翟計(jì)紅,吳國華,崔麗英,李 勇

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251; 2.太原市環(huán)保局,太原 030012)

人工濕地依靠自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生物的三重共同作用來實(shí)現(xiàn)對污水的凈化[1，2],相對于氣候溫暖的南方地區(qū),在廣大北方地區(qū)由于受到氣候條件的限制,人工濕地的應(yīng)用成功范例較少,在鐵路污水處理領(lǐng)域幾乎是空白。2010年4月至2011年9月選擇冬季比較漫長的石太客運(yùn)專線某工區(qū)進(jìn)行潛流人工濕地處理生活污水的處理效果研究,系統(tǒng)工藝流程為：全站污水→化糞池→污水閘槽井(含人工格柵)→人工潛流濕地→穩(wěn)定塘→出水[3]。實(shí)測日處理污水量15.95 m3/d,濕地總占地面積25 m×20 m,水力投配負(fù)荷為3.2 cm/d。由于地處山區(qū),有充分的地形高差可以利用,試驗(yàn)系統(tǒng)無任何動力消耗。

1 污水水質(zhì)

本項(xiàng)目的污水具有明顯的北方地區(qū)特點(diǎn),具體分析如下：

(1)經(jīng)過化糞池預(yù)處理后,污水的可生化性非常好,B/C=209/348=0.60；

(2)污水中氮的含量非常高,且NH3-N/TN=0.82～0.99,這種水質(zhì)特點(diǎn)說明該車站排放的污水以糞便污水為主,由于客觀條件和生活習(xí)慣等原因,餐飲廢水和洗浴污水所占比重較??；

(3)按照80%的出現(xiàn)概率控制,試驗(yàn)污水的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)為：CODcr≤450 mg/L,BOD5≤300 mg/L,NH3-N≤100 mg/L,TP≤9 mg/L,SS≤180 mg/L。上述指標(biāo)中除懸浮物外,其他指標(biāo)都高于原設(shè)計(jì)預(yù)測值。除生活習(xí)慣、膳食結(jié)構(gòu)等一般性因素外,當(dāng)?shù)鬲?dú)特的氣候條件對污水水質(zhì)影響比較大。

該工區(qū)(車站)地處太行山山區(qū),海拔1 260～1 270 m；歷年年平均降雨量576.5 mm；歷年年平均蒸發(fā)量1 919 mm；歷年最大風(fēng)速20.7 m/s；歷年平均風(fēng)速2.6 m/s。這些因素會導(dǎo)致當(dāng)?shù)乇韺拥叵滤a(bǔ)給和排泄的嚴(yán)重不平衡,很高的蒸發(fā)量會“濃縮污水”,至于懸浮物較低的原因可能由于化糞池的自然沉淀作用,對大顆粒無機(jī)物和懸浮物具有非常好的物理去除效果。假定土壤中水的蒸發(fā)量約為從清水中蒸發(fā)量的70%[10],年蒸發(fā)量1 919×0.7=1 343.3 mm；假定雨水量20%被吸收,濕地吸收的雨水量為576×0.2=115.3 mm/年；因此凈蒸發(fā)量1 343.3-115.3=1 228 mm；濕地面積500 m2,一年污水蒸發(fā)量618 m3,目前濕地年處理污水量15.96×365=5825 m3,占年處理污水量的10%,因此對污水濃度的提高有明顯的影響。

水的蒸發(fā)量在一年之內(nèi)變化較大,由于春季多風(fēng),夏季炎熱,因此在此時間段地表水的蒸發(fā)速度遠(yuǎn)大于補(bǔ)給,污水水質(zhì)對應(yīng)不同的季節(jié)具有明顯的變化規(guī)律：受蒸發(fā)量大小影響,夏季水質(zhì)高于冬季。同理該地區(qū)全年的污水水質(zhì)也應(yīng)該高于蒸發(fā)量小的其他地區(qū)。

2 污染物處理效果分析

2.1 COD去除效率分析

(1)COD去除效率隨季節(jié)的變化規(guī)律

依據(jù)圖1,2010年1月至2011年4月污水溫度小于5 ℃,去除率37.57%～47.16%；2011年6月至2011年9月污水溫度大于15 ℃,去除率62.03%～73.43%。

圖1 COD去除率隨水溫(季節(jié))變化規(guī)律

有機(jī)物的降解效率呈現(xiàn)一定的季節(jié)性變化規(guī)律,4、5月份氣候變暖,植物開始發(fā)芽,生長逐漸旺盛,光合作用日益增強(qiáng),產(chǎn)氧量增大,同時水溫上升,微生物活性增強(qiáng),增殖速度加快,對有機(jī)物的需求增大,在植物和微生物的協(xié)同作用下,污染物的去除效果回升明顯,5～6月去除率在50%～60%；進(jìn)入夏季,植物生長進(jìn)入最旺盛時期,植物光合作用的供氧量相對增加,好氧菌的活性大為增強(qiáng),7～9月去除率達(dá)到70%～73%。進(jìn)入冬季后,溫度較低,水面結(jié)冰,植物和微生物活性都處于抑制狀態(tài),污染物的去除基本依靠土壤的吸附、沉淀、過濾,因此去除率降到40%左右。

(2)植物生長對COD去除效率的影響

濕地土建施工完成后,2010年4月采用播種方法種植蘆葦,由于蘆葦成活率比較低,同年8月采用移栽插種的方法進(jìn)行補(bǔ)種；2011年4月對上年枯死的蘆葦竿進(jìn)行收割,并進(jìn)一步加密補(bǔ)種。對比蘆葦生長稀疏的2010年和2次補(bǔ)種后的2011年有機(jī)物去除率增長明顯：2010年7月至2010年9月,COD去除率為41%～48%；2011年7月至2011年9月,COD去除率增長為70%～73%。蘆葦[7]為人工濕地中的好氧微生物提供了較好的兼氧環(huán)境,同時提供了較大的附著表面,有利于微生物的生長繁殖,加快了污染物的降解速率,同時蘆葦直接吸收污水中可利用的營養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)一步提高了有機(jī)物的去除效果[5]。

(3)COD全年去除規(guī)律分析

根據(jù)圖2，2011年人工濕地出水COD年平均值滿足污水綜合排放二級標(biāo)準(zhǔn)150 mg/L的要求,夏季出水COD平均值基本滿足污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)100 mg/L的要求。穩(wěn)定塘水質(zhì)監(jiān)測時間為2011年5月4日～2011年9月21日，屬于當(dāng)?shù)貧鉁刈罡叩募竟?jié),COD去除率在60%～70%的概率數(shù)據(jù)高于全年水平40%。COD的去除規(guī)律和相關(guān)文獻(xiàn)研究資料基本一致,但也存在全年去除效率稍低,出水水質(zhì)偏高的問題,除北方地區(qū)植物生長密度和活性不夠的因素外,還受當(dāng)?shù)剌^大的蒸發(fā)量影響：夏季蘆葦生長旺盛,根系發(fā)達(dá),向土壤中充氧能力強(qiáng),有機(jī)物去除效率高,但進(jìn)水污染濃度高于一般生活污水；冬季雖然進(jìn)水濃度較低,但蘆葦濕地中植物基本進(jìn)入枯萎休眠階段,光合產(chǎn)氧速率極低,COD去除率也較低。

圖2 COD去除效果

2.2 BOD去除效率分析

(1)BOD去除效率隨季節(jié)的變化規(guī)律(圖3)

2011年1月至2011年4月污水溫度小于5 ℃,去除率37.91%～56.52%；2011年6月至2011年9月污水溫度大于15 ℃,去除率57.14%～66.34%。夏季BOD去除率高出冬季大約20%。

圖3 BOD去除率隨水溫(季節(jié))變化規(guī)律

(2)植物生長對BOD去除效率的影響

對比蘆葦生長稀疏的2010年和2次補(bǔ)種后的2011年去除率增長明顯：2010年7月至2010年9月,BOD去除率為44%～50%；2011年7月至2011年9月,BOD去除率增長為60%～67%。

(3)BOD全年去除規(guī)律分析(圖4)

2010、2011年人工濕地出水BOD年平均值分別為105 mg/L和88 mg/L,均不滿足污水綜合排放二級標(biāo)準(zhǔn)30 mg/L的要求,夏季出水BOD平均值稍好于全年平均水平[5],濕地系統(tǒng)對BOD的去除率明顯偏低。微生物的活動是污水中有機(jī)物降解的主要機(jī)制或凈化污水的主要力量,研究發(fā)現(xiàn)COD和BOD的去除與各種微生物數(shù)量有明顯的相關(guān)性,去除因素與微生物的數(shù)量和活性直接相關(guān)。在影響微生物活動的各項(xiàng)因素中,溫度的作用非常重要,溫度適宜,能夠促進(jìn)、強(qiáng)化微生物的生理活動,溫度不適宜,能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動。參與污水處理的微生物多屬嗜溫菌,最高與最低溫度宜分別控制在35 ℃和15 ℃,濕地內(nèi)污水在沒采取任何保溫措施的情況下,一年中只有4個月超過15 ℃,因此對微生物的活性和數(shù)量都有較大影響。污水中的不溶性的有機(jī)物的去除主要依靠人工濕地中填料的吸附、過濾功能及其自身的沉淀作用去除,BOD基本都溶解于水中,人工濕地的處理能力是有一定限度的,過高濃度的污水往往不能徹底凈化,且出水中有機(jī)物濃度同進(jìn)水濃度成正比例關(guān)系,試驗(yàn)期間BOD的平均值為209 mg/L,進(jìn)水濃度偏高,越高的溶解性有機(jī)物會消耗更多的氧氣,而蘆葦根系提供的氧氣有限,可能導(dǎo)致植物根區(qū)附近較小范圍內(nèi),氧化還原反應(yīng)主要是氧化過程,在離根區(qū)較遠(yuǎn)的地方則表現(xiàn)為還原過程,溶解氧的含量的降低直接影響著有機(jī)污染物的去除效率[9]。

圖4 BOD去除效果

2.3 NH3-N去除效果

(1)NH3-N去除效率隨季節(jié)的變化規(guī)律(圖5)

2011年1月至4月,NH3-N去除率≤0,出水指標(biāo)大于進(jìn)水,表明濕地內(nèi)發(fā)生氨化作用,由于污水溫度小于5 ℃時,硝化菌完全停止,在同時去除COD和硝化反應(yīng)的體系中,對硝酸菌的抑制更加強(qiáng)烈。2011年6月至2011年9月污水溫度大于15℃,微生物的活性逐步恢復(fù),NH3-N去除率達(dá)到全年處理效率的最高值14.56%～31.63%。

(2)植物生長對NH3-N去除效率的影響

濕地植物龐大的根系表面附著大量微生物,并創(chuàng)造了利于微生物生長的微環(huán)境。植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣,部分傳輸至植物根系,在根系周圍形成有利于硝化作用的好氧微區(qū)；厭氧區(qū)內(nèi)富含的枯枝碎葉及底質(zhì)層內(nèi)含有大量可利用碳源,提供了反硝化條件；此外,植物根系的生長增大了土壤空隙率,使得水分蒸發(fā)和NH3-N揮發(fā)作用增強(qiáng)。2010年濕地蘆葦生長情況較差,6月～9月NH3-N的去除率9.79%～13.47%,與植物生長良好的2011年相比低10%～20%。

(3)NH3-N全年去除規(guī)律分析(圖6)

濕地年平均進(jìn)水水質(zhì)NH3-N=80 mg/L,出水不滿足污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)要求,氮的去除效率在10%～40%,大部分是植物生長,細(xì)菌細(xì)胞生理上的需要而攝取的數(shù)量,氮的硝化、反硝化過程非常微弱,具體分析理由如下：硝化反應(yīng)的適宜溫度是20～30 ℃,15 ℃以下時,硝化速率下降,5 ℃時完全停止；本地區(qū)月平均水溫大于15 ℃僅4個月,因此全年硝化速率很低。硝化菌對環(huán)境的變化很敏感,為了使硝化反應(yīng)正常進(jìn)行,必須保持好氧條件,同時BOD濃度又不能太高(小于20 mg/L)[10],否則自養(yǎng)型的硝化菌得不到優(yōu)勢,不能成為優(yōu)占種屬,硝化反應(yīng)無法進(jìn)行。本工程由于進(jìn)水濃度較高,大氣復(fù)氧、蘆葦根系充氧能力有限,很難滿足1 mg/L的氧濃度；同時出水的BOD濃度在80～100 mg/L不滿足硝化菌的繁殖條件。

圖5 NH3-N去除率隨水溫(季節(jié))變化規(guī)律

圖6 NH3-N去除效果

2.4 SS去除效果(圖7)

圖7 SS去除效果

進(jìn)水懸浮物的去除主要在濕地的前段完成,主要依靠土壤填料層、植物的根系和莖的過濾和攔截作用[8],由于濕地通常都供氧不足,被截留的懸浮物在濕地中存在積累現(xiàn)象,可能引起土壤層滲流能力的下降,最終影響出水水質(zhì),保持濕地系統(tǒng)對懸浮物穩(wěn)定的去除效果須在后期管理上投入必要的人力、物力翻地或進(jìn)行地塊“輪休”。2011年人工濕地出水SS年平均值滿足污水綜合排放一級標(biāo)準(zhǔn)70 mg/L的要求。由于穩(wěn)定塘內(nèi)藻類和水生植物莖葉影響,穩(wěn)定塘的出水SS稍高于濕地出水。

2.5 TP去除效果

(1)TP去除效率隨季節(jié)的變化規(guī)律(圖8、圖9)

圖8 TP去除率隨水溫(季節(jié))變化規(guī)律

圖9 TP去除效果

TP的去除效率與氣溫的變化頻率基本一致,氣溫升高,去除率就高,氣溫降低,去除率就低,而且2010年和2011年具有不同的去除特點(diǎn)。2010年4月到2010年7月,隨著氣溫的升高,TP去除率由52%上升到74%,2010年8月到2010年12月污水溫度由22.6 ℃降低到6.2 ℃,TP去除率由58%降低到11%,去除率變化幅度非常大。由于植物生長和微生物活性和季節(jié)變化休戚相關(guān),一般來說,氣溫升高會導(dǎo)致植物、微生物生理活性提高,有利于磷的去除[4]。研究表明,3條途徑對磷去除的貢獻(xiàn)大小為：基質(zhì)>水生植物>微生物,其中短期內(nèi)基質(zhì)吸附磷的比重占70%,含Ca和Fe的基質(zhì)可通過Ca、Fe、Al與PO43-反應(yīng)而沉淀。2010年TP的去除率變化很大,可以認(rèn)為植物吸收和微生物活動在其中不占主導(dǎo)地位,至2010年9月,土壤對磷的吸收沉淀逐漸達(dá)到飽和狀態(tài),雖然水生植物對磷的吸收開始發(fā)揮主要作用,但總?cè)コ嗜猿氏陆第厔荨?/p>

(2)TP全年去除規(guī)律分析

濕地系統(tǒng)出水不滿足污水綜合排放二級標(biāo)準(zhǔn),土壤的吸附過濾作用對磷的去除起主要作用,本工程土壤中Ca、Fe含量較低,要提高系統(tǒng)的除磷效率,需要縮短土壤的更換頻率或進(jìn)行土壤改良,優(yōu)先選用鈣含量2～2.5 kg/100 kg的混合土。水生植物對磷的吸收雖然很慢,但是一個不可逆的過程,當(dāng)基質(zhì)吸附達(dá)到飽和狀態(tài)時,其對磷的吸收發(fā)揮著重要作用,在根系中沉淀的污泥部分會隨水流流出,因此只有進(jìn)一步降低出水懸浮物濃度,才能提高除磷效率。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)在高蒸發(fā)量、少降雨量的北方干旱地區(qū)污水水質(zhì)的預(yù)測,應(yīng)適當(dāng)考慮高溫、多風(fēng)的春、夏、秋季污水“濃縮效應(yīng)”。地下水位較低,年平均氣溫較低的鐵路中小車站糞便污水所占比重較大,在污水排放口和進(jìn)入污水處理站前都設(shè)置化糞池,由于水力停留時間較長,化糞池起到兩方面的作用：①化糞池取代傳統(tǒng)的沉淀池,懸浮物以污泥和浮渣的形式被截留,因此對懸浮物具有非常好的去除效果；②污水、污泥在化糞池內(nèi)發(fā)生酸性發(fā)酵,污水中的有機(jī)物不但在數(shù)量上發(fā)生了很大變化,而且在理化性質(zhì)上也發(fā)生了變化,B/C達(dá)到0.6,增加BOD5的處理難度。

(2)人工濕地對CODcr、SS、TP具有較好的去除效果：出水的CODcr全年平均值可以達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)二級水平,夏季平均值可以達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級水平；出水的SS全年平均值可以達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級水平；土壤的吸附過濾作用對磷的去除起主要作用,Ca、Al粒子與磷酸鹽反應(yīng)達(dá)到飽和后應(yīng)定期更換填料而被去除,否則會引起去除效率的迅速降低。

(3)人工濕地對污染物的去除效率受季節(jié)影響非常明顯,對NH3-N的去除效率影響最大,對SS的去除效率影響最??；

(4)對全年氣溫較低的北方地區(qū),植物生長周期較短,對較高濃度的污水去除效率較低。尤其是BOD5和NH3-N需通過植物吸收及微生物分解作用去除,如果常年溫度小于15 ℃,土壤內(nèi)成活的微生物數(shù)量較少,同時植物根系的供氧能力有限,淺層土壤中基本為缺氧或厭氧狀態(tài),對溶解性有機(jī)物的分解能力有限,氨的硝化作用不明顯?？紤]惡劣的氣候條件,要獲得好的出水水質(zhì),建議單級濕地進(jìn)水BOD5小于100 mg/L,NH3-N小于30 mg/L。

3.2 建議

(1)在相對寒冷、干旱的北方地區(qū),想要獲得較高的去除效率,必須采取其他輔助措施：①進(jìn)水NH3-N較高的情況下,應(yīng)在濕地前段增加好氧處理設(shè)施；②進(jìn)水較高BOD5的情況下,可以考慮設(shè)置厭氧、好氧等預(yù)處理設(shè)施[3]和濕地出水回流措施[1],降低進(jìn)水濃度；③人工改良表層土壤,增加鈣含量,定期更換填料都有助于提高TP的去除效果。

(2)人工濕地屬于接近天然的一種污水處理工藝[6],對日常管理維護(hù)水平要求較低,基本無動力消耗,長時間運(yùn)行也會面臨堵塞和去除率下降等問題,解決辦法有：①寒冷地區(qū)應(yīng)采取建設(shè)防護(hù)大棚、濕地表面覆蓋稻草、控制出水水位形成表層冰蓋等保溫措施；②定期清掏化糞池和后續(xù)穩(wěn)定塘的污泥有助于降低系統(tǒng)懸浮物濃度；③北方地區(qū)植物成活率低,應(yīng)有專人看管,保持一定的種植密度,防止牛羊啃食；④對于進(jìn)水BOD和NH3-N較高的污水必須采取好氧、厭氧生化等預(yù)處理工藝,人工濕地作為一種后續(xù)處理工藝,才能最大限度發(fā)揮人工濕地的處理效能,提高系統(tǒng)出水的穩(wěn)定性，也可以考慮濕地串連的方法提高去除率；⑤應(yīng)重視由于濕地堵塞對系統(tǒng)正常運(yùn)行的不利影響,結(jié)合TP的去除要求,一般應(yīng)1～2年更換1次土壤,濕地配水及收水系統(tǒng)應(yīng)考慮適應(yīng)組合式安裝、易更換的要求。

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