富含石灰的堿性廢水的來源非常廣泛, 例如我國(guó)每年產(chǎn)生的建筑垃圾達(dá)4 000~5 000 萬t〔1〕,其中絕大部分未經(jīng)處理直接運(yùn)往郊區(qū)堆放或簡(jiǎn)易填埋｡T. G. Townsend 等的研究表明, 建筑垃圾滲濾液pH可達(dá)到11〔2〕｡制堿､鋼鐵制造､煤炭脫硫等過程中會(huì)產(chǎn)生大量富含石灰的固體廢棄物〔3-5〕,這些固體廢棄物經(jīng)風(fēng)化､雨水沖刷,可產(chǎn)生堿性滲濾液｡此外,水泥､混凝土的生產(chǎn)以及建筑施工過程中也會(huì)產(chǎn)生大量含有石灰和碳酸鈣的堿性廢水〔6-7〕｡如果這些堿性廢水不經(jīng)處理直接排放進(jìn)入水體則會(huì)影響水生生物的新陳代謝,導(dǎo)致消化系統(tǒng)失調(diào),對(duì)水生生物有直接的毒害作用〔8〕;另外,由于這些強(qiáng)堿性廢水中常含有大量石灰,碳酸鈣的蓄積沉淀會(huì)影響植物光合作用,破壞底棲動(dòng)物的生存空間〔9〕｡因此,必須對(duì)該類廢水進(jìn)行適當(dāng)處理,使廢水pH 降低后,方能排放到受納水體｡

　　目前堿性廢水的處理方法主要有酸堿中和法〔10〕和CO2曝氣法〔11〕,有些制度管理不嚴(yán)格的地方則采用直接稀釋的方法〔12〕｡由于堿性廢水排放量大,且多數(shù)廢水排放流量隨時(shí)間變化顯著, 導(dǎo)致應(yīng)用傳統(tǒng)方法處理堿性廢水的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用高〔3〕｡人們通過對(duì)天然濕地的長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn), 濕地對(duì)酸性和堿性廢水均有很強(qiáng)的緩沖能力〔13〕,因此應(yīng)用人工濕地降低堿性廢水pH 成為一種很有潛力的技術(shù)方法｡另外由于人工濕地具有建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用低廉､環(huán)境友好､運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)〔14〕,使得利用人工濕地技術(shù)處理堿性廢水具有重要的研究應(yīng)用價(jià)值｡

　　1 機(jī)理

　　人工濕地常用于處理二級(jí)污水廠出水､市政污水､農(nóng)業(yè)廢水等〔14〕｡目前,對(duì)應(yīng)用人工濕地緩沖酸性廢水的pH 也已有廣泛的研究和應(yīng)用〔15〕,而將其用于堿性廢水的處理還處于初步研究階段｡富含石灰(CaO)的廢水呈堿性是因?yàn)槭�灰水解生成Ca(OH)2,Ca(OH)2溶于水產(chǎn)生OH-｡

　　人工濕地基質(zhì)中的腐殖酸對(duì)于中和廢水的堿性有一定作用〔16〕,但堿性廢水的pH 在人工濕地中得到有效降低,主要還是因?yàn)镃O2的作用｡CO2溶于水生成HCO3-,而HCO3-可以中和廢水中的OH-,并使Ca2+與CO32-結(jié)合形成CaCO3沉淀, 碳酸鈣的沉積又進(jìn)一步促進(jìn)HCO3-中和廢水中的OH-, 從而使得廢水的堿度降低｡目前對(duì)于這一過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)還不是很清楚, 但I(xiàn). D. Clark 等認(rèn)為,CO2向水溶液中的擴(kuò)散,以及通過水解反應(yīng)生成CO32-,這兩步為速率限制步驟〔17〕｡人工濕地中的CO2主要有兩個(gè)來源:一是大氣中的CO2向廢水中擴(kuò)散溶解,但通過這種方式傳遞CO2速率慢, 尤其是對(duì)于潛流型濕地,通過大氣傳輸?shù)腃O2更是有限〔18〕;二是濕地中的微生物和濕地植物的根系通過呼吸作用釋放CO2,使得廢水中CO2含量增加,這是人工濕地處理堿性廢水時(shí)CO2的主要來源〔19〕｡另外,濕地植物發(fā)達(dá)的根系可為碳酸鈣的沉積提供更大的表面積,從而促進(jìn)Ca2+的沉淀, 進(jìn)而促進(jìn)HCO3- 對(duì)堿性廢水的中和作用〔20〕｡

　　2 濕地面積計(jì)算

　　用來計(jì)算人工濕地大小的方法很多,包括應(yīng)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型〔21〕､體積標(biāo)化的去除效率〔22〕等,然而最常用的是應(yīng)用面積標(biāo)化的污染物去除效率進(jìn)行計(jì)算〔23〕｡在處理富含石灰的堿性廢水的濕地中,廢水的pH 隨著鈣的沉積而降低, 因此鈣的沉積效率是評(píng)價(jià)人工濕地對(duì)堿性廢水的處理效果的重要指標(biāo),而且鈣的濃度易于測(cè)定,所以在人工濕地大小的設(shè)計(jì)計(jì)算中, 應(yīng)用鈣的去除效率來計(jì)算濕地面積〔15〕｡其計(jì)算公式為:

　　式中:

　　A———濕地面積,m2;

　　Qd———廢水流量,m3/d;

　　Ci,Ct———分別為進(jìn)水和出水中鈣的質(zhì)量濃度,mg/L;

　　Ra———鈣的沉積速率,g/(m2·d)｡

　　W. M. Mayes 等用1 a 的時(shí)間對(duì)濕地中鈣的沉積速率進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè),結(jié)果表明鈣的沉積速率為0.4~13.6 g/(m2·d),其中在進(jìn)水和出水處的鈣的沉積速率最低,分別低于2､5 g/(m2·d)〔18〕｡他們認(rèn)為進(jìn)水口處鈣的沉積速率較低是因?yàn)閺U水中可利用的CO2濃度低;而出水口處鈣的沉積速率相對(duì)較低是因?yàn)槌隹谔帍U水pH 已低于9.5,且大部分鈣已經(jīng)得到有效去除,使得廢水中所含鈣的濃度較低〔15,18〕｡然而,他們也觀察到濕地的主體部分的鈣的沉積速率還是相對(duì)穩(wěn)定的,平均值為7.4 g/(m2·d)〔18〕,并建議在設(shè)計(jì)處理堿性廢水的濕地面積時(shí)可以考慮應(yīng)用5g/(m2·d)的鈣的沉積速率,這可以保證將pH 為12的廢水處理到pH<9 的水平〔24〕｡因此,依據(jù)鈣的沉積速率､廢水的流量､進(jìn)水鈣的濃度以及設(shè)計(jì)的出水鈣的濃度,即可以得到人工濕地所需面積｡

　　3 濕地基質(zhì)填料和植物的選擇傳統(tǒng)的人工濕地主要用于去除有機(jī)污染物和氮磷,其基質(zhì)多采用含鈣高的礫石､石灰石和滲透性好的砂土等｡與此不同,用于去除廢水中鈣質(zhì)､降低廢水pH 的人工濕地, 因?yàn)槠湫枰�生長(zhǎng)繁殖大量的微生物來提供CO2, 所以需要基質(zhì)中含有更多的有機(jī)質(zhì)｡因此,基質(zhì)填料多采用本地土壤摻加堆肥的混合物〔24〕,而一般來說,新鮮的堆肥中微生物活性低,經(jīng)馴化后的堆肥會(huì)具有更好的處理效果〔25〕｡

　　濕地植物的種植有利于富含石灰的廢水pH 的降低, 這主要是因?yàn)闈竦刂参锬軌驗(yàn)槲⑸�物的生長(zhǎng)繁殖提供源源不斷的碳源, 從而有利于微生物通過呼吸作用產(chǎn)生更多的CO2,降低廢水pH〔15〕｡此外,濕地植物根系能夠?yàn)闊o機(jī)物的沉淀提供更大的表面積,這也是濕地植物的種植有益于鈣沉降和廢水pH降低的原因〔15〕｡高pH 廢水影響濕地植物生長(zhǎng),主要有以下幾方面原因:(1)OH-對(duì)植物的直接毒害作用〔26〕;(2)水中微量元素(Fe､Mn､B､Zn､Cu 等)因沉淀而減少,不利于濕地植物的生長(zhǎng)〔15〕;(3)高pH 下微生物活性降低;(4)高pH 下磷因與鈣､鎂等形成沉淀而減少, 從而使水中缺乏磷而不利于濕地植物生長(zhǎng)〔27〕｡W. M. Mayes 的研究表明,在石灰廢棄物滲濾液(pH=12.75)中生長(zhǎng)的香蒲,其地上部分生物量比對(duì)照組減少40% 〔28〕｡盡管如此,依然有很多濕地植物能夠在高pH 條件下生存,見表1〔15〕｡具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)語

　　通過對(duì)人工濕地處理富含石灰的堿性廢水的總結(jié)探討,得到以下結(jié)論:

　　(1)利用人工濕地處理富含石灰的堿性廢水的主要凈化機(jī)理為:通過微生物呼吸作用產(chǎn)生CO2,使廢水中的鈣形成碳酸鈣沉淀,同時(shí)降低廢水pH｡濕地植物根系也能夠產(chǎn)生CO2, 并能夠?yàn)殁}沉淀提供更多的表面積, 因此濕地植物的種植有利于富含石灰的堿性廢水的凈化｡

　　(2)所需人工濕地面積可依鈣的沉積速率､廢水的流量､進(jìn)水鈣的濃度以及設(shè)計(jì)的出水鈣的濃度計(jì)算得到｡

　　(3)濕地基質(zhì)填料中一般要添加堆肥,以利于微生物生長(zhǎng)繁殖, 從而有利于廢水中鈣的沉積和pH降低｡

　　(4)強(qiáng)堿性對(duì)濕地植物的生長(zhǎng)有一定抑制作用,因此用于處理堿性廢水的人工濕地一般選擇蘆葦､香蒲這些對(duì)酸堿適應(yīng)性強(qiáng)的濕地植物｡