污水垂直流人工湿地处理系统技术的研究进展_崔理华

兰悉尹矽方充龙卜一丁矛礴沈决时窟扮才户对污水垂直流人工湿地处理系统技术的研究进展崔理华骆世明(华南农业大学,广州510642)一、前言人工湿地作为一种低投资、低能耗、低处理成本和能脱氮除磷的废水生态工程处理技术己逐渐被世界各国所接受,并广泛应用于小社区和家庭生活污水、二级处理出水和农业废水的处理上。人工湿地可根据水流方向分为自由水面湿地、地下潜流湿地和垂直流人工湿地二种类型。自由水面湿地采用表土复盖而有自由表面水流,因会散发臭味和易引起蚊蝇滋生等环境卫生问题而应用越来越少。地下潜流湿地采用砾石填料,水在亚表层下以潜流的方式水平推流前进,因而其表面不会散发臭味和有环境卫生问题,此种类型也称根区法(RZM),目前应用最多。垂直流人工湿地(钾Ws)由于具有高的净化效率和相对较小的土地需求以及在其他自然系统不能应用的场地有吸引力等优点而变得越来越普遍。垂直流人工湿地根据水流方向又可分为上行流人工湿地、下行流人工湿地和潮汐流人工湿地,其中下行流人工湿地也称渗滤湿地。我国在“七五”期间曾经对渗滤湿地和人工土壤渗滤系统进行过研究,但此后停滞了。而国外在此以后却兴起了有关渗滤湿地以及上行流型和潮汐流型等新型人工湿地系统的研究。二、渗滤湿地1.概述渗滤湿地普遍具有相对较粗的沉积物类型(砂)以致于污水能容易地穿透土壤,它常采用分批进料的方法,在湿地周围设置低地下水位的排水沟可使污水在重力作用下被迫垂直地流过沉积物。一批污水通过床体处于不饱和状态,氧可以由大气扩散至床体中,因此与水平流系统相比具有较高的耗氧能力。渗滤过程可以通过在60一10c0m深度埋设排水管而被强化。垂直的水流运动带来了污水直接地与沉积物的接触,因而营养去除过程是优化的。粗的沉积物也会导致在湿一干周期的干化期沉积物良好的曝气。同时,这种干一湿周期能极大地提高湿地的去除能力。欧洲渗滤湿地经验表明这种系统负荷800PE爪a生活污水具有长期的去除能力(Verhoeven,1999),其去除率COD和BOD分别为80,95%,细菌数量为99%;N35%:P25%。由于具有较好的传氧能力,下行流芦苇床常用于污水的二级处理,去除大量的BOD,为进一步净化创造条件。下行流芦苇床一般包括两到三级,每一级由4一6个子床组成,污水由泵或重力作用依次通过各级。另外.这类芦苇床的硝化能力远高于水平流系统,可用于氨氮含量较高污水的处理。2.污水湿地营养去除过程污水湿地通常对COD,BOD和细菌总数的去除率很高,但对营养的去除能力是有限的。COD和BOD高的去除率是由悬浮固体的沉积以及在水和上部土壤层的快速分解过程所引起的。由于营养去除过程常常也是重要的目标,营养去除过程应该达到最优化。一些重要的营养去除过程是与土壤氧化一还原和酸度条件密切相关的。引起氮的去除过程大多数是细菌转化。硝化是氮通过硝化细菌氧化成硝酸盐的过程。这个过程仅只在好氧条件下发生。反硝化是一个厌氧分解过程,在这个过程中有机质被细菌分解通过利用硝酸盐而不是氧作为电子受体。这个过程以两个步骤发生:首先硝酸盐被还原成NZo,随后又进一步还原成NZ。两个步骤的最终产物都是被排放到大气中的气体。N20是一种温室气体,它的过量排放可能会引起全球变暖问题。在低pH下,反硝化的第二步骤受到抑制,因此所有的氮都有以NZO形式释放。从环境质量观点来看,污水湿地土壤的pH应该保持在.60以上,这样硝化了的氮大部分以N:形式离开湿地。在大多数湿地中,硝化速率比反硝化速率要慢得多,因此第一过程决定了第二过程的实际速率。这意味着好氧和厌氧条件都有需要进一128一灯、尹牙兰悉尹尹夯道砚))2`万左,乎者习行反硝化过程的最优化。利用大型挺水植物如芦苇通过它们的根系气腔释放的氧使土壤曝气可以达到此目的(ibrx,194;redy,1989)。其他可能途径是采用湿和干交替运行方式,即2一3天湿周期紧接着4一6天干周期:磷酸盐吸附在土壤颗粒上面是磷的一个重要的去除过程。其吸附容量取决于粘土矿物中铁、铝或钙的存在或与土壤有机质的结合。在好氧,中性至酸性条件下,Fe卜与磷结合成稳定的复合物。如果由于灌溉引起土壤条件变成仄氧,Fc3+被还原成eFZ’,这将引起吸附能力的降低和磷酸盐的释放(Faulkner,1989)。钙对磷酸盐的吸附仅发生在中性至碱性条件。除了其可逆的吸附特性随着土壤氧化或还原状况变化外,吸附也是易于饱和的。每一种土壤仅只有它固定的吸附能力,一旦所有的吸附点被占领,就不能再吸附了(K胡lec,1985)。除了这些快速吸附一解吸附过程外,磷酸盐也能与铁、铝和土壤化合物形成沉淀(iNhcols,1983)。磷在粘土矿物晶架内的同晶替代以及磷酸盐与金属的络合过程的速率很慢,但不容易饱和。如果先前吸附的磷被沉淀下来,这些吸附点又变得有效可重新吸附新的磷。贮存在积累的有机质