隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn), 我國農(nóng)村生活污水排放量也在不斷增加, 對周邊自然水體造成了嚴(yán)重污染, 因此農(nóng)村生活污水處理也迫在眉睫。雖然傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)發(fā)展歷史較長, 處理效果較好, 但基建投資大, 運(yùn)行費(fèi)用高, 難以在我國農(nóng)村地區(qū)大面積推廣。在此情況下, 人工濕地處理技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展為農(nóng)村生活污水處理提供了新的出路。

1 人工濕地的概念及分類

人工濕地是在一定長、寬比及地面坡度的洼地中, 由土壤和基質(zhì)填料混合組成填料床, 污水在床體的填料縫隙或床體的表面流動, 并在床的表面種植水生植物, 形成一個(gè)獨(dú)特的“土壤——植物——微生物”生態(tài)系統(tǒng)[1]。按照系統(tǒng)中水流方式差異,可分為表面流人工濕地(Free Water Surface Flow , FWS) 、水平潛流人工濕地(Horizontal Subsurface Flow Wet land, HSF) 和垂直流人工濕地(Vertical Subsur face Flow Wet land, VSF) 三種主要類型(見表1)[2]。近年伯明翰大學(xué)還提出了潮汐潛流人工濕地(Tidal Flow Wet land,TFW) , 其特點(diǎn)是填料床按時(shí)間序列交替地被充滿水和排干[3]。國內(nèi)也有研究表明, 其間歇進(jìn)水瞬間排水的運(yùn)行方式, 可較大程度地提高系統(tǒng)復(fù)氧量及復(fù)氧能力, 增強(qiáng)有機(jī)物的去除效率[4]。

表1 人工濕地分類比較

2 人工濕地對污水的凈化機(jī)理

2. 1 懸浮物的去除

廢水中的懸浮物是依靠人工濕地的攔截、吸附、絮凝和膠體顆粒的沉淀作用去除的。大量植物根系和飽和狀態(tài)的基質(zhì), 使固體懸浮物被根系和基質(zhì)阻攔、截留。因此, 濕地系統(tǒng)像一個(gè)過濾器, 使懸浮物通過在基質(zhì)和根區(qū)表面的重力沉淀、滲透和吸附作用而被分離去除。

2. 2 溶解物質(zhì)的去除

污水中的溶解有機(jī)污染物, 通過植物根系的吸收和吸附, 以及植物根際周圍和土壤基質(zhì)中微生物的分解代謝作用, 最終被降解為甲烷、二氧化碳和水得以去除。其中, 根際微生物和根際分泌物起到了重要的作用。根際微生物不僅能自己降解吸收有機(jī)污染物, 而且其分泌物的酶類也能降解有機(jī)污染物。而根際分泌物不僅能為微生物提供能源, 提高微生物對有機(jī)污染物的降解效率(根際微生物的數(shù)量很大程度取決于植物根際分泌物中所含氨基酸、有機(jī)酸、糖類等物質(zhì)的種類和數(shù)量) , 而且其分泌的酶類對有機(jī)污染物也有直接的降解作用。

2. 3 氮的去除

污水中的氮一般以兩種形式存在: 無機(jī)氮(NO3- N) 和有機(jī)氮(NH4 - N) 。水中氮的去除轉(zhuǎn)化包括很多過程, 其中一部分氮可以被濕地中的植物吸收, 合成植物體內(nèi)物質(zhì), 最終通過植物的收割得以去除。另外, 基質(zhì)也可通過一些物理和化學(xué)的途徑, 包括吸收、吸附、過濾等去除污水中的一部分氮。但是氮主要還是在微生物的作用下通過硝化、反硝化反應(yīng)來去除的。濕地中的大型植物根系上附著生物膜, 有著好氧、厭氧和缺氧區(qū)域。原因是處于飽和狀態(tài)的基質(zhì)中生長的水生植物, 可以增加濕地基質(zhì)的透氣性, 同時(shí)濕地植物能將空氣傳輸?shù)狡涓��? 由于擴(kuò)散作用, 這些空氣在植物的每一須根周圍形成一層薄薄的好氧區(qū), 在這一微小的好氧區(qū)中會發(fā)生硝化反應(yīng)。而對于氧擴(kuò)散不到的區(qū)域, 形成厭氧區(qū)發(fā)生反硝化反應(yīng)。濕地中存在著無數(shù)的好氧、厭氧區(qū), 這就相當(dāng)于多個(gè)A- O 反應(yīng)器組合, 保證了較好的脫氮效果。

2. 4 磷的去除

人工濕地對磷的去除, 是通過植物的吸收、微生物的積累和土壤顆粒吸附等共同作用完成的。廢水中的無機(jī)磷部分在植物的吸收和同化作用下, 被合成A TP 等有機(jī)成分, 最后通過植物的收割而被去除。微生物對磷的去除, 包括對磷的正常吸收和過量累積。由于人工濕地特殊的好氧、厭氧狀態(tài), 磷細(xì)菌能將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成簡單的磷化合物, 供植物和微生物吸收, 并在厭氧條件下提供短鏈脂肪酸。

此外, 濕地中土壤顆粒對磷的吸收也是非常重要的去磷過程, 吸附容量和土壤中所含鐵、鋁、鈣化合物的含量有關(guān)。在好氧條件下的中性至酸性環(huán)境中, Fe3+ 可以與磷結(jié)合生成穩(wěn)定的化合物。若土壤環(huán)境變?yōu)閰捬? 則Fe3+ 會被還原成Fe2+ , 這就會導(dǎo)致吸附能力降低和對磷的釋放。鈣對磷的吸收只發(fā)生在中性環(huán)境中。此外, 每一個(gè)土壤顆粒都有一定的吸附容量, 當(dāng)土壤顆粒的吸附空間被占滿之后, 吸附作用將不再發(fā)生。

2. 5 重金屬的去除

濕地中金屬的去除機(jī)制包括離子交換、與濕地中的基質(zhì)螯合, 或轉(zhuǎn)化為不可溶的硫酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物等沉淀。主要過程是不可溶重金屬隨懸浮顆粒沉淀得以去除, 溶解性重金屬通過與基質(zhì)和沉淀物的離子交換和絡(luò)合作用, 以難溶性化合物的形式沉淀或者被植物所吸收。重金屬會對植物產(chǎn)生毒害作用, 但是有些植物在吸收重金屬后會分泌一些物質(zhì)和重金屬絡(luò)合, 從而消除了金屬的毒性。不可溶金屬的去除類似于TSS 的機(jī)制。另外, 通過PH 和氧化還原電位的調(diào)節(jié), 使這些不可溶金屬轉(zhuǎn)化為可溶性金屬, 被植物和細(xì)菌等所吸收[5]。

3 試驗(yàn)分析及結(jié)果討論

3. 1 試驗(yàn)方法及過程

試驗(yàn)采用水平潛流人工濕地, 對四川某地農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理。填料床表面種植蘆葦、美人蕉等水生植物, 內(nèi)部填充不同粒徑的多孔介質(zhì)。如圖1 所示, 填料床底部鋪設(shè)高度30cm粒徑3cm~ 4cm 的卵石, 中部為高度40cm粒徑1cm~3cm 的碎石, 上部為20cm高的土壤層, 污水在床體內(nèi)部水平流動。上部土壤層主要為粘土, 經(jīng)測定土壤滲透率為0. 21cm/ h。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖1 水平潛流人工濕地結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)所用污水取自村內(nèi)排水溝渠, 以生活污水為主, 混有部分農(nóng)田灌溉排水。試驗(yàn)過程參照國家環(huán)保局推薦方法, 對COD、氨氮、TN 和TP等水質(zhì)指標(biāo)均進(jìn)行了分析(見表2) 。

表2 污水水質(zhì)

表3 中數(shù)據(jù)顯示, 濕地出水水質(zhì)基本達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。相對于傳統(tǒng)污水處理方法, 污水在濕地床的表面下流動, 一方面可以利用表面土的截留作用、填料表面的生物膜及植物根系等提高處理能力;一方面由于其保溫性較好, 處理效果不易受氣候影響。因此, 水平潛流人工濕地對農(nóng)村生活污水處理效果較佳。

表3 人工濕地對污染物的去除效果(平均值)

3. 2. 2 填料床內(nèi)部填充多孔的、具有較大比表面積的介質(zhì), 可以改善濕地的水力學(xué)性能, 為微生物提供更大的附著面積, 增強(qiáng)濕地對污染物的去除能力。同時(shí), 污水流經(jīng)不同粒徑的填料層時(shí),具有沉降性能的有機(jī)物可沉積或被過濾。但運(yùn)行后期出水水質(zhì)變差, 說明基質(zhì)堵塞對系統(tǒng)運(yùn)行效果有一定影響。

3. 2. 3 濕地表面水生植物的選擇和栽種密度及其生長周期等, 對出水水質(zhì)有一定影響。

4 結(jié)語

農(nóng)村生活污水沒有規(guī)范的集中排放設(shè)施, 因此常受農(nóng)田灌溉排水影響, 使其具有相對濃度較低、水量大的特點(diǎn)。試驗(yàn)表明, 人工濕地處理農(nóng)村生活污水效果較好, 具有較高的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益, 在我國有一定的推廣性。（四川水利）