摘要：分析了農村生活處理現狀以及基本特征,因地制宜地選擇和推廣具有投資少、運行穩定、維護管理方便的人工濕地及其組合工藝,是目前農村污水處理的首選方式。闡述了人工濕地及其組合工藝凈化機理和設計原則，指出這項技術適合我國國情,尤其適合廣大農村,中小城市的污水處理,具有極其廣闊的應用前景。
關鍵詞：農村生活污水,人工濕地,凈化機理
1農村生活污水處理現狀
近年來國外的專家學者對農村生活污水的處理越來越關注,農村生活污水處理技術逐漸成熟,工藝呈現出多樣性。現階段,我國小城鎮污水處理率還不到10%[1],農村地區生活污水的處理率更低,絕大部分生活污水未經處理直接排放。國內對農村生活污水的治理隨著三河、三湖污染的加重才剛剛興起,但農村生活污水治理工程較少,很多處理技術也僅僅處在示范研究階段。目前農村生活污水的治理存在一個較大的難點,即基建投資以及運行費用較大,農村經濟實力以及技術力量很難滿足常規城市生活污水處理廠技術要求等[2]。因此,急需要開發高效、低能耗、低成本的污水資源化技術,引進適合我國國情的國外發達國家的先進技術與工藝,解決農村生活污水污染問題[3]。
2農村生活污水的基本特征
農村生活污水是農村居民在生活和家庭養殖等過程中產生的污水的總稱。農村生活污水包括廚房炊事廢水(淘米洗菜用水、泔水等)、洗衣、洗浴和廁所污水、家養蓄禽糞便、廢水等。與城鎮生活污水相比,農村生活污水無論是排放點分布還是排放量大小,無論是污染物濃度還是資源化需求都具有明顯特征。
(1)農村人均用水量明顯低于城市
一般來說,農村居民人均用水量明顯低于城市居民。居民生活用水包括居民家庭用水和“三產”服務業用水。在城市,“三產”服務業用水占市民生活用總量的30%以上。根據水利部公報顯示,2004年,我國城鎮人均生活用水量為每日212L(含公共用水),農村居民人均生活用水量為每日68L。之所以出現如此差距主要就是農村“三產”服務業明顯滯后于城市所致。此外，居民生活用水量與居民生活水平呈正比相關。一般來說,在目前情況下,村民生活水平與城市相比還是有較大差距的。因此,農村居民生活用水量一般僅為城市居民生活用水量的30%左右。
(2)農村生活污水排放系數明顯低于城市
對農村而言,生活用水在某種意義上是一種資源。例如,廚房泔水就是家禽家畜的好飼料;衛生清潔用水完全可以直接倒人附近農田,既有一定肥力,還有抗旱潤土之效。因此,真正需要處理的生活污水量(即排放系數)并不高。在城市,生活污水排放系數一般為0.8左右,在農村一般不到0.5。
(3)農村生活污水污染物濃度低于城市
如前所述,農村生活污水中濃度較高的部分如廚房泔水等一般都被綜合利用了,真正需要處理的生活污水污染物濃度并不高,且可生化性強[4]。
3人工濕地模式
廢水處理的目的是將廢水中有害、有毒物質加以分離,另行處理或回收利用,或使有毒物質轉變成無毒物。處理方法大體可分為物理處理法、物化處理法及生化處理法。物理處理法包括自然沉降、浮選、過濾、蒸發等。物化法包括混凝沉淀、中和、氧化還原、萃取、吸附、離子交換、反滲透、電滲析。生化處理包括活性污泥、生物濾池、氧化塘、污水灌溉、濕地及人工濕地。其中人工濕地污水處理系統具有以下優點:1.建造和運行費用低:2.易于維護,技術含量低;3.可進行有效可靠的廢水處理;4.可緩沖對水力和污染負荷的沖擊;5.可提供和間接提供效益,如水產、畜產、造紙原料、建材、綠化、野生動物棲息、娛樂和教育。
根據廢水流徑的方式,人工濕地可分為表面流濕地(SFW)、潛流濕地(SSFW)、立式流濕地(VFW)。表面流濕地與自然濕地最為接近,廢水在填料表面漫流,絕大部分有機物的降解由位于植物水下莖稈上的生物膜來完成,但這種類型未能充分發揮填料和豐富的植物根系的作用,衛生條件也不好;潛流濕地是水在填料表面下潛流,充分利用整個系統的協同作用,且衛生條件較好,占地小,處理效果較好;立式流濕地水流情況綜合了表面流濕地和潛流濕地的特點,但其建造要求高,又易孳生蚊蟲。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統[5]。
3.1凈化機制
人工濕地是一種由人工建造和監督控制得，與沼澤地類似得地面，它利益自然生態系統中物理、化學及生化反應三重協同作用來實現對污水的凈化[6]。
物理作用,主要是過濾、沉積作用。土壤-植物是一個活的過濾器,污水進入濕地, 經過基質層及密集的植物莖葉和根系,可以過濾、截留污水中的懸浮物,并沉積在基質中。
化學反應,由于植物、土壤-無機膠體復合體、土壤微生物區系及酶的多樣性, 人工濕地中可以發生各種化學反應過程如化學沉淀、吸附、離子交換、拮抗 、氧化還原反應等,這些化學反應的發生主要取決于所選擇的基質類型。一般而言,含有機質豐富的基質有助于吸附各種污染物;含CaCO3較多的石灰石有助于磷的去除 。
生化反應,對于去除有機污染物主要依賴于系統中的生物。首先,所有人工濕地都類似于附著生物膜的反應器,有機物質被填料吸附后, 可以通過生物的同化吸收和異化分解去除。其次,根據德國學者KickuthR.1977年提出的根區法理論,由于生長在濕地中的挺水植物對氧的運輸、釋放、擴散作用,將空氣中的氧轉運到根部,再經過植物根部的擴散,在植物根須周圍微環境中依次出現好氧區、兼氧區和厭氧區,有利于硝化、反硝化反應和微生物對磷的過量積累作用,達到除氮、磷效果,另一方面通過在厭氧條件下有機物的降解、或開環、或斷鍵成簡單分子、小分子, 提高對生物難降解有機物的去除效果。因而生化反應對凈化污水起重要作用。
3.2污染物的去除
人工濕地去除污染物的范圍廣泛,包括N、P、SS、有機物、微量元素、病原體等。
1)氮的去除
人工濕地處理系統對氮的去除作用包括基質的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發、植物的吸收和微生物硝化和反硝化作用。氮是植物生長的必需元素,廢水中的無機氮包括NH3-N和NO3-N,均可以被人工濕地中的植物吸收,合成植物蛋白質,最后通過植物的收割形式從人工濕地的廢水中去除。一部分NH3-N可轉化成NH3后,以氣態的形式揮發到大氣中。
微生物的硝化、反硝化作用對氮的去除起重要作用。根據根區法理論,人工濕地植物中根毛的輸氧,根區附近濕地土壤中連續出現好氧、缺氧、厭氧狀態,為自養型好氧微生物亞硝酸菌、硝酸菌和異養型微生物反硝化細菌大量的存在提供了條件,使要求好氧條件的硝化反應和要求厭氧的反硝化反應可以同時完成。另外,對硝化反應有抑制作用的是NH3-N、重金屬、氰化物及有機物,人工濕地對這些物質也有一定的去除作用。因此人工濕地比一般污水處理系統具有較強的氮處理效率。根據試驗實測結果[7],人工濕地中氨化細菌、亞硝化菌、硝化菌、反硝化菌數量都處于較高水平,因此人工濕地具硝化、反 硝化、脫氮的良好基礎和潛力。
2)磷的去除
磷和氮一樣是生物的必需元素,但水體中磷又是富營養化的限制性元素,含量過高時又可造成藻類過度繁殖而成富營養化狀態 。廢水中磷的存在形態取決于廢水中磷的類型,最常見的是磷酸鹽(包括H2PO4、HPO4、PO3-4)、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽。人工濕地對磷的去除作用包括基質的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除及物理化學作用。基質中的吸收和過濾對無機磷的去除作用,因填料不同而存在差異,若土壤中含有較多的鐵、鋁氧化物,有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁,使土壤固磷能力大大增加;若以礫石為填料的濕地, 礫石中的鈣可以生成不溶性磷酸鈣而從廢水中沉淀。植物吸收無機磷和吸收無機氮一樣,都是在吸收同化作用下, 將無機磷變成植物體的組成部分,最后通過植物收割去除。
微生物對磷去除包括對磷的正常吸收和對磷的過量積累,由于人工濕地根區附近土壤中不同的含氧狀態而相當于許多A-A-O處理單元,使某些細菌種類在厭氧條件下吸收低分子的有機物(如脂肪酸),同時將細胞原生質中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來,提供必需的能量,又在好氧條件下,氧化所吸收的有機物,并提供能量,同時從廢水中吸收超過其生長所需的磷,并以聚磷酸鹽的形式成為微生物細胞的內含物而被貯存起來,因此人工濕地有較高的除磷效果。
3)有機物的去除
人工濕地對有機物有較強的降解能力 ,廢水中的不溶性有機物通過濕地沉淀、過濾作用,從廢水中截留下來而被微生物利用;可溶性有機物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過程被去除。有關研究結果表明,在進水濃度較低的條件下,人工濕地對BOD5的去除率可達85%~95%,COD去除率達80%以上,處理出水中BOD5的濃度在10mg/L左右,SS小于20mg/L[8]。廢水中大部分有機物作為異養微生物的有機養分,最終被轉化為微生物體及CO2、H2O。
3.3人工濕地的構造
絕大多數自然和人工濕地由五部分組成:1.具有各種透水性的基質,如土壤、砂、礫石;2.適于在飽和水和厭氧基質中生長的植物,如蘆葦;3.水體(在基質表面下或上流動的水);4.無脊椎或脊椎動物;5.好氧或厭氧微生物種群。
濕地系統正是在這種有一定長寬比和底面坡度的洼地中由土壤和填料(如礫石等)混合組成填料 床,廢水在床體的填料縫隙中流動或在床體表面流動 ,并在床體表面種植具有性能好、成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀及具有經濟價值的水生植物(如蘆葦、蒲草等)形成一個獨特的動植物生態系統,對廢水進行處理。
其中濕地植物具有三個間接的重要的作用:1.顯著增加微生物的附著(植物的根莖葉);2.濕地中植物可將大氣氧傳輸至根部,使根在厭氧環境中生長;3.增加或穩定土壤的透水性。
植物通氣系統可向地下部分輸氧,根和根狀莖向基質中輸氧,因此可向根際中好氧和兼氧微生物提供良好環境。植物的數量對土壤導水性有很大影響,蘆葦的根可松動土壤,死后可留下相互連通的孔道和有機物。不管土壤最初的孔隙率如何,大型植物可穩定根際的導水性相當于粗砂2~5年。
而土壤,砂,礫石基質具有:為植物提供物理支持;為各種復雜離子、化合物提供反應界面,為微生物提供附著。水體為動植物、微生物提供營養物質[9]。
3.4人工濕地應用于農村生活污水處理的設計原則
1)工藝簡單
農村地區的污水處理具有缺乏專業技術管理人員和要求運行費用低廉這個特點，人工濕地系統最大的優勢就在于其簡單性。通過預處理、曝氣、回流以及其他機械方法來改善濕地性能將在一定程度上失去濕地技術簡單性的優勢。所以在工程設計中理想的人工濕地系統是充填礫狀介質、沒有移動顆粒及只需要太陽能和簡單的管理。較大的濕地系統可以考慮一些輔助設備，只有針對特殊水質要求時才值得考慮附加設置曝氣池等處理工藝的復雜濕地系統。
2)大系統分區
較大的人工濕地應該分區分成幾個平行的單元，這樣可以利于流量分配。同時利于植物管理和植物病蟲危害防治。另外床體的長寬比影響氨的去除效果，一般可采用較大的長寬比。
3)植物選種鄉土性
充分重視鄉土品種的生態特性，不宜在未考慮當地生態環境條件下盲目引進外來物種。通過對當地植物在人工濕地系統中的應用研究，了解植物對水力、營養及其他因素的物種特性，并加以充分利用來提高人工濕地的凈化效率。同 時也應關注濕地的生物多樣性。
3.5人工濕地工藝處理農村生活污水設計流程
1依據實地調查數據資料，選擇適宜的工藝系統。2進行濕地物種挑選試驗，為了考核物種對當地的生態環境的適應性及對污水的凈化程度。對所挑選的物種要進行2個試驗：一是試驗室模擬試驗。考察植物在特定的環境中的適應性、生存能力分析植物對污染物的吸附能力和最佳吸附時間。二是現場試驗。考察內容與上一環節類似，并為工程的具體實施提供基本工藝參數。特別注意植物在當地是否有生物侵害的現象。
4結束語
目前,我國絕大部分城市污水廠均采用傳統的二級活性污泥法處理工藝。這種工藝工程投資高,耗能大,運行管理要求高,對控制大城市的水環境污染起到了關鍵作用。然而由于我國經濟發展水平不高,能源短缺,許多地方,尤其中小城市和鄉村缺乏具有一定操作管理和技術水平的人員。同時我國的鄉鎮企業迅猛發展,對當地造成了嚴重的環境污染。因此在我國大力開發具有高效、簡易、低耗的污水處理技術,具有很大意義。
人工濕地是一個綜合的生態系統,具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡單、投資省、耗電低、運行費用低等特點,它應用生態系統中物種共生、物質循環再生原理,結構與功能協調原則,在促進廢水中污染物質良性循環的前提下,充分發揮資源的生產潛力,防止環境的再污染,獲得污水處理與資源化的最佳效益。它具有環境效益、經濟效益及社會效益,是一種較好的廢水處理方式,比較適合于處理水量不大、水質變化不很大,管理水平不很高的城鎮污水,如我國農村中、小城鎮的污水處理。人工濕地作為一種處理污水的新技術有待于廣大環境工作者結合各個地區的實際情況,積累設計經驗,制定出一定的設計規范,以促進它的推廣和應用。
參考文獻
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