人工湿地处理农村生活污水的调查研究

吕 倩,方宏萍,李桂贤,罗婷婷,陈梅梅,杜丽鹃

(1.贵州理工学院资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州中节能天融兴德环保科技有限公司,贵州 贵阳 550002)

0 引言

我国农村每年产生约200亿～300亿吨生活污水,治理率不到20%,大部分生活污水未经处理就直接排入河流和池塘等地表水体中,污染环境,对居民生活质量造成影响[1],因此如何处理农村生活污水,成为农村环境治理的一大问题[2]。城镇生活污水的排放量变化较显著、排放时间较为规律,且全年基本无较大波动。相比较起来,农村地区与城镇地区的经济发展水平有一定的差距。具体来看,主要是居民的生活习惯规律性不强,以及农村的生活污水的生成方式复杂,并且水质水量变化幅度大,收集较困难等问题[3],而人工湿地技术是一种生态型污水处理工艺,它不仅可以通过净化作用,将污水资源化,防止环境再次遭受污染,而且环境价值、经济效益极高,对处理农村生活污水有着极大帮助[4]。

1 农村生活污水的处理现状

农村地区缺乏生活污水收集管网系统及集中处理设施,且居住较为分散,生活污水集中收集困难,大部分生活污水未经处理就排入明渠暗沟等地[5],各种污水混杂在一起,滋生细菌,产生恶臭气味,危害人体健康,破坏生态环境[6]。农村生活污水迫切需要治理,人工湿地处理技术的建设成本低,维护简单,管理方便,脱氮除磷效果较好,广泛应用于农村生活污水的处理[7]。

2 人工湿地技术概述

2.1 人工湿地技术的原理

人工湿地主要由水体、饱和基质、植物、微生物等组成[8],通过过滤、吸附、沉淀、氧化还原、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用实现对污水的高效净化[9]。此技术运用物种协同作用、质量守恒原理、生物结构与功能协调原则,不仅可以将污水资源化,防止环境的再污染,保障人类拥有适宜的生存环境,还能实现效益最大化[10]。

2.2 人工湿地的类型

人工湿地按照流动方式分类,一般分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地等[11]。

2.2.1 表面流人工湿地

表面流型人工湿地不需要额外的物料作为基质,只需要低洼等地段简单设计,便完成初步设计,形成人工湿地。在构造和流态方面,表面流型人工湿地是各类型人工湿地中最接近自然湿地的一种类型[12]。表面流型人工湿地投资少,具有防洪、泄洪功能,可栽培植物,对环境具有美化作用[13]。Wu等[14]研究了表面流人工湿地的生物质,新鲜生物质的碳释放率显著高于枯萎生物质的释碳率,而氮的释放率则呈现相反的趋势。与枯萎生物质相比,新鲜生物质有着更高的生物利用率。生物质的添加使系统中黄杆菌和假单胞菌等反硝化细菌的相对丰度显著增加。添加新鲜和枯萎生物质的湿地对总氮(TN)的去除率均有所提高,分别为51.59%和42.25%。Fan等[15]在表面流人工湿地中添加菖蒲,研究发现菖蒲生物量分解后具有高总有机碳/总氮(TOC/TN),表明其可以作为反硝化碳源。加入菖蒲生物质后,TN的去除率和负荷大大提高,分别为58.7%和3.07 g/(m2·d),显著提高了表面流人工湿地系统的反硝化效率。通过微生物群落分析确定反硝化细菌(即黄杆菌、脱氯单胞菌和芽胞菌)的含量有所增加,进一步证明了菖蒲作为反硝化外部碳源的应用潜力。

2.2.2 水平潜流人工湿地

水平潜流型人工湿地结构分为上下层,上层为土壤,下层为易于使水流通的介质。水平潜流人工湿地是目前全球比较流行的污水处理系统[16]。在处理低C/N污水时,胡曼利等[17]在水平潜流人工湿地分别添加玉米芯和稻草秸秆作为补充碳源,研究发现,玉米芯和稻草秸秆经11 d的纯水浸泡后累计释放C/N平均值分别为94.78和63.64;湿地运行为期58 d后发现,相比添加稻草秸秆,添加玉米芯可以使亚硝酸盐氮(NO2--N)的浓度显著降低,改善湿地中NO2--N的蓄积现象;与对照组相比,添加玉米芯和稻草秸秆后TN去除率分别提高了14.01%和5.78%。因此,玉米芯更适合作为外加碳源,能够加强反硝化作用。除此之外,通过对人工湿地的研究,王文东等[18]自主研发并申请发明了专利“表潜结合式”人工湿地,将两种湿地有机地融为一体,不仅对COD和NH3-N有较好的去除效果,使水质达到地表水Ⅳ类标准,而且有效减少占地面积,形成极佳的景观效果。

2.2.3 垂直流人工湿地

垂直流人工湿地的原理是当污水经过系统时,通过吸收或分解污水的污染物与有机物,实现净化效果。垂直流人工湿地渗滤速率比水平流人工湿地更快,具有优良的氧转移特性[19],一般用于处理氨氮含量较高的污水,在去除脱氮除磷方面有明显优势,但控制相对复杂,建设成本较大[20]。Zheng等[21]研究碱预处理芦苇作为植物基碳源对综合垂直流人工湿地系统脱氮过程的增强作用及其机制。结果表明,化学需氧量(COD)和水中氨氮NH4+-N的去除率约为98.0%。碱预处理芦苇对NO3-N和TN的去除效率分别提高到了95.5%和93.7%。植物基碳源释放的有机物中,与羧基官能团密切相关的低分子量有机质具有较高的生物利用度。16SrRNA基因测序结果表明,植物性碳源可使脱氮功能微生物属的相对丰度提高至24.12%。因此,总氮(TN)去除率从47.77%显著增加到89.10%,主要是由于反硝化作用从0.16 mg/L显著增加到14.11 mg/L,厌氧氨氧化量从0.18 mg/L显著增加到1.73 mg/L。蒋兴一等[22]构建有PHBV(3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物)颗粒作为释放碳源的模拟垂直流人工湿地,发现添加锰砂能够加速水中氨氮的转化,尤其是水中氨氮含量较少的情况下。研究表明,添加锰砂后垂直流人工湿地出水中溶解氧(DO)含量偏大,其增大幅度随水力停留时间(HRT)的减少而增加;当氨氮进水浓度为15 mg/L、硝态氮进水浓度为15 mg/L,HRT为48 h时,添加锰砂和PHBV颗粒的垂直流人工湿地对水中总氮的去除具有显著优势。

3 人工湿地在农村生活污水处理的应用分析

农村地区居住分散,用水时段不集中,且地形复杂,而人工湿地技术具有建设成本低、工艺比较简单、维护方便等优势,可以很好地满足农村生活污水处理的需求。人工湿地在农村推广具有技术优越性、经济适宜性、操作简便性,对于分散式居住且未建设污水处理设施的地区,具有良好的应用前景,真正做到了因地制宜[23]。因此建议加大人工湿地在农村地区的建设力度,积极推广。

针对比较集中的农村用户,贵州省某农村地区采取多功能调节池+潜流人工湿地综合处理工艺处理污水,处理规模为5 t/d,污水经多功能调节池混合后流向水平潜流湿地系统(设计1.2 m深石灰石碎石填料,填料上层种植芦苇、水葱、香蒲、鸢尾等挺水植物),经植物根系的吸收、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湿地,水质得到明显改善,具体指标如表1所示。工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程

表1 工程完成后进出水各项指标

针对散户,贵州某农村地区采取地沟式人工湿地处理系统,工艺流程如图2所示,污水先进入厌氧调节池,厌氧调节池主要起降低SS及均化水质的作用,减轻后续地沟式人工湿地处理系统的污染物负荷,防止地沟式人工湿地处理系统因悬浮物堵塞。通过厌氧调节池的出水至地沟式人工湿地处理布水系统,布水系统将水均匀分配到地沟式人工湿地处理系统中,实现对地沟式人工湿地系统的间歇性布水。布水系统将污水分配到地沟式人工湿地处理系统中,在土地系统中利用土壤-微生物-植物组成的生态系统将污水中的大部分污染物质去除。后续污水进入清水池,处理后的污水用于农灌或绿化用水。该人工湿地系统接受污水的COD、TP、TN含量分别为126.90 mg/L、8.25 mg/L和149.89 mg/L,经地沟式人工湿地处理系统处理后COD、TP和TN的去除率分别为65.42%、88.58%和86.46%,达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB52 1424—2019)三级标准。

图2 地沟式人工湿地处理系统工艺流程

在运行过程中,人工湿地技术也出现了一些问题,例如,容易产生淤泥堆积从而造成堵塞、污水路径较短、受种植物种以及温度的影响较大,对此在使用人工湿地时,可搭修建温室,采用折流,增加水力停留时间,科学栽培湿地植物,加强预处理,及时清理淤泥,提高人工湿地的抗冲击性。

4 结语

目前,我国大多数农村多数地区污水处理基础设施不完善,仍采用无序排放,因此解决农村生活污水处理问题刻不容缓。人工湿地技术具有环境效益和经济效益,但如何更好地利用这项技术对农村生活污水进行治理,还需要重点关注和研究以下几个方面:

(1)建立人工湿地模型,对污水处理的量及处理物质进行精确分析。

(2)分析微生物、温度、湿度、光照等因素对人工湿地去除污染物能力的影响。

(3)合成并研究基质的通透性、比表面积和吸附能力等,以便创造适合微生物生长的土壤条件,提高脱氮除磷能力。

(4)优化人工湿地床体结构、工艺流程以及布置形式等。