,,

(1.長江科學院 a.生態(tài)修復技術(shù)中心；b.流域水環(huán)境研究所，武漢 430010; 2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,宜昌 443002)

1 研究背景

隨著我國新農(nóng)村建設(shè)不斷推進，農(nóng)村水環(huán)境污染問題日益突出，農(nóng)村生活污水排放量已占全國污水排放總量的一半以上。農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟技術(shù)條件落后、居住比較分散，生活污水難以集中收集處理，90%以上生活污水未經(jīng)處理直接排放到附近水體，導致農(nóng)村地區(qū)及其周邊水生態(tài)環(huán)境惡化[1-2]。農(nóng)村生活污水凈化處理后可作為灌溉水或其他用途使用，既有助于節(jié)約水資源，提高用水效率，同時還能有效解決污水橫流和環(huán)境惡劣等問題，改善居民生活居住環(huán)境，降低與污染有關(guān)疾病的傳播，減少由此引起的經(jīng)濟損失。

人工濕地具有基建投資小、污染去除效果好、布置靈活和運行維護管理方便等優(yōu)點，十分適宜用于農(nóng)村污水凈化處理。農(nóng)村地區(qū)地勢開闊、太陽能資源豐富且便于利用，將成熟的太陽能技術(shù)耦合入人工濕地凈化系統(tǒng)，設(shè)計出基于大自然節(jié)律變化的太陽能人工濕地系統(tǒng)，既能解決濕地運行中的能源供給，還能利用太陽能光伏產(chǎn)熱和發(fā)電曝氣，改善人工濕地低溫季節(jié)運行效率低下、填料易堵塞和溶解氧供給率低等不足。本文在綜合分析農(nóng)村生活污水特征、人工濕地工藝缺陷及太陽能利用技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出太陽能濕地保溫工藝和太陽能充氧及防堵濕地工藝，以期為后續(xù)設(shè)計和工程實踐提供參考。

2 農(nóng)村生活污水特征

農(nóng)村生活污水數(shù)量、成分、污染物濃度與當?shù)鼐用裆盍晳T、生活水平、用水量等密切相關(guān)，一般由洗滌用水、淋浴用水以及人畜糞便等構(gòu)成。與城市生活污水相比，農(nóng)村生活污水具有排水量小、有機物濃度偏高且日變化系數(shù)較大(一般在3.0～5.0)等特點[3]，這給生活污水收集和處理帶來了很大難度。

同時，農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平較低，管理落后，傳統(tǒng)生活污水處理工藝如活性污泥法和生物膜法存在投資大、能耗高、運行管理要求高等制約，不適宜在農(nóng)村地區(qū)推廣[4]。因此，農(nóng)村生活污水處理應(yīng)根據(jù)當?shù)厍闆r，因地制宜、合理規(guī)劃和設(shè)計，遵循經(jīng)濟、高效、節(jié)能和簡便易行等原則，采用一種高效經(jīng)濟、符合現(xiàn)代生態(tài)理念的污水處理方法。

作為生態(tài)污水處理技術(shù)，人工濕地降解、轉(zhuǎn)化和去除污染物性能優(yōu)越，受來水負荷變化影響小，投資省、操作管理簡單且能美化環(huán)境，可充分利用農(nóng)村現(xiàn)有河流、池塘、農(nóng)田和荒地興建，在廣大農(nóng)村地區(qū)具有良好應(yīng)用前景。

3 人工濕地的技術(shù)制約

我國在“七五”期間已開始研究人工濕地技術(shù)，現(xiàn)已成功應(yīng)用于處理城市污水、工業(yè)廢水和景觀用水等方面[5]，但在實際運行方面仍然存在許多問題，主要包括低溫季節(jié)污染去除率低、填料易堵塞和溶氧供給不足等。

3.1 低 溫

在氣溫較低的季節(jié)，當濕地水溫低于4 ℃時，微生物活性基本處于最低狀態(tài)甚至休眠，加上植物干枯，濕地出水水質(zhì)較差，難以達到設(shè)計出水水質(zhì)要求。Song等[6]比較了中國北方地區(qū)人工濕地一年四季污染物去除效果，發(fā)現(xiàn)秋冬季節(jié)CODcr去除率比春夏季約降低10%，TP去除率約下降20%，NH4-N降低更超過40%。Akratos等[7]研究發(fā)現(xiàn)低溫對濕地氮磷去除影響較大，15 ℃是維系系統(tǒng)有效脫氮除磷的最佳溫度。在間歇曝氣濕地內(nèi)，Tang等[8]研究發(fā)現(xiàn)，濕地系統(tǒng)CODcr，NH4-N，TN和TP去除率分別在8月和11月達到極大值和極小值，溫度下降使CODcr，NH4-N，TN和TP去除率分別降低5.3%，4.1%和7.6%。王茂玉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，實施秸稈覆蓋等簡單保溫措施后，濕地處理效果顯著提高，有機物去除率普遍在80%以上，冬季濕地內(nèi)溫度>7 ℃可使有機物去除率保持較高水平。

3.2 堵 塞

堵塞問題被視為濕地運行維護過程中最大難題，Tuszyńska等[10]研究表明，堵塞可使?jié)竦叵到y(tǒng)CODcr去除效率降低35.0%，NH4-N去除效率降低更是達到76.2%。對于濕地的堵塞機理，Chazarenc等[11]認為水體中有機負荷和懸浮固體是濕地系統(tǒng)堵塞的最主要貢獻者，高有機負荷可以加速微生物代謝，產(chǎn)生更多污泥，而過高的總懸浮固體濃度則可直接積聚造成填料堵塞，通過曝氣反沖洗等手段可以降低或避免濕地堵塞。另外，填料粒徑也被視為影響堵塞的重要原因，孔徑較大的填料可有效地延遲堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。熊佐芳等[12]研究發(fā)現(xiàn)，垂直流人工濕地無機物積累高出有機物積累4.5倍以上，填料堵塞對CODcr去除效果影響不明顯，但對NH4-N去除效果影響較大，隨著填料堵塞程度加劇，NH4-N去除率逐漸下降。鄢璐等[13]發(fā)現(xiàn)無論是水平潛流濕地還是垂直潛流濕地，堵塞后土壤有機質(zhì)均積累嚴重且主要發(fā)生在濕地前部表層, 水平流濕地和垂直流濕地有機質(zhì)積累分別達到4.3%和5.0%。

3.3 溶解氧供給

濕地系統(tǒng)溶解氧供給主要源于大氣溶氧和濕地植物泌氧，但由于量小，難以滿足有機物降解、NH4-N硝化等需求，采取相應(yīng)措施提高溶解氧利用水平是改善濕地污染去除效果的重要途徑。在濕地前部、中部或后部曝氣，均能提高濕地中的溶解氧，且前部和后部曝氣的效果好于中部曝氣[14]。Zhang等[15]發(fā)現(xiàn)強化充氧使?jié)竦叵到y(tǒng)具有更穩(wěn)定的pH環(huán)境，濕地中硝化菌數(shù)量明顯增加，活性增強，硝化和反硝化作用都得到改善，強化充氧使TN去除率提高了48.3%。李春華等[16]在填料內(nèi)人工曝氣增氧，在最佳氣水比為6 ∶1時，濕地系統(tǒng) CODcr,NH4-N,TN和TP去除率分別達到67.1%,62.1%,60.2%,95.0%，合理人工曝氣可在低溫不利條件下保持較高污染物去除效率?？路驳萚17]通過微曝氣垂直流濕地工藝處理低濃度生活污水，發(fā)現(xiàn)濕地氧利用效率最高為14.0%，在氣水比1∶2條件下，BOD5和NH4-N去除率分別為74.4%和63.5%。Tang等[8]在人工濕地植物根際引入間歇曝氣，與無曝氣系統(tǒng)相比，曝氣使CODcr,NH4-N,TN和TP的去除率分別提高6.0%，10.1%，4.7%和8.8%，間歇曝氣能夠有效提高人工潛流濕地污染物去除效率。Nivala等[18]進一步將曝氣與保溫復合應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濕地系統(tǒng)的BOD5,CODcr和NH4-N去除效率分別可達到88.1%,44.0%和93.2%。

4 太陽能污水處理

太陽到地球的總輻射功率(換算為電功率)約177×1012kW，比目前全世界平均消費電力大數(shù)百萬倍。太陽能不但數(shù)量巨大，而且不產(chǎn)生環(huán)境污染，在石油和煤炭等化石能源日漸枯竭、環(huán)境污染日趨嚴重的今天，太陽能愈來愈受到人們重視[19]。我國幅員遼闊，太陽能資源比較豐富，據(jù)估算，我國陸地表面每年接受太陽輻射能總量3.4×103～8.4×103MJ/m2，平均值約為5.9×103MJ/m2[19]。目前太陽能利用主要分為2方面[19-20]：①利用光熱效應(yīng)，即把太陽光的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，用于加熱或保溫；②利用光伏效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆Υ嬗谛铍姵?，?yīng)用于其他領(lǐng)域。在污水處理領(lǐng)域，太陽能的光催化、光伏加熱和光伏發(fā)電等成功用于淡水生產(chǎn)、污水凈化及資源回收等。

4.1 光催化

光催化降解污染物是太陽能污水處理中運用最為廣泛的技術(shù)。Senthilnahan和Philip[21]采用薄膜連續(xù)光反應(yīng)器催化降解農(nóng)藥，發(fā)現(xiàn)氮摻雜TiO2在光催化下可完全降解初始濃度為50～250 μg /L的甲基對硫磷、敵敵畏和林丹。Bernabeu等[22]研究發(fā)現(xiàn)TiO2光催化不僅能有效去除污水處理廠出水中的抗生素等新型污染物，還能100%去除糞大腸桿菌。復合拋物面太陽能集熱器在800 kJm-2 UVA輻照強度下，光Fenton過程能夠去除木材加工廢水中70%的CODcr，高效液相色譜分析進一步表明廢水中的甲醛、三聚氰胺等有機物被完全去除前已進行過有效降解[23]。在榨汁廢水處理中，Lucas等[24]發(fā)現(xiàn)在Fe2+和H2O2濃度分別為5 mg/L和50 mmol條件下，31 kJ/L的UV太陽能輻射光Fenton反應(yīng)促使有機物發(fā)生礦化和提高可生化降解性，CODcr和總酚去除率高達90%。對造紙污水，TiO2光催化降解造紙廢水污染物符合準一級動力學反應(yīng)，在最佳TiO2劑量(0.75 g/L)和pH(6.5)條件下，180 min陽光照射可去除75%的CODcr和80%的懸浮物，廢水可生化性得到很大提高，BOD5/CODcr的比值可達到0.35[25]。光催化過程在飲用水消毒方面也獲得成功，在投入Fe(Ⅲ)的PET塑料瓶中，TiO2光催化能夠去除井水中94%以上的As(Ⅲ)和AS(Ⅴ)(初始砷濃度為500～1 800 μg /L)，提高了含砷水體的飲用安全性[26]。

此外，光催化能夠與其他污水處理技術(shù)相結(jié)合。在pH=5條件下，添加20 mg/L的H2O2后，單獨太陽光照射可去除自來水中50%～60%的總有機碳(TOC)；如果再投入1 mg/L Fe3+，TOC去除率將增加至70%～90%。Moncayo-Lasso等[27]將光催化與慢砂濾相結(jié)合后，加氯消毒前的慢砂濾能夠完全去除水體中的天然有機質(zhì)，少量殘余TOC可有效避免消毒過程中三氯甲烷生成，提高了自來水飲用安全性。光催化+濕地在處理市政污水中也表現(xiàn)出極大優(yōu)勢，Antoniadis等[28]發(fā)現(xiàn)光催化氧化和后續(xù)沉淀可去除85.9%的溶解態(tài)有機碳和73.0%的磷，濕地能進一步削減12.7%的總?cè)芙鈶B(tài)有機碳和17.9%的磷。

4.2 光伏加熱

光伏加熱的基本原理是通過太陽能輻射收集，轉(zhuǎn)換成熱能加以利用，輔助污水處理系統(tǒng)保溫。Meng等[29]利用溫室-太陽能熱水器組合增溫工藝提高和保持厭氧消化反應(yīng)器的消化溫度,實現(xiàn)厭氧消化反應(yīng)器在中溫(春、秋、冬季)和高溫(夏季)條件下高效穩(wěn)定運行。研究發(fā)現(xiàn)，與自然狀況下的厭氧反應(yīng)器相比，溫室中的太陽能加熱系統(tǒng)可使反應(yīng)器溫度在春、夏和秋季分別提高13.0～28.5 ℃，15.0～26.5 ℃和10.7 ～12.2 ℃?？紤]到地中海地區(qū)豐富的太陽能資源，Scrivani等[30]提出利用太陽能進行淡水生產(chǎn)和污水處理設(shè)想，通過太陽能將海水加熱至250～350 ℃，在對水體消毒同時，生成的水蒸氣通過壓縮冷凝生產(chǎn)淡水。污水處理方面，加熱蒸發(fā)掉水分后，高溫消毒后的殘余物作為肥料回田。于威等[31]設(shè)計的日光溫室太陽能土壤加溫系統(tǒng)可提高地溫4～5 ℃，比地埋秸稈增加地溫3～4 ℃。張建洲等[32]利用太陽能照射塑料薄膜保證濕地系統(tǒng)在冬季或夜間維持正常運行所需溫度，確保了植物在寒冷季節(jié)處理生活污水的能力。

4.3 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電具有發(fā)電效率高、功率大、占地小和布置靈活等優(yōu)點，根據(jù)光線采集方式不同，可分為槽式、塔式、碟式、菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)，其中槽式是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)[33]。光伏發(fā)電技術(shù)在污水處理中得到了成功應(yīng)用，于萍等[34]在張家港市重污染河道花園浜河中引入了太陽能曝氣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上下游30 m范圍內(nèi)水體DO濃度較之對照區(qū)顯著升高，運行一段時間后，水體透明度得到明顯改善，CODcr，TN，NH4-N和TP最大去除率分別達到37.2%，16.9%，45.6%和33.5%。吳東磊等[35]提出將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與曝氣機相連，利用曝氣管對濕地進行曝氣，保證濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物溶解氧需求，增強污水有機物的氧化分解。李躍起等[36]申請了農(nóng)村人工濕地的太陽能供電專利，計劃利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)解決偏遠山區(qū)和農(nóng)村污水處理站無常規(guī)電網(wǎng)、用電難等問題，在節(jié)約資源的同時為農(nóng)村污水的濕地凈化處理提供可靠的清潔能源。

5 太陽能濕地技術(shù)

太陽能光熱和光電效應(yīng)能解決濕地系統(tǒng)低溫處理效率下降、溶解氧供給不足和堵塞等問題。將太陽能利用與濕地工藝相結(jié)合，探討提出太陽能濕地保溫和濕地供氧及防堵技術(shù)，能夠為農(nóng)村生活污水高效處理提供新的技術(shù)支撐。

5.1 太陽能濕地保溫

采用太陽能光熱效應(yīng)儲存能量，在低溫季節(jié)和夜間為濕地系統(tǒng)供熱保溫，能夠提高濕地填料吸附滯留、微生物新陳代謝和植物組織吸收污染物效率。太陽能濕地保溫技術(shù)見圖1。

圖1 太陽能濕地保溫技術(shù)路線Fig.1 Technical route of solar heating wetland

從圖1可看出，利用太陽能集熱器收集輻射和實施熱轉(zhuǎn)移，借助溫度控制器的探針調(diào)控濕地系統(tǒng)水溫，確保濕地正常運行；在濕地系統(tǒng)內(nèi)敷設(shè)加熱盤管等熱傳導設(shè)施，由熱轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)保溫或加熱。為盡量提高熱利用效率，濕地結(jié)構(gòu)可采用絕熱材料，余熱在熱轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)器控制下進入熱儲存裝置，進行豐歉調(diào)節(jié)。

5.2 太陽能濕地供氧及防堵

太陽能光電效應(yīng)為濕地供氧和防堵塞提供了技術(shù)可能。利用太陽能供電驅(qū)動濕地填料內(nèi)部布置曝氣管或曝氣頭，既能提高濕地溶解氧可利用率，還能夠氧化降解有機物，預防因有機物積累導致的堵塞。對已堵塞物，還可利用氣流破壞淤積物，再生濕地填料內(nèi)孔隙和污染去除性能。太陽能濕地供氧及防堵技術(shù)見圖2。

圖2 太陽能濕地供氧及防堵技術(shù)路線Fig.2 Technical route of solar aerated anti-blocking wetland

從圖2可看出，利用太陽能電板收集輻射和產(chǎn)生電能，并儲存于蓄電池中，采用可編程邏輯控制器(PLC)調(diào)節(jié)濕地供氧和曝氣參數(shù)。為提高濕地微生物溶解氧利用效率，可將曝氣裝置埋設(shè)于上層30 cm填料內(nèi)，該區(qū)域的污染去除最活躍且最易堵塞[8]。

6 結(jié) 語

我國廣大農(nóng)村地區(qū)太陽能資源豐富，經(jīng)濟技術(shù)條件落后，采用廉價高效和簡便易行的生活污水處理技術(shù)對改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，保障生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水安全十分必要。本文將太陽能技術(shù)與人工濕地有機結(jié)合, 提出了基于綠色能源利用的濕地保溫技術(shù)和濕地供氧與防堵技術(shù)。新型人工濕地技術(shù)適宜處理農(nóng)村地區(qū)分散和難以集中收集處理的生活污水，還能夠有效解決濕地工藝自身存在的地溫季節(jié)效率低、易堵塞和供氧不足等問題，改善了濕地除污效果和運行的穩(wěn)定性，且管線布置少、易維護操作、無能源消耗、可靈活布置等特性有利于其推廣應(yīng)用。為了推動太陽能濕地技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，今后還需進一步提高太陽能光熱和光電生成和儲存技術(shù)、降低太陽能裝置成本，提高其經(jīng)濟技術(shù)效益。

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