潜流人工湿地污水处理技术的效能与设计

2003年第2期ENVIRONMENTALSCIENCETRENDSNo12,2003潜流人工湿地污水处理技术的效能与设计

崔玉波　韩相奎　宋铁红

(吉林建筑工程学院环境工程系,吉林长春,130021)

【摘要】潜流人工湿地污水处理技术的研究和开发尚属较新领域,本文介绍了该技术处理污水的效能和设计参数模型,并分析提出了需要进一步解决的问题。

【关键词】潜流人工湿地;污水处理;效能;设计参数

中图分类号:X70311　　文献标识码:A　　文章编号:1003-2347(2003)02-0023-03

　　人工湿地污水处理技术有两种主要形式:一种为潜流(subsurfaceflow,SF)人工湿地;另一种为自由水面系统(freewatersystem,FWS)。潜流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。处理等量的污水,潜流系统用地要比自由水面系统少,运行维护简单。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。

除性能较好,出水值多低于10mg/L。为防止在进水口附近发生堵塞,进水前必须设置预处理以降低总固体浓度,一般设沉淀池即可。通过沉淀、过滤、吸附、捕食以及死亡等作用,系统中的病原菌将减少。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。植物吸收有限而且需要定期收割以防止磷的再释放,磷去除率在30%～40%。

潜流系统可以通过离子交换、植物吸收、化学沉淀和微生物氧化后的沉淀等去除一定量的金属。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。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力学稳定的。

氮的去除是潜流人工湿地效能的限制性因素,尤其是在冬季。一般总氮TN及NH3-N去除率为45%

1　潜流人工湿地的效能

111　污染物质的去除

潜流人工湿地的主要污染物去除机理包括微生物转化、矿化和吸附、沉降、挥发、蒸腾、沉淀等。

BOD去除包括几个生物化学过程:好氧呼吸,厌

1～3〕

氧消减,硝酸盐、锰和铁的厌氧氧化〔。悬浮固体去

　　(4)完善城市污水排放和集中处理运行机制。加强流域内排放污染物许可证制度和区域性用水许可证制度的贯彻实施;全面推行城镇污水达标排放制度;坚持节约用水和合理开发利用水资源并举。

(5)建立健全水环境监测网络,加强水环境监测。

态环境建设。坚持生态保护与生态建设并举的原则,对笤溪源头、重要水源涵养区、水土保持区实施重点保护和管理;并采用草林复合系统等生态工程和水土保持工程等水利工程的建设,对笤溪流域水土流失严重的区域进行综合治理,形成良好的区域生态环境,使水资源得到有效保护。

参考文献

1　国家环境保护局开发监督司1建设项目环境管理〔M〕1北京:

水环境恶化,对水资源水质监测分析提出了新的更高的要求。水资源污染已成为不容忽视的重要问题。水资源水质监测是水资源保护的重要手段,为保证以流域水污染物总量控制为核心的水资源保护规划的实施,必须充分发挥水文部门水量水质同步监测的优势,进一步完善水资源水质监测站网,建立健全水环境自动监测网络,配置先进的水环境监测设备;加强水资源水量水质监测分析,开展水环境承载能力分析预测,为实现水资源保护规划目标提供监督管理和为水污染防治和解决排污水事纠纷提供依据。

(6)增加小流域综合治理工程建设投入,加强生

北京大学出版社,19901

2　浙江省水文志编篆委员会1浙江省水文志〔M〕1北京:中华书

局,20001

作者简介:郑培兴(1950-),男,浙江江山人,工程师,办公室副主任,主要从事水文水资源综合管理工作。

・24・

左右。要获得较低氨氮(<2mg/L)浓度的出水,在温暖的夏季,潜流人工湿地水力停留时间HRT需要6～8天,而自由水面系统则需要10～14天。

112　湿地植物

环境科学动态　2003年第2期

6〕

材料是一种趋势。例如炉熔渣作为填充材料〔,具有

很高的磷吸收能力,最大理论值超过44000mg/kg,但实际值要小得多,约为最大理论值的4%。用藻砾作为湿地的填充材料,除磷效果较好,磷去除率可高达

98%。藻砾矿物含量很高,含80%的碳酸钙和10%的

植物根系提供了放氧表面,利于生物和化学转化,根系放氧和为微生物提供栖息空间是湿地植物的主要功能。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。

对于潜流人工湿地来说,种植具有浓密和较长根系的湿地植物是较为理想。通过大根系水生植物对硝化作用影响的研究表明,通气组织具有很重要的作用。通气组织是存在于所有植物体内的、并具有在植物体内传递气体的空间结构,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。

研究发现,根系放氧的范围从夜间的015mm到白天日照几个小时后的5mm。如果考虑将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。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

4〕

氧比大气的饱和氧含量高〔。这表明,如果是为硝化

碳酸镁,经试验检测,最大吸收能力为1184mg/kg。

114　寒冷季节的运行

越冬的解决办法之一是污水在非生长季节贮存,而在温暖的春、夏和秋季排向湿地。但这种方法的缺点是贮存池需要大量花费,占地面积较大。

1980～1984年间,在加拿大安大略省成功地完成

了湿地的越冬工程。采取的措施是,水位上升至冰冻面后形成一层冰层,然后水位下降,这样就在水位与冰层之间形成了绝缘空气层,水生植物密实的地上茎对冰层的形成起到了支撑作用,枯死的香蒲所积聚的雪层也为湿地提供了一层绝缘雪毯。温度对氮的去除影响明显,磷次之,而对BOD和TSS不存在影响。

2　设计参数和考虑的因素预处理:为防止堵塞,需设预处理去除可沉淀物质,基于峰值流量一般预处理沉淀池HRT为36h。

床体规格:长宽比影响BOD、TSS和氨的去除,一般为4∶1,再大则影响很小。

分区:较大的潜流人工湿地应该分区,分成几个平行的单元,这样可以分配流量,利于植物管理和保护植物免受病虫危害。

潜流人工湿地的大小可通过一些经验和半经验公式求得,这些公式是通过污水流经多孔床体的推流式模型和达西定律推导所得。

横断面:Ac=Q/(Ks×S)

式中,Ac为横断面面积(宽×深),m2;Ks为水力传导率,m3/m2・d;Q为流量,m3/d;S为床体坡度,m/m。

床体深度:取决于所利用的植物种类,通常为

60～90cm。

BOD去除率:A=Q(lnC0-lnCe)/

(KT×d×

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。提高氧的传递可以通过植物种类选择或植物管理以激发新根生长来解决。

113　床体填充材料的选择

微生物可以在很大程度上降解多种污染物质,但对大量去除磷意义不大。研究发现,通过床体填充介质的选择可以在很大程度上去除磷。磷和介质之间的非生物作用是去除磷的主要机理之一。

湿地对磷的吸附能力取决于两个因素:吸附位

(正比于介质颗粒的表面积)和PH值。在含大量钙的

碱性湿地以及含高浓度铝和铁的酸性湿地对磷的吸附能力最强,磷通过与这些金属反应而沉淀下来。例如在高pH值下,钙与溶解性磷反应生成磷酸钙而析出溶液。

磷的吸附能力也与水力传导率和表面积有关。欲获得大的水力传导率,需避免发生堵塞,堵塞将导致介质表面积缩小,进而使磷吸收能力下降。例如土壤作为湿地介质可以去除98%的磷,但由于水力传导率低而易于堵塞。砂砾水力传导率较大,但对磷的去除

5〕能力很低,低至20%,但富铁砾石除磷高达90%〔。

φ)(基于推流式一级反应动力学)。

式中,A为湿地面积,m2;Q为流量,m3/d;

C0、Ce分别为进水、出水BOD浓度,mg/L;

KT为一

级反应速率常数,d-I;d为床体深度,m;φ为床体孔隙度;T为温度,℃。

()

一级反应速率常数KT=K20×1106T-20

K20:1184(中砂介质,最大粒径1mm,占10%);

1135(粗砂介质,最大粒径2mm,占10%);0186(砾砂介质,最大粒径8mm,占10%)。BOD负荷率应在80～110kg/ha・d以下。

使用新产品诸如某些工业副产品作为湿地的填充φ水力停留时间:HRT=A×d×/Q(基于BOD去

崔玉波等:潜流人工湿地污水处理技术的效能与设计・25・

除率参数)

HRT=L/

(ks×S)(基于水力学原理)式中,L

预测,在水质受污染可能性非常小的地方,只要年均氮量控制在地下水水质免受污染之内,冬季出水氮浓度可适当高些。但如果处理水排向地表水,则要考虑其污染,所以出水水质的可变动性就较小。这一新技术需要一个新的管理体系以确保地下水和地表水免受污染,其管理需要考虑两个关键因素:蒸发蒸腾作用影响系统性能的定量化研究;人工湿地对进水水质变化和温度变化的不可调节性。

潜流人工湿地有如下方面需要研究和加强:①改善系统的硝化能力;②通过适当的植物选择和管理以使根系表面积与床体体积比最大;③优化床体设计

(深度、HRT和介质);④根据植物种属不同,或针对

为床体长度;ks为水力传导率,m3/m2・d;S为床体坡度,m/m。

TSS:Ce=C0〔011058+010011(HLR)〕(回归分

析)

式中,C0、Ce分别为进水、出水TSS浓度,mg/

L;HLR为水力负荷率,cm/d。

氨氮去除模型:利用潜流人工湿地去除BOD、TSS和氮,设计时一般分二级单元。第一级主要用于去除

BOD,第二级主要用于去除氮。资料表明,用于去除BOD的湿地单元,水力停留时间仅12～24h。氨氮的

去除发生在第二单元,但总氮在第一单元去除三分之一。因此,合理的设计方法是考虑氨氮的去除量来确定第二单元的大小。

推流式反应器中,微生物对氨氮的去除遵循一级反应动力学:NH4e=NH4ie(-θ)K

不同处理目标,为改善处理区而进行床体深度变化的研究。

参考文献

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式中,NH4i、NH4e分别为进水、出水NH4-N浓度,mg/L;K为动力学速率常数,d-1;θ为HRT,d。氨氮去除反应还可用微分表示:

v(dNH4/dz)=kNH4/(K+NH4)

式中,v为渗透速度,m/d;z为沿流动方向的距离,m;k和K为回归系数。

利用推流式一级反应动力学进行去除NH4-N的湿地单元设计:

坡度:坡度影响HRT,进而影响营养物去除率。床体坡度可随充填介质的水力传导率而变,但必须同时考虑其他因素。一般控制在4%以内,这一数值也是芦苇床的控制坡度。

平均动力学速率常数

(01497,23℃)

HRT(d)1.42.22.83.23.63.9

～852.

5　SherwoodC.Reedetal.(1995)Subsurfaceflowwetlands-aperfor2

manceevaluation.WaterEnvironmentResearch.67(2),244～248.6　Sakadevanetal.(1998)Phosphateadsorptioncharacteristicsofsoils,

进水

NH4(mg/L)

最小动力学速率常数

(0.353/d,23℃)

HRT(d)2.03.13.94.65.15.5

slags,andzeolitestobeusedassubstratesinconstructedwetlandsys2tems.WaterResearch(G.B.),32,393.

7　ShallaGrayetal.(2000)TheNutrientassimilativecapacityofmaerl

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rock-plantfilteroperation.SmallFlowsJ.4(1),4～8.10　MichaelC.Kempetal.

(1997).Subsurfaceflowconstructedwet2

Technology

面积(液面深33cm,

孔隙度33%),hm2

5810121314

面积(液面深33cm,孔隙度33%),hm2

71114171920

101520253035

landstreatingmunicipalwastewaterfornitrogentransformationandremoval.WaterEnvironmentResearch69(7),1254～1260.

3　总结

改进性能的研究,尤其是处理氨氮能力的提高,会影响到潜流人工湿地的未来发展。通过地下水模型

作者简介:崔玉波(1968-),男,内蒙古林西人,吉林建筑工程学院环境工程系副教授、副主任,从事污水处理的教学和科研工作,发表论文20余篇。