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污水处理技术在高寒缺氧地区的应用

 论文栏目:污水处理论文     更新时间:2017/10/10 15:18:09   

摘要:人工湿地作为高效、低能耗新型生态污水处理工艺,在我国西藏等高寒缺氧地区的应用逐渐得到重视。受当地季节、温度等因素的影响,人工湿地的运行效果下降,特别是氮、磷污染物去除率偏低,限制了其在该地区的推广应用。结合目前人工湿地在国内外季节性低温地区的应用情况,系统地分析了影响人工湿地在西藏等高寒缺氧地区运行效果的因素,对提高人工湿地在该地区运行效率的各种强化措施进行了总结。

关键词:高寒缺氧地区;人工湿地;污水处理技术;去除率;运行效果;生态处理;温室保温

人工湿地是一种经人工设计、建造的工程化的新型污水处理工艺,它利用基质、植物及微生物形成的复合生态系统来模拟强化自然湿地自净能力[1-3],使水质得到净化。人工湿地处理污水具有出水水质好、建设运行费用低以及操作简单[2]等优点,在国际上已经得到广泛应用,在欧洲有超过50000座的人工湿地污水处理工程,在北美也超过10000座[4-5]。我国西藏等高寒缺氧地区由于地域广阔、人口分散、经济技术相对落后以及自然环境较脆弱等原因,使得人工湿地生态污水处理技术成为该地区应对日益严重的水污染问题的首选措施。自1987年第1座人工湿地工程建设运行以来,人工湿地在我国的应用研究也日趋成熟,但在设计、建设以及操作运行上仍然存在诸多问题[6],在北方等季节性低温地区表现最为突出的就是冬季低温问题,而在西藏等高寒缺氧地区除低温外还有缺氧问题。在我国西藏等高寒缺氧地区,由于常年平均气温、含氧量较低及昼夜温差大的气候特征,使得人工湿地系统在该地区应用时出现湿地植物长势较弱甚至休眠、根系微生物代谢减缓甚至停止等现象,进而影响系统的运行除污效率。现有研究结果表明[7-9],在高寒缺氧地区人工湿地去除污水中有机物[化氧需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)]和悬浮物(SS)含量受低温的影响较小,主要受湿地床体垂直含氧量分布的影响;而铵态氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的去除率分别比气温适宜地区平均低120%~40.0%、12.3%~27.0%、6.1%~34.0%,可见低温、缺氧对氮、磷的去除效果影响较大。在我国北方及全球中高纬度等季节性低温地区,通过改进人工湿地结构设计和采用薄膜、树叶、稻草以及冰雪等覆盖保温措施[10-14],可以保证人工湿地在冬季低温时期具有较高的去污能力,但在我国西藏等常年低温地区采用上述措施则不能达到人工湿地正常运行的目的。针对这些问题,西藏等高寒缺氧地区对于人工湿地的结构类型设计、建设、操作运行以及保温措施等均有特殊的要求。

1人工湿地在高寒缺氧地区运行出现的问题

人工湿地是由水体、基质、植物以及微生物组成的复合生态系统[1],通过三者之间的物理、化学和生物的协同作用达到对污染物去除的目的[2-3]。一般认为,COD、BOD5、SS等污染物主要通过湿地填料、植物的截留吸附及其附着微生物的消耗降解等机制得到去除[2-4];NH4+-N主要通过挥发、人工湿地基质和植物的吸收、硝化细菌的硝化作用得到去除;TN则主要通过硝化-反硝化细菌的硝化-反硝化反应得到去除[8];TP则通过富含Ca、Mg等金属元素的基质经吸附、沉淀反应以及植物、聚磷菌的过量吸收而得到去除[15]。然而在高寒缺氧及昼夜温差大的气候条件下,人工湿地的植物、基质、微生物及其对污染物的处理效率都会受到不同程度的影响。

1.1高寒缺氧气候对湿地植物的影响

植物是人工湿地作为生态污水处理技术的基础标志,其主要通过根茎截留吸附、吸收富集等作用去除污水中的污染物[1-2]。湿地植物除直接起到去污作用外,还具有固定人工湿地基质床体、提高基质的渗滤性、为微生物附着生存提供良好的根区微环境、向床体内部输氧以及有效抗冲击负荷等作用[4-8]。研究表明,在冬季低温收割湿地植物植株后,湿地对COD、NH4+-N的去除效果仍然比未种植植物的湿地好[16-17],植物在低温和休眠期间,虽然其根部生长停滞但仍然具有呼吸输氧的能力并保持一定活性,进而促进微生物的生存繁衍及对污染物的去除反应。人工湿地植物大都为草本挺水植物,在我国西藏等高寒缺氧地区,高寒缺氧及昼夜温差大的气候条件使得植物出现植株矮小、长势缓慢、根系纤细、分株能力差及生长周期短等问题,到了寒冷的冬季都会进入休眠状态或者枯萎甚至死亡,使得湿地植物在生态、形态上都发生了变化,从而使人工湿地总体的净水效果大幅下降。另外,枯萎死亡的植物如果不及时收割处理,其植株残体会腐坏、分解出大量有机及氮磷污染物,进而增加湿地的污染负荷影响湿地去污效率。

1.2高寒缺氧气候对基质的影响

填料基质是人工湿地生态处理系统的“骨架”,在人工湿地中主要起到为植物和微生物的生长提供载体及稳定的依附表面、为污水在人工湿地中的渗流提供良好的水力条件、加强对悬浮固体的截留沉降等的作用[2-4]。高寒缺氧的气候条件下,填料基质及其内部污水保持较低的温度,使得污水的黏性增大、冲刷作用增强、扩散速率降低,从而导致根系溶解氧传递效率、附着微生物量及其生长代谢、反应速率下降[16-17],最终致使附着生物膜脱落、有机物颗粒生物降解效率减小并被大量吸附截留在填料基质中而引起基质堵塞[18],影响人工湿地的运行效率。

1.3高寒缺氧气候对微生物的影响

人工湿地去除污染物的净化作用与微生物的数量、活性密切相关[2]。人工湿地植物的根系和填料基质表面都富集了大量的微生物[1-3],其中包括好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌,如放线菌、聚磷菌、硝化细菌、亚硝化细菌以及反硝化细菌等。人工湿地污水处理系统中微生物的生存繁殖能力及其活性与床体基质的内部温度、含氧量有关,随着温度的降低微生物活性下降,特别当温度低于4℃时[1],微生物的生理活动几乎停止,其最适宜生长温度在25℃以上[11]。我国西藏等高寒缺氧地区常年平均温度为2~9℃,冬季最低可达-15℃左右,且昼夜温差较大,对系统微生物的生长活性及其去污能力造成很大影响。研究表明,硝化和反硝化作用脱氮是人工湿地除氮的主要途径之一[8],而硝化速率在10℃以下将会受抑制,在6℃以下急剧下降,在4℃以下趋于停止[10],反硝化速率在15℃以下急剧下降[10-11]。低温环境下,磷素的去除机理较为复杂,Helmer等在研究聚磷菌的“厌氧释磷-好氧吸磷”过程时发现,当系统运行温度从20℃降至10℃时,聚磷菌的过量吸磷能力下降,但降至5℃时却会迅速提高,温度继续下降时,其吸磷能力下降[19]。

2人工湿地在高寒缺氧地区运行解决措施

针对人工湿地在高寒缺氧地区基质、植物、微生物受气候影响致使运行效率较低的问题,并结合我国北方及全球中高纬度季节性低温地区人工湿地设计、构建及运行经验,目前国内外学者主要关注人工湿地的设计、建造、运行操作以及辅助强化措施等方面的研究,以期提高人工湿地在高寒缺氧地区的去污能力,特别是对氮、磷污染物的去除能力。

2.1高寒缺氧地区人工湿地设计

2.1.1结构选型人工湿地分为表面流和潜流2种基本形式,不同类型的人工湿地特性见表1。表面流人工湿地一般由土壤为基质,种植挺水、浮水植物组成的生态系统,附着微生物量较少,且由于水流在湿地床体表层流动,易受外部天气等因素影响,保温性能较差;在西藏等高寒缺氧地区,常年低温、缺氧的气候条件更加使得微生物活性及水体大气复氧能力下降,加上湿地植物长势弱、生命周期短,致使湿地系统运行效果不佳,不适合在该地区应用。潜流式人工湿地根据进水方式,又可以分为水平潜流和垂直潜流人工湿地;潜流式人工湿地是由一定深度的矿物基质为床体,表层种植挺水植物组成的生态系统,其附着微生物量较大,水流在池体内部基质中通过,保温性能较表面流人工湿地好[11]。采用潜流进水方式使得污水处理充分利用了人工湿地的填料基质和植物根系[14],增加了微生物的附着表面、改善水力条件、便于提高和维持床体内部污水的温度和溶氧量[1-2],以提高其去除污染物的能力。针对人工湿地在高寒缺氧地区所面临的问题,为保证人工湿地在该地区的高效稳定运行,潜流人工湿地更具优势,设计、建造时应为首选。2.1.2基质选择及装填人工湿地中的基质别称填料,是人工湿地构建生态系统的“骨架”。人工湿地基质的选择应遵循比表面积大、透气性好、便于取材、经济适用的原则,在构建水平潜流和垂直潜流人工湿地时,基质的选择及装填方式因污水特征污染物和地域的差异而有所不同。疏松多孔、通气性好、比表面积大的填料基质一方面有利于空气中的氧气进入湿地,促进硝化作用;另一方面填料基质含水率高,有助于形成厌氧环境,促进反硝化作用脱氮[10]。富含Ca、Mg、Fe、Al等金属氧化物的矿物基质能有效地固定磷;酸性条件下,含Fe、Al丰富的填料基质对磷的去除效果较好;碱性条件下,含Ca、Mg丰富的填料基质能有效沉淀除磷[14]。一般来说,采用潜流人工湿地处理以有机物、悬浮物为特征污染物的污水时,可以选用粗沙、砾石或灰渣中的一种或几种为基质;以去除氮、磷为目的的人工湿地最好选择多孔、透气性能好、比表面积大的西藏等高寒缺氧地区的当地材料,如多孔透气砖、铁矿渣、石灰石或页岩等,不同基质特性见表2。刘佳等认为,潜流人工湿地内填料基质应按级配形式逐层装填,使湿地床体内部具有良好的水力传导及大气复氧能力,为湿地能较好地去除污染物提供保证;其研究的沈阳浑南人工湿地示范工程进水TP含量为3.48~7.21mg/L,在冬季低温(低于0℃)条件下TP去除率达到87.75%~92.05%[20]。研究表明,基质通过吸附、沉淀反应除磷属于物化反应过程,与植物、微生物的作用相比,受气温影响较小[21],因此湿地基质在高寒缺氧地区对污水的净化作用显得尤为重要。适合西藏等高寒缺氧地区建造人工湿地的基质填料如表2所示。2.1.3湿地植物的选择配置湿地植物是人工湿地作为生态处理技术的基础,不同的植物种类和生长形态影响其对污染物的吸收、富集能力和附着其生长的微生物量及活性,进而影响有机物、氮、磷的去除效果[1-4]。鉴于西藏等高寒缺氧地区的高原气候,为保证人工湿地植物的生长状态,应种植耐寒性强、输氧能力好、繁殖性能好、根区丰富及生物附着量多的当地植物。在湿地植物种类选择方面张春艳等认为,为增大人工湿地植物附着微生物的种群数及生物量,并提高湿地床体内部的溶氧量,以形成利于去除污染物的根区微环境,应按植株根系垂直长度的不同选择配置不同的植物[22]。在湿地植物种植方式方面,一般认为不同种类的植物进行混合复配、轮作可延长植被覆盖时间、增加附着微生物量、促进植物吸收富集[1-3],提高污染物的去除效率,但也有学者认为不同植物混合配置的人工湿地抗季节变化能力差[23]。通过对比研究西藏地区几种常见的地方湿地植物的生长状态及去污性能发现,黑三棱、水葱、芦苇、菖蒲等对COD、TP、TN的去除效果明显好于其他植物,且根系发达、抗逆性强、具有一定的经济与景观效应,适合在高寒缺氧地区的人工湿地种植。不同种类植物的建议种植密度见表3。2.1.4负荷最优化在西藏等高寒缺氧地区设计人工湿地时,应考虑过高的水力负荷和有机负荷都会对其在常年低温缺氧条件下运行产生不利影响。其中,水力负荷过大会导致污水停留时间过短、冲刷作用增大,无法满足微生物世代生长及降解有机物、氮、磷所需的时间,且可能导致部分微生物、未被充分降解的污染物随水流流出系统,最终影响系统对污染物的去除能力[16]。此外,较大的有机负荷会导致系统净化效率降低、基质堵塞程度增强;低温、缺氧条件下人工湿地表层微生物的活性较低,降低有机负荷可以在满足微生物生长所需营养的前提下最大限度地使系统达到理想处理效果[2]。张建等在冬季低温条件下研究了潜流式人工湿地处理污染河水时不同水力负荷对污染物去除效果的影响,结果表明,水力负荷由0.30m/d降低到0.15m/d后,NH4+-N去除率增加了25%,COD的平均去除率增加了11%[24]。

2.2运行操作

在西藏等高寒缺氧地区的气候条件下,人工湿地采用周期间歇式的运行方式可以提高湿地内部溶解氧的传递能力,进而提高系统污染物的去除能力。周期间歇式运行,即间隔一定时间向人工湿地周期式地进水、排水;当污水排出人工湿地时,空气进入床体基质中,当污水排空后重新向人工湿地进水时,空气被迫从床体基质中排出,通过周期性的气、水运动,提高了系统的富氧能力,提高了对污染物的净化能力;另外,还可以在人工湿地中交替形成好氧-厌氧环境、促进硝化-反硝化细菌的脱氮作用[1-2]。周健等研究了人工湿地在低温(5~10℃)下采用周期间歇式运行的微生物脱氮性能,结果表明,NH4+-N、TN的去除率分别达到85.9%、48.4%[25]。崔玉波等在研究低温(低于11℃)下人工湿地周期间歇式(周期停留时间3d、进出水间隔6h)运行效果时发现,脱氮效果增加了11.4%[26]。

2.3辅助强化措施

2.3.1人工曝气强化根据众多学者对于人工湿地中污染物去除及溶解氧的分布、传递机理的研究表明,人工湿地床体内部基质中溶氧量是去除各类污染物的关键性限制因素[10]。在西藏等高寒缺氧地区,人工湿地增加底部曝气可以提高池体基质内溶氧量、增强附着微生物活性、提高低温和植物枯萎期间根区溶解氧的利用率,且可以减轻污水在湿地内部的流态基质堵塞程度,进而提高对污染物的去除能力[1-2]。在人工湿地床体底部增设曝气管,使湿地床体具有呼吸功能,可提高人工湿地微生物降解有机物的能力;但底部曝气作用破坏了湿地床体垂直方向上的好氧-缺氧环境,抑制了反硝化细菌的反硝化脱氮作用[10-14]。进水预曝气和湿地前、中、后部局部充氧曝气是现阶段人工湿地主要采用的4种充氧措施。任拥政等研究局部曝气对人工湿地去除污染物的影响时发现,进水预曝气对提高湿地床体内溶氧量作用甚微;但在湿地床体的前部和后部进行曝气,对COD、NH4+-N的平均去除率分别达62.12%、58.09%和93.5%、96.6%,且系统抗冲击负荷的能力较强[27]。鄢璐等在研究湿地床体中部充氧曝气对人工湿地去除污染物的影响时发现,有机物去除率提高约10%,NH4+-N、TN去除率提高60%左右,TP去除效果无明显提高[28]。以上试验结果表明,人工曝气措施对改善人工湿地内部溶解氧分布及污水处理效果的作用很明显,且对湿地前部、后部采取曝气措施的处理效果优于中部曝气措施。2.3.2温室保温隔离措施在西藏等高寒缺氧地区,人工湿地对污染物的去除受温度影响较大,因此,对其采用保温措施是必须的。目前在国内外季节性低温地区主要采用隔离保温措施,即在湿地床体上覆盖不同的保温材料起到保温作用;国内外学者研究了冰雪、稻草、PVC透气薄膜、收割湿地植物、炭化后的芦苇屑、有机填料等覆盖材料的保温效果[11]。刘学燕等在冬季低温(-30~-20℃)条件下采用空气和冰雪隔离层保护研究了潜流式人工湿地对河北省张家口官厅水库微污染水的净化效果,结果表明,NH4+-N、TN的去除率分别达到42.9%、48.4%[14]。申欢等在低温(-2.5~6℃)条件下采用收割的湿地植物覆盖潜流式人工湿地进行保温,对NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别达到26.5%、9.6%、314%,和未进行保温的人工湿地相比分别提高9.7%、50%、15.9%[12]。可见,人工湿地隔离保温措施能有效提高污染物的去除效果。但在我国西藏等常年气温、平均含氧量较低且昼夜温差大的地区采用上述措施则不能像季节性低温地区一样达到人工湿地正常运行的目的。基于人工湿地生态技术在西藏等高寒缺氧地区应用须解决高寒、缺氧问题的考虑,西藏地区是低纬度、高海拔高原,空气洁净、太阳辐射强烈(年辐射量高达7000MJ/m2),可以充分利用此部分自然能源作为热源,配合采用农业种植中的温室保温技术,人为形成一个半封闭的生态平衡小环境,以维持和提高污水处理以及湿地植物生长所需的温度和溶氧量。马津伟等在致力于青藏铁路沿线站区生活污水处理研究时提出了在生态大棚污水处理系统中将污水处理和大棚保温技术有机结合的观点,充分利用太阳能,结果表明,在西藏冬季最冷月,棚内温度白天仍能保持25℃以上,清晨最低棚内温度也能达到4℃以上,完全可以满足污水处理系统及植物生长的温度要求;土地处理系统出水水质达到GB8978—1996《污水综合排放标准》一级标准,可回收用于冲厕[29]。2.3.3预处理措施西藏等高寒缺氧地区的气候条件导致人工湿地植物、微生物活性降低,许多研究者在人工湿地处理系统前增加预处理措施,以保证该地区人工湿地各季节的运行效果较为稳定[14]。目前预处理措施主要是为了在污水进入人工湿地前进行增温、充氧、增加抗冲击负荷能力、沉淀悬浮固体防止滤料堵塞、优化污水可生化性及促进微生物的增殖,提高人工湿地的去污能力[3-4];具体措施主要是增设太阳能调节池[29-30]、沉淀池、厌氧消化池、接触氧化池[30]等预处理构筑物。翟俊等在西藏昌都地区研究太阳能预热和接触氧化作为预处理设施对人工湿地运行的影响,结果表明,在冬季最寒冷季节,出水水质可达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准;春、夏、秋季可达到一级A标准[30]。2.3.4强化深度处理在西藏等高寒缺氧地区的气候条件下人工湿地处理后的污水仍然存在污染物浓度较高的可能,若直接排入受纳水体,将增加自然水体的自净负荷。国内外学者将人工湿地与稳定塘、土地渗滤系统等串联起来,人工湿地作为主体,稳定塘、土地渗滤系统作为人工湿地的深度处理,对提高污染物去除率起很大作用。Ham等在冬季低温(平均温度-0.2℃,最低温度-12.0℃)条件下,应用人工湿地、稳定塘组合系统对分散式农村污水进行处理,研究表明,稳定塘对TN、TP的平均去除率分别为25%、28%,使整个系统对TN、TP的平均去除率分别提高到51%、46%,大大提高了系统对N、P的去除能力[31]。马津伟等利用生态大棚污水处理系统处理青藏铁路沿线站区生活污水,利用土地渗滤系统作为深度处理设施,结果表明,土地渗滤系统将铵态氮出水浓度由4.2~6.3mg/L降低至1.4~2.2mg/L,总磷出水浓度由0.4~0.8mg/L降低至0.2~0.5mg/L[29]。

3结语

人工湿地的植物、基质、微生物3个主要组成部分均易受西藏等高寒缺氧地区的气候条件影响,导致系统运行效果较差,特别是对氮、磷污染物去除率降低。但可以通过选择人工湿地的类型、优化配置湿地植物、筛选填充基质、采取温室保温措施、优化运行参数、增设预处理及深度处理设施等方法来缓解和改善低温、缺氧带来的不利影响,解决人工湿地在西藏等高寒缺氧地区运行难的问题,从而为人工湿地在高寒缺氧地区的推广使用奠定技术基础,具有很好的实际意义。

作者:杜甫义 阿琼 白玛旺堆 杜道林 解清杰 单位:江苏大学环境与安全工程学院 西藏自治区环境科学研究所

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