羅懷清 黃媛媛 晉超凡 肖秀嬋 景江

摘要：采用一種新型濕地系統(tǒng)裝置對農(nóng)村生活污水進行處理，總實驗周期170 d，每個采樣周期為7 d，采樣頻次5次，針對濕地系統(tǒng)及污水COD、NH4+-N、TP等指標(biāo)進行測定。實驗結(jié)果表明，濕地系統(tǒng)在經(jīng)過45 d的啟動期后可正式進入使用階段，并在5月與6月對生活污水的處理效果為最佳。同時還發(fā)現(xiàn)溫度和水中的溶解氧含量均為影響濕地系統(tǒng)去除COD、NH4+-N、TP的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：濕地系統(tǒng);COD;溫度;溶解氧含量

中圖分類號：X799.3文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383（2018）04-0043-05

造成水質(zhì)受到污染和水體富營養(yǎng)化污染日益嚴(yán)重的重要原因之一是我國農(nóng)村生活污水排放量的日益增大。2007年我國農(nóng)村污水排放總量就已超過90億t，但實際處理率尚不及1%[1]，2017年更達到了106億t，并且以每年10%的增速持續(xù)上升。另外，我國分散式農(nóng)村生活污水亂排亂放現(xiàn)象嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計已有超過96%的村莊沒有排水渠道和管網(wǎng)，集中收集處理非常困難。COD、N、P以及部分有機物（如動植物食用油和纖維素等）是生活污水的主要水體污染物，其中COD、TN、TP的質(zhì)量濃度分別可達到100～300 mg/L、8～40 mg/L、1～5 mg/L-1[2-4]。在對分散式農(nóng)村生活污水的處理上，人工濕地系統(tǒng)是一種較好的選擇。人工濕地系統(tǒng)處理生活污水的技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代興起的一種污水處理生態(tài)工程技術(shù)，由于具有少投資、低能耗、管理方便等優(yōu)點[5-6]，在廣大中小城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村地區(qū)的分散式生活污水處理中正逐漸被應(yīng)用[7-8]。

人工濕地是以自然生態(tài)濕地為模型而構(gòu)建的人工生態(tài)系統(tǒng)，因此人工生態(tài)系統(tǒng)的特征在其構(gòu)建和運行過程均得到充分體現(xiàn)。如濕地凈化池的構(gòu)建[9]，從基底防滲層、凈化池的填料種類與粒徑級配、布水系統(tǒng)、集水系統(tǒng)的設(shè)置、排水系統(tǒng)、坡降比等，人們都已進行過系統(tǒng)的研究和升級優(yōu)化，并將濕地系統(tǒng)的處理效能及其穩(wěn)定性不斷提高，并擴展了其應(yīng)用范圍，增強了其適應(yīng)性和耐久性。人工濕地處理生活污水技術(shù)在不斷發(fā)展成熟，其處理效果也在不斷優(yōu)化。

本文通過一戶一地、兩戶一地設(shè)計并構(gòu)建一個家用小型人工濕系統(tǒng)（含調(diào)節(jié)池、組裝式多級污水過濾系統(tǒng)、自流渠以及濕地凈化池）處理農(nóng)村分散式生活污水，考查小型人工濕地系統(tǒng)在啟動過程中以及系統(tǒng)正式運行過程中對生活污水污染物的去除效能隨進入系統(tǒng)的時間而呈現(xiàn)去除率的變化，并以此為基礎(chǔ)進一步探索小型人工濕地系統(tǒng)對生活污染物的去除機制。

1.2實驗裝置

濕地凈化系統(tǒng)由防滲層、填料層、覆土層、植物層四部分從下至上構(gòu)成。研究表明，人工濕地的凈化機理為：基質(zhì)-微生物-植物構(gòu)成的復(fù)合人工生態(tài)系統(tǒng)。利用其物理、化學(xué)和生物的共同協(xié)調(diào)作用，通過過濾、吸附、共沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水污染物的高效去除凈化，并通過營養(yǎng)物質(zhì)的碳循環(huán)和水分的生物土壤化學(xué)循環(huán)來促進綠色植物生長、增產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)村生活廢水的無害化處理和資源化利用[10-16]。本課題中的小規(guī)模新型濕地凈化系統(tǒng)如圖1所示，其中A、B、C三層的厚度分別為30、40、30 cm。

1.3實驗方法

根據(jù)阿壩州地區(qū)地勢及氣候，選擇本實驗濕地植物種類：香蒲、花葉蘆竹、紙莎草、美人蕉、風(fēng)車草，選擇礦物土壤和高鋁土壤作為濕地表面土壤，并將濕地凈化池表面均分為5塊4 m2的小塊土壤，將香蒲、花葉蘆竹、紙莎草、美人蕉、風(fēng)車草進行分塊種植。本實驗在濕地結(jié)構(gòu)建筑物建成后，防滲層依次采用蓄排水板、HDPE土工網(wǎng)、針刺土工布從下至上排布。填料層將竹炭、活性炭、沸石、陶瓷粒、石子、砂子從下至上逐層填充填料。然后將經(jīng)組裝式多級污水過濾系統(tǒng)處理后的生活污水沖洗填料層和防滲層，檢查濕地凈化池是否存在漏水現(xiàn)象，若存有漏水情況，應(yīng)立即對濕地凈化池填補漏洞;控制濕地系統(tǒng)水力停留時間為3 d，控制水力負荷為0.5 m3/（m2·d），濕地的地處處理水位2 m3/d。再將經(jīng)過濾系統(tǒng)處理后的生活污水稀釋3倍，并通過自流渠富集氧氣引入濕地凈化系統(tǒng)，并于填料表面下10～16 cm處移栽香蒲、花葉蘆竹、紙莎草、美人蕉和風(fēng)車草，并在污水中加入異氧菌和藍綠藻，3 d后排空濕地中原來的污水，再補充生活污水與凈化池凈化出水以體積比為1∶1混合的待處理污水;再于3 d后將濕地中的混合水樣排空，然后補充生活污水與凈化池凈化出水以體積比為3∶1混合的待處理污水;再于3 d后排空濕地，最后將100%的待處理生活污水連續(xù)引入濕地，污水在凈化池中的水力停留時間為1 d，期間每隔3 d將凈化池水位降至離濕地表面20～25 cm并保持1 d。實驗采樣頻率為5次/d，采樣時間為8：00、10：00、13：00、16：00、20：00，5組樣品取平均值，7 d為一個實驗周期，實驗時間為5—9月。在實驗期間維持水力停留時間的方式為控制閥門開啟度，并每天觀察濕地植物生長狀況、微生物繁殖速率及填料表面生物膜掛膜情況，且不定期對水樣水質(zhì)進行分析。

1.4測試方法

水質(zhì)常規(guī)檢測的項目為pH、DO、COD、SS、氨氮、總磷[17]，采用碘量法測定污水中的DO含量、重鉻酸鉀法測定污水中的COD含量、重量法測定污水中的SS含量、水楊酸分光光度法測定污水中的NH4+-N含量以及鉬酸銨分光光度法測定污水中TP的含量[18]。

2結(jié)果分析

2.1啟動、運行期間進出水中pH和DO的變化

表2為小型人工濕地凈化系統(tǒng)在啟動及運行期間的pH變化情況;圖1中的自流渠可提高水中DO含量，增強濕地的生物凈化作用，提高處理效果，系統(tǒng)運行期間自流渠DO含量的日變化情況如表3、表4所示。DO取樣分為2種情況：1）采樣當(dāng)天全天天氣晴朗，晝夜均溫為20.5 ℃;2）采樣當(dāng)天全天天氣陰，晝夜均溫為15.5 ℃。

從表3、表4可看出：人工濕地系統(tǒng)在增加自流渠以后，污水中的溶解氧含量升高，即使在天氣為陰的情況下，污水中的溶解氧均值也為2.27，為濕地系統(tǒng)中好氧微生物對有機物的生物化學(xué)作用提供了充足的氧氣，增強了濕地系統(tǒng)對污水中COD、NH4+-N、TP的去除效果。

2.2啟動期系統(tǒng)對污水中COD的去除效果

人工濕地系統(tǒng)啟動運行30 d后，濕地凈化系統(tǒng)已基本穩(wěn)定。為掌握濕地凈化系統(tǒng)在啟動期對水體的凈化能力和去除效率，以及為小型人工濕地凈化系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行和處理水質(zhì)可達到國家標(biāo)準(zhǔn)提供事實依據(jù)，定期對濕地凈化池進出水中COD含量進行分析。啟動期間的COD去除效果及去除率如圖2所示。濕地凈化池啟動15～45 d時，對水中的COD去除基本穩(wěn)定，人工濕地系統(tǒng)可進入正式使用階段。根據(jù)基質(zhì)掛膜情況、異氧菌和藍綠藻的繁殖以及濕地植物的生長情況，可確定過濾系統(tǒng)和小型濕地凈化系統(tǒng)已成功啟動，并已發(fā)揮系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)調(diào)作用污染去除功能，可進入正式實驗研究階段。

2.3運行期濕地凈化池的處理效果

濕地正式運行時間為5—9月，并在此期間對實驗進出水進行水質(zhì)采樣分析，采樣頻率為每月10次，每月所得數(shù)據(jù)均取平均值。

2.3.1COD的處理效果

濕地凈化池運行期在5—9月，對COD的月平均去除效果及運行期濕地凈化池對COD的月平均去除率如圖3所示。

從圖3可以看出：人工濕地凈化系統(tǒng)5—9月對COD的去除效果均十分穩(wěn)定，且去除量有穩(wěn)中上升的趨勢，可大幅度去除水中的COD;從圖3中濕地系統(tǒng)在運行期對生活污水中COD的去除率可看出濕地系統(tǒng)對COD的去除率均保持在80%左右，并無太大波動，由于6月的天氣變化較大，溫差也有較大起伏，污水中DO的含量較不穩(wěn)定，好氧微生物對有機物的生物化學(xué)作用不能發(fā)揮到最佳，因此6月的COD去除率低于80%?？傮w而言，濕地系統(tǒng)對污水中的COD去除率相對穩(wěn)定，經(jīng)過人工濕地處理后的污水可達到國家一級B標(biāo)，滿足三類水體水質(zhì)，可直接進行農(nóng)作物的灌溉。

2.3.2氨氮的處理效果

濕地凈化池運行期在5—9月對氨氮的月平均去除效果及運行期濕地凈化池對氨氮的月平均去除率如圖4所示。

由圖4可知：5月和6月處于春季和夏季的換季間，溫度適宜，此時濕地凈化池中異氧菌、藍綠藻等微生物具有一定的繁殖能力，需要一定的營養(yǎng)物質(zhì)供能，對氨氮的分解能力較強、去除率較高;7—9月處于夏季，太陽光照過強，不僅對微生物的分解作用具有一定的抑制作用，還對植物根部的氨氮吸收能力具有一定的影響;5—9月溫度較高，水中的DO含量較高，這是微生物與植物對氨氮去除率較高的有力保障。綜上所述：溫度和溶解氧含量是影響濕地凈化系統(tǒng)對污水中氨氮去除的關(guān)鍵因素。

2.4.3總磷的處理效果

濕地凈化池運行期在5—9月對TP的月平均去除效果及運行期濕地凈化池對TP的月平均去除率如圖5所示。

由圖5可知：5—9月TP的去除效果與氨氮類似，在5月和6月時，TP的去除率均為最佳，經(jīng)過礦物土壤和高鋁土壤過濾后的污水，在溫度較適宜時，微生物的分解吸收作用較為穩(wěn)定，對TP去除率相對較高;由于溫度過高會抑制微生物對TP的分解吸收，所以在圖5中濕地系統(tǒng)在8月對廢水中TP的去除率低于其他月份;自流渠的富氧能力可使?jié)竦叵到y(tǒng)對TP的去除率保持在相對穩(wěn)定的水平。

3結(jié)論

自流渠能夠提高污水中溶解氧含量，增強了濕地系統(tǒng)對污水中COD、NH4+-N、TP的去除效果。溫度和溶解氧含量是影響濕地凈化系統(tǒng)對污水中氨氮去除的關(guān)鍵因素。

人工濕地系統(tǒng)的啟動需要注意以下幾點：1）盡快恢復(fù)濕地植物的生長，刺激植物根系生長發(fā)散;2）盡快促進異氧菌、藍綠藻的繁殖;3）間歇式進水、分部提高進水有機污染物濃度，為基質(zhì)填料掛滿生物膜、微生物作用提供環(huán)境。溫度和水中的溶解氧含量均為影響濕地系統(tǒng)去除COD、NH4+-N、TP的關(guān)鍵因素，但溫度和溶解氧含量并非越高越好，過高會有一定的抑制作用。

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