人工濕地處理農村生活污水的調查研究

呂 倩,方宏萍,李桂賢,羅婷婷,陳梅梅,杜麗鵑

(1.貴州理工學院資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州中節能天融興德環?？萍加邢薰?貴州 貴陽 550002)

0 引言

我國農村每年產生約200億～300億噸生活污水,治理率不到20%,大部分生活污水未經處理就直接排入河流和池塘等地表水體中,污染環境,對居民生活質量造成影響[1],因此如何處理農村生活污水,成為農村環境治理的一大問題[2]。城鎮生活污水的排放量變化較顯著、排放時間較為規律,且全年基本無較大波動。相比較起來,農村地區與城鎮地區的經濟發展水平有一定的差距。具體來看,主要是居民的生活習慣規律性不強,以及農村的生活污水的生成方式復雜,并且水質水量變化幅度大,收集較困難等問題[3],而人工濕地技術是一種生態型污水處理工藝,它不僅可以通過凈化作用,將污水資源化,防止環境再次遭受污染,而且環境價值、經濟效益極高,對處理農村生活污水有著極大幫助[4]。

1 農村生活污水的處理現狀

農村地區缺乏生活污水收集管網系統及集中處理設施,且居住較為分散,生活污水集中收集困難,大部分生活污水未經處理就排入明渠暗溝等地[5],各種污水混雜在一起,滋生細菌,產生惡臭氣味,危害人體健康,破壞生態環境[6]。農村生活污水迫切需要治理,人工濕地處理技術的建設成本低,維護簡單,管理方便,脫氮除磷效果較好,廣泛應用于農村生活污水的處理[7]。

2 人工濕地技術概述

2.1 人工濕地技術的原理

人工濕地主要由水體、飽和基質、植物、微生物等組成[8],通過過濾、吸附、沉淀、氧化還原、離子交換、植物吸收和微生物分解等作用實現對污水的高效凈化[9]。此技術運用物種協同作用、質量守恒原理、生物結構與功能協調原則,不僅可以將污水資源化,防止環境的再污染,保障人類擁有適宜的生存環境,還能實現效益最大化[10]。

2.2 人工濕地的類型

人工濕地按照流動方式分類,一般分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地等[11]。

2.2.1 表面流人工濕地

表面流型人工濕地不需要額外的物料作為基質,只需要低洼等地段簡單設計,便完成初步設計,形成人工濕地。在構造和流態方面,表面流型人工濕地是各類型人工濕地中最接近自然濕地的一種類型[12]。表面流型人工濕地投資少,具有防洪、泄洪功能,可栽培植物,對環境具有美化作用[13]。Wu等[14]研究了表面流人工濕地的生物質,新鮮生物質的碳釋放率顯著高于枯萎生物質的釋碳率,而氮的釋放率則呈現相反的趨勢。與枯萎生物質相比,新鮮生物質有著更高的生物利用率。生物質的添加使系統中黃桿菌和假單胞菌等反硝化細菌的相對豐度顯著增加。添加新鮮和枯萎生物質的濕地對總氮(TN)的去除率均有所提高,分別為51.59%和42.25%。Fan等[15]在表面流人工濕地中添加菖蒲,研究發現菖蒲生物量分解后具有高總有機碳/總氮(TOC/TN),表明其可以作為反硝化碳源。加入菖蒲生物質后,TN的去除率和負荷大大提高,分別為58.7%和3.07 g/(m2·d),顯著提高了表面流人工濕地系統的反硝化效率。通過微生物群落分析確定反硝化細菌(即黃桿菌、脫氯單胞菌和芽胞菌)的含量有所增加,進一步證明了菖蒲作為反硝化外部碳源的應用潛力。

2.2.2 水平潛流人工濕地

水平潛流型人工濕地結構分為上下層,上層為土壤,下層為易于使水流通的介質。水平潛流人工濕地是目前全球比較流行的污水處理系統[16]。在處理低C/N污水時,胡曼利等[17]在水平潛流人工濕地分別添加玉米芯和稻草秸稈作為補充碳源,研究發現,玉米芯和稻草秸稈經11 d的純水浸泡后累計釋放C/N平均值分別為94.78和63.64;濕地運行為期58 d后發現,相比添加稻草秸稈,添加玉米芯可以使亞硝酸鹽氮(NO2--N)的濃度顯著降低,改善濕地中NO2--N的蓄積現象;與對照組相比,添加玉米芯和稻草秸稈后TN去除率分別提高了14.01%和5.78%。因此,玉米芯更適合作為外加碳源,能夠加強反硝化作用。除此之外,通過對人工濕地的研究,王文東等[18]自主研發并申請發明了專利“表潛結合式”人工濕地,將兩種濕地有機地融為一體,不僅對COD和NH3-N有較好的去除效果,使水質達到地表水Ⅳ類標準,而且有效減少占地面積,形成極佳的景觀效果。

2.2.3 垂直流人工濕地

垂直流人工濕地的原理是當污水經過系統時,通過吸收或分解污水的污染物與有機物,實現凈化效果。垂直流人工濕地滲濾速率比水平流人工濕地更快,具有優良的氧轉移特性[19],一般用于處理氨氮含量較高的污水,在去除脫氮除磷方面有明顯優勢,但控制相對復雜,建設成本較大[20]。Zheng等[21]研究堿預處理蘆葦作為植物基碳源對綜合垂直流人工濕地系統脫氮過程的增強作用及其機制。結果表明,化學需氧量(COD)和水中氨氮NH4+-N的去除率約為98.0%。堿預處理蘆葦對NO3-N和TN的去除效率分別提高到了95.5%和93.7%。植物基碳源釋放的有機物中,與羧基官能團密切相關的低分子量有機質具有較高的生物利用度。16SrRNA基因測序結果表明,植物性碳源可使脫氮功能微生物屬的相對豐度提高至24.12%。因此,總氮(TN)去除率從47.77%顯著增加到89.10%,主要是由于反硝化作用從0.16 mg/L顯著增加到14.11 mg/L,厭氧氨氧化量從0.18 mg/L顯著增加到1.73 mg/L。蔣興一等[22]構建有PHBV(3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯共聚物)顆粒作為釋放碳源的模擬垂直流人工濕地,發現添加錳砂能夠加速水中氨氮的轉化,尤其是水中氨氮含量較少的情況下。研究表明,添加錳砂后垂直流人工濕地出水中溶解氧(DO)含量偏大,其增大幅度隨水力停留時間(HRT)的減少而增加;當氨氮進水濃度為15 mg/L、硝態氮進水濃度為15 mg/L,HRT為48 h時,添加錳砂和PHBV顆粒的垂直流人工濕地對水中總氮的去除具有顯著優勢。

3 人工濕地在農村生活污水處理的應用分析

農村地區居住分散,用水時段不集中,且地形復雜,而人工濕地技術具有建設成本低、工藝比較簡單、維護方便等優勢,可以很好地滿足農村生活污水處理的需求。人工濕地在農村推廣具有技術優越性、經濟適宜性、操作簡便性,對于分散式居住且未建設污水處理設施的地區,具有良好的應用前景,真正做到了因地制宜[23]。因此建議加大人工濕地在農村地區的建設力度,積極推廣。

針對比較集中的農村用戶,貴州省某農村地區采取多功能調節池+潛流人工濕地綜合處理工藝處理污水,處理規模為5 t/d,污水經多功能調節池混合后流向水平潛流濕地系統(設計1.2 m深石灰石碎石填料,填料上層種植蘆葦、水蔥、香蒲、鳶尾等挺水植物),經植物根系的吸收、填料的吸附、微生物的降解等作用后出水排入下游的表面流人工濕地,水質得到明顯改善,具體指標如表1所示。工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程

表1 工程完成后進出水各項指標

針對散戶,貴州某農村地區采取地溝式人工濕地處理系統,工藝流程如圖2所示,污水先進入厭氧調節池,厭氧調節池主要起降低SS及均化水質的作用,減輕后續地溝式人工濕地處理系統的污染物負荷,防止地溝式人工濕地處理系統因懸浮物堵塞。通過厭氧調節池的出水至地溝式人工濕地處理布水系統,布水系統將水均勻分配到地溝式人工濕地處理系統中,實現對地溝式人工濕地系統的間歇性布水。布水系統將污水分配到地溝式人工濕地處理系統中,在土地系統中利用土壤-微生物-植物組成的生態系統將污水中的大部分污染物質去除。后續污水進入清水池,處理后的污水用于農灌或綠化用水。該人工濕地系統接受污水的COD、TP、TN含量分別為126.90 mg/L、8.25 mg/L和149.89 mg/L,經地溝式人工濕地處理系統處理后COD、TP和TN的去除率分別為65.42%、88.58%和86.46%,達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB52 1424—2019)三級標準。

圖2 地溝式人工濕地處理系統工藝流程

在運行過程中,人工濕地技術也出現了一些問題,例如,容易產生淤泥堆積從而造成堵塞、污水路徑較短、受種植物種以及溫度的影響較大,對此在使用人工濕地時,可搭修建溫室,采用折流,增加水力停留時間,科學栽培濕地植物,加強預處理,及時清理淤泥,提高人工濕地的抗沖擊性。

4 結語

目前,我國大多數農村多數地區污水處理基礎設施不完善,仍采用無序排放,因此解決農村生活污水處理問題刻不容緩。人工濕地技術具有環境效益和經濟效益,但如何更好地利用這項技術對農村生活污水進行治理,還需要重點關注和研究以下幾個方面:

(1)建立人工濕地模型,對污水處理的量及處理物質進行精確分析。

(2)分析微生物、溫度、濕度、光照等因素對人工濕地去除污染物能力的影響。

(3)合成并研究基質的通透性、比表面積和吸附能力等,以便創造適合微生物生長的土壤條件,提高脫氮除磷能力。

(4)優化人工濕地床體結構、工藝流程以及布置形式等。