人工湿地处理技术在农村污水处理中的运用

袁敏航,王子涵,张 翀,刘晓静,夏 杨

1.中建生态环境集团有限公司,北京 100037 2.中国建筑基础设施事业部(中国建设基础设施有限公司),北京 100020

0 引言

国家统计局近年数据显示,我国目前的城市化率超过了60%。在城镇化高速发展的形势下,城镇污水处理效率也得到了极大提升。而作为一个农业大国,目前全国的成建制村的数量在百万以上,农村在污水处理基础设施建设方面较为落后,从而导致农村地区出现了相对严重的污水散排现象。根据2020年全国污染普查数据显示,在农村地区水污染物含量排放量中COD水污染物的占比达到了50%,明显超过城镇地区。因此在广大农村地区开展积极有效的生活污水处理非常有必要。

1 人工湿地的去污作用机理

1.1 人工湿地构成

1.1.1 植物

人工湿地系统中植物是非常重要的一个组成部分[1]。植物不仅可以直接吸收污水中的氮、磷等营养元素,同时可以有效控制污水中的重金属等有害物质。当处在低水力负荷的情况下,植物可以直接吸收污水中的硝态氮、磷酸盐等化合态氮和磷。植物发达的根系还可以对铁、铝等重金属元素形成有效吸收。另外植物根系上存在大量微生物,在湿地环境下微生物的繁殖和代谢发达,也可以发挥出净化水质的效果。

1.1.2 基质

人工湿地农场微生物和植物等都是以基质为基本生长要素。且基质内会发生大量的净化污水的物理、化学和生物反应。通过基质自身的吸附、沉淀和过滤作用可以直接发挥出污水净化效果。此外,微生物的分泌物可有效降解污水中的有机物和氮、磷等物质[2]。在选择人工实体基质填料的过程中应该以表面积大、吸附能力强、附着微生物能力强、易挂膜、化学性质稳定、使用寿命长等特征的基质为主。目前较为常用的人工湿地填料主要有建筑废渣、沸石、石灰石、锅炉废渣等。

1.2 人工湿地去污机理

1.2.1 有机物去除机理

污水中的有机物主要分为易溶和难溶2种。人工湿地处理系统中的填料、土壤、植物根系可有效吸附和拦截难溶性有机污染物,并通过微生物进行降解。而易溶性有机物则可通过微生物分解和植物吸收等方式去除。微生物分解过程主要分为厌氧和好氧2种反应。

与好氧反应过程相比较,厌氧反应过程更加缓慢、复杂,其反应过程主要包括水解复合反应、产酸产氢、产甲烷、还原脂肪酸产生甲烷等几个过程[3]。

1.2.2 氮元素去除机理

生活污水中主要有硝态氮、氨态氮、有机氮等几种氮元素存在形式。人工湿地中的微生物可通过反硝化、硝化和氨化症作用将氮元素化合物转化成氮气,最终完成脱氮处理。此外,人工湿地系统中的植物根系、基质也能对氮元素进行少量吸收。氨氮是农村污水中氮元素最主要的一种存在形式,因此,氮元素去除最主要的内容就是去除氨氮。

污水的pH值也会对氨氮挥发产生直接影响,当污水pH值处于8以下情况时,并不会发生明显挥发现象,但pH值达到9.3以上时,超过50%的氮元素存在于氨中,此时挥发效果会对氨氮去除产生明显影响。传统的人工湿地系统pH值通常处于8以内,因此氨氮挥发的影响完全可忽略。

2 人工湿地在农村污水生化处理中的应用试验

为探索人工湿地系统在农村污水生化处理中的应用效果,本文采用室内试验方式验证人工湿地对农村污水中各类污染物的去除效果。

2.1 污水处理室内试验

虽农村生活污水具有极强的可生化性,但整体污染浓度不高。试验主要针对污水中的总磷、总氮、氨氮、化学需氧量(CODcr)等4种污染物质的去除效果进行分析。在不同情况下对人工湿地系统进行调整来获取污染物平均去除指标。试验前先将生活污水水质进行分析待掌握其净化原理后,最终确定试验方案。试验选取某村镇污水处理站作为取样点,试验过程中模拟了波形上下折板潜流人工湿地系统,人工湿地植物选择绿萝,填料选择活性炭、沸石和生物陶粒等。通过不同工况,对农村生活污水处理规律进行了模拟试验。

2.2 水质分析

该污水处理厂主要采取的是微动力地埋式生态化污水处理技术。图1为该村镇污水处理的工艺流程图。

图1 污水处理的工艺流程图

经分析发现,该采样点的农村生活污水整体呈现棕黄色,有强烈臭味。取样后将样品放在实验室静置1 d,并未发现大量杂质,经分析发现,主要污染物为悬浮物、有机污染物、氮和磷等污染物质,污染源主要为农村厨余污水、厕所污水和洗漱等污水,具有极强的可生化性[4],其水质指标如表1所示。

表1 污水水质指标

2.3 进出水口位置试验结果分析

本次试验主要设置了0.1 m/d、0.2 m/d以及0.4 m/d这3种不同的水力负荷条件,在进出水方面主要设置了上进上出、上进下出、下进上处、下进下出4种不同方式。根据试验数据显示,采取上部进水方式后,3种不同水力负荷条件下,出水出口CODcr的浓度分别为45.14～53.27 mg/L、49.41～59.09 mg/L、58.84～68.10 mg/L,平均去除率达到67.66%、 64.27%、62.72%,且与水力负荷为0.2 m/d的情况相比较,当水力条件为0.1 m/d时,4种进出水方式CODcr去除率分别提升了5.66%、4.76%、3.39%、3.07%。同样采取上部进水方式,3种不同水力负荷条件下,出水总磷的浓度为0.76～0.84 mg/L、0.84～0.90 mg/L、1.08～1.35 mg/L,平均去除率达到66.37%、 65.01%、63.01%。且与水力负荷为0.2 m/d的情况下相比较,当水力条件为0.1 m/d时,4种进水出方式的总磷去除率分别提升了1.36%、0.83%、1.24%、1.04%。在水力负荷为0.4 m/d的情况下,出水水质只能达到二级标准,在3种不同水力负荷条件下,出水氨氮的浓度为9.16～10.26 mg/L、8.32～9.90 mg/L、9.92～10.88 mg/L,平均去除率达到43.97%、48.41%、48.25%。当水力负荷为0.2 m/d时,平均去除率分别比0.4 m/d、0.1 m/d时高出0.16%、4.44%。3种不同水力负荷条件下,出水总氮的浓度变化范围为16.71～18.04 mg/L、18.03～19.25 mg/L、19.11～21.08 mg/L,平均去除率达到38.74%、36.66%、36.97%。当水力负荷为0.1 m/d时,平均去除率分别比0.2、0.4 m/d时高2.08%、1.77%。

2.3.1 化学需氧量(CODcr)去除效果分析

当水力负荷条件为0.1、0.2 m/d时,水质处理效果差异不明显,但水力负荷条件达到0.4 m/d时,水质指标明显下降。且当水力负荷条件为0.1 m/d时CODcr去除效果提升非常明显。由此可见,从水利负荷条件层面来看,0.1 m/d条件下CODcr去除效果明显更好。根据对于试验数据进行分析后发现,当水力负荷处于0.1 m/d条件时,采取上部出水方式能够达到更好的去除效果,由此证明采取上部进水方式能取得更佳效果。这主要是因为,水力负荷较小的情况下采取上部出水的布置方式能够进一步延长污水在系统内的流程,这样可以保证污水与填料充分接触,因此原料对CODcr的吸附作用明显增加。且水力负荷较小的情况下,采取上部出水的方式微生物代谢作用也可以得到促进,CODcr去除效果相应提升[5]。

2.3.2 总磷(TP)去除效果

当水力负荷条件为0.1、0.2 m/d时水质处理效果差异不明显,但水力负荷条件达到0.4 m/d的情况下水质指标明显下降。从去除率层面来看,水力负荷条件0.1 m/d与0.2 m/d相比较,水力负荷条件为0.1m/d时TP去除效果有明显提升。且根据4种不同进出水口位置的对比结果可发现,水质处理效果最好的为上部进水-下部出水模式,可见TP去除效果会受到进水口设置条件的较大影响。综合来看,由于农村生活污水中的TP主要依靠填料进行吸附拦截与上下部进出水方式设置,与基质的接触更加充分,吸附效果将更加明显[6]。

2.3.3 氨氮(NH3—N)去除效果

根据试验结果显示,在水力负荷条件不同的情况下,污水清处理水质均达到一级b标准,其中,当水力负荷条件为0.1、0.2 m/d时,NH3—N出水浓度非常接近,平均去除率非常相似。但当水力负荷条件为0.1 m/d时,NH3—N出水浓度远远小于0.4 m/d条件时,NH3—N平均去除率相对更高。分析发现,与其他指标相比较,NH3—N去除效果会受到进水NH3—N浓度的极大影响,进水浓度越高平均去除效率越高,但从总体层面来看,NH3—N去除效果最好的为上部进水-下部出水,且水力负荷条件为0.2 m/d。主要是因为这种进出水方式可保障NH3—N在前端与外界空气充分联通,且能够适当补充污水中的溶解氧,从而进一步提升了磷化细菌对氨氮的降解率。

2.3.4 总氮(TN)去除效果

从水质处理情况分析可知,TN去除效果最好的水力负荷条件为0.1 m/d,当水力负荷升高时,去除效果明显下降。从进出水口位置对去除效果的影响层面分析可见,TN去除效果会受到进水口位置的极大影响。从综合层面来看,采取下部进水方式,且水力负荷条件为0.1 m/d时,TN去除效果明显更好,因下部进水时,系统进水端上部与外部空气可实现充分接触和联通,而上部进水方式使得进水端与空气接触受限,影响整个系统的溶解氧含量。当系统进入缺氧或厌氧环境时,反硝化细菌的脱氮效果更加明显,在水力负荷较低的情况下,污水在系统中停留时间更长,与反硝化细菌的接触也更加充分,因此去除效果更加明显。

3 结束语

目前农村地区的生活污水已经逐步成为我国生态污染的主要污染源之一,在农村污水处理过程中通过人工湿地技术的应用,同时结合其他先进污水处理工艺可以使农村污水排放现状得到有效改善,也可进一步提升农村水资源的保护力度,对促进农村生态系统健康发展具有重要作用。