研究．根据植物种属不同或针对不同处理目标，为改善处理区而进行床体深度变化的研究，也是需要进一步加强的．除了处理城市污水。该系统还用于处理农业排水、雨水、垃圾渗滤液和小量的工业废水．参考文献[1]White，K．(1995)Enhancen1entofNitrogenremovalinsubsurfaceflowconstructedwetlandsemployinga2一stageconfiguration．anurIsatu．ratedzoneandrecirculation．WaterScienceandTechnology．32(3)．59-67．[2]Conley，L．Dick．R．andLion．L．(1991)Anassessmentoftherootzonemethodofws~tewatertreatment．ResearchJournalofthewaterPo1．1utionControlFederation．63．239—247．[3]Wood．A．(1995)Constructedwetlandsinwaterpollutioncontrol：FundamentalstOtheirunderstanding．WaterScienceandTechnology．32(3)．21—29．[4]Gersberg，R．．Elklns．B．．Lyon，S．andGoldman．C．(1986)Roleofaquaticplantsinwastewatertreatmentbyartificialwetlands．WaterRe．search．2O．363—368．[5]Kadiec．H．(1995)Overview：Surfaceflowconstructedwetlands．WaterScienceandTechnology．Vo1．32(3)，1—12．[6]Reed．S．，Crites．R．＆Middlebroks．J．(1995)NaturalSystemsforWasteManagement．SecondEditon．McGraw—HillInc．NewYork．NY[7]Harrison，M．(1997)J．F．NewldA．~．sociates．PersonalConmatmications． 维普资讯http://www.cqvip.com吉林建筑工程学院学报第19卷[8】Salvato．J．(1992)EnvironmentalEngineeringandSanitation．ForthEdition．JohnWiley＆Inc．NewYork．NY[9】Watson．J．．Reed．S．。Kadlec。R．。Knight．R．andWhithouse．A．(1989)Performanceexpectationsandloadingratesforconstructedwet-lands．ConstructedWetlandsForWastewaterTreatment．D．Hammer．LewisPublishers。Inc．．319～351．[10】Wittergen．H．andTohiason．S．(1995)Nitrogenremovalfrompretreatedwastewatersinsurfaceflowwetlands．WaterScienceandTech·nology．32(3)．69～78．[11】Christensen。P．．Revsbech．N．andSand—Jensen。K．(1994)MicrosensoranalysisofoxygenintherhizosphereoftheaquaticmacrophyteLittorellauniflora(L．)Ascherson．PlantPhysiology．105．847～852．ThePerformanceofConstructedSubsurfaceFlowWetlandForWastewaterTreatmentCUIYu—bo，LIXiang—meng，ZHAOKes(1：DepartmentofEnvironmentalEngineering。JilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute。Changchun130021；2：UrbanConstructionBureau。Yuanboshan，C^ng024000；3：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，HarbinInstituteofTechnology。Harbin150090)Abstract：Constructedwetlandsystemsareapromisingwastewatertreatmenttechnology．Theconceptofcon-struetedwetlandsforwastewatertreatmentisstillarelativelynewidea．Thesystemsaredesignedtomaximizethephysical，chemicalandbiologicalabilitiesofnaturalwetlandstoreducetheBOD，TSS，TN，P，andpathogensaswastewaterflowsslowlythroughthevegetatedsubsurface．Precipitationanduptakeofmetalsarealsopossible．Themechanismsofpollutantremora1inSFwetlandsincludebothaerobicandanaerobicmierobiologiea1eonver．sions，sorption，sedimentation，volatilizationandchemica1transformations．Kcywords：constructedsubsurfaceflowwetlands；wastewatertreatment；performance'