阶梯复合潜流人工湿地处理农村污水

环环境境生生态态修修复复作作业业 研研究究生生姓姓名名蔡 正 泉 学学科科 领领域域 环境工程 专专 业业 班班 级级硕士四班 学学 号号20161200342 研研 究究 课课 题题 新型阶梯复合潜流人工湿地处理农村 生活污水 指指 导导 老老 师师陈永华 新型阶梯复合潜流人工湿地处理农新型阶梯复合潜流人工湿地处理农 村生活污水村生活污水 蔡正泉 摘摘 要 要 农村污水中 N 和 P 的含量以及营养盐很高 并且含有大量 病毒和细菌 而去除污水中的 N 和 P 才是净化重点 虽然目前国内 外污水处理方式很多 但还是存在效果差 成本高 以及运行维护 难 占地面积大的缺点 新型阶梯复合人工湿地是一种将上行潜流 人工湿地和水平潜流人工湿地串联起来的工艺 在湿地前端增加了 沉淀池 有效防止基质堵塞和提高出水水质 在一级湿地跌水由下 往上进入基质 提高了湿地中溶解氧的含量从而增强了硝化反应 在二级水平潜流湿地内进行反硝化反应 大大提高了去除污水中 N 的能力 且抗污染冲击力大 本文将针对不同的基质以及植物的配 置和布水方式设计该设备的最优参数 同时满足占地面积小 处理 效率高 能方便管理和运行的要求 达到污水处理的最优效果 关关 键键 词词 农村污水 人工湿地 参数设计 前言 前言 本文主要是为了解决目前一些处理农村污水的人工湿地技术 所存在的缺点与不足 例如吴树彪等利用改造的家庭人工湿地组合 系统来处理北京周边农村的小餐馆生活废水 叶芬霞等采用塔式复 合人工湿地 TICW 处理宁波市某农村生活污水以及在乌鲁木齐平西 梁村成功的利用 SSFCWS 处理农村生活污水 虽然这些案例在一定程 度上满足了对污水的合理处理 但是仍然存在占地面积过大 植物 配置单一景观效果差 成本高 运行难等缺点 故笔者在原来的基 础上改进并设计了一种新型阶梯复合人工湿地 有效解决了诸类问 题 1 1 农村生活污水的排放及处理农村生活污水的排放及处理 1 11 1 国内农村生活污水排放特征国内农村生活污水排放特征 我国农村面积占全国面积的 57 09 且根据对我国具有代表性 的农村调查报告显示 我国 96 的农村没有排水渠道和污水处理系 统 每年有 2500 万吨的污水直接排放 其排放的主要污染特征有 产源分散 受地理条件影响 我国村庄布局分散 排放的污水也 比较分散 可集中收集的污水量较少 来源广 污染物浓度低 我国村镇地区的生活水平较低 受传统 生活习惯的影响 村镇生活污水除了包括厨房污水 洗涤用水 粪 便废水外 还有生活垃圾堆放而产生的渗滤废水 污水污染物浓度 比较低 水质 水量波动较大 村镇生活污水的水质 排放量 随农民生 活水平的不同以及生活方式的改变而有较大波动 很多村镇目前使 用的仍然是砖石渠道 在雨季或在地下水位高的时候 大量雨水和 地下水涌入污水收集渠道 造成水质 水量大幅度波动 收集困难 处理率低 由于我国村镇布局分散 规模较小 地形 条件复杂 污水不易集中收集 村镇污水排放量相对较小 排放点 数量多且分散 主要污染物为氮 磷 且含有大量的营养盐 细菌 病毒 给村镇污水的处理带来了一定的难度 可生化性较高 村镇生活污水的主要污染物为氮 磷 基本不含 重金属 可生化性较高 1 21 2 我国人工湿地技术在农村生活污水处理中的运用我国人工湿地技术在农村生活污水处理中的运用 1 2 1 人工湿地的概念与特征 人工湿地是由碎石 砂砾等基质和生长在其上的水生植物组成 污水在湿地基质的表层或表面下流动 靠基质的吸附 植物吸收 微生物转化等一系列过程降解水中的营养物质 是一种有别于自然 湿地的独特的土壤植物撒生物系统 人工湿地具有出水水质稳定 对氮磷等营养物质去除能力强 基建和运行费用低 维护管理方便 适于处理间歇排放的小排放量污水处理等优点 由于其良好的环境 生态效益 被许多国家推崇 其类型包括表面流人工湿地 水平流 潜流人工湿地和垂直流潜流人工湿地 其各自具有不同的优点和缺 点 表面流人工湿地具有投资少 运行费用低的优势 但是缺点是 处理效果差 容易滋生蚊蝇和产生恶臭 占地面积大等缺点 水平 潜流人工湿地具有处理效果好 不容易产生蚊蝇等优点 但是缺点 是容易造成堵塞 垂直流潜流人工湿地具有比其他两种湿地都好的 处理效果 占地面积较小 但是缺点是运行费用和基建费用较高 夏天容易滋生蚊蝇 1 2 2 我国人工湿地技术在处理农村生活污水中的应用 目前由于人工湿地的推广和应用 我国也出现了几例成功将人 工湿地运用于农村污水处理的案例 例如吴树彪等利用改造的家庭 人工湿地组合系统来处理北京周边农村的小餐馆生活废水 结果显 示系统对 COD NH3 N TP 的去除效果极好 去除率依次为 92 4 97 9 84 5 96 0 79 5 90 7 平均出水浓度依次为 33 6 mg L 2 88 mg L 0 66 mg L 但是其植物配置单一 抗污染负荷较 小 景观价值不高 以及经济价值低 叶芬霞等采用塔式复合人工 湿地 TICW 处理宁波市某农村生活污水 瀑布式水流有利于提高污 水的充氧效果 系统内土壤中氨化菌 硝化菌的等优势细菌的数量 增多 脱氮效果显著 对 COD NH3 N TN TP 的去除率分别为 72 82 83 63 但是其占地面积过大 以及反硝化反应差 基质成 本高 去磷效果不太理想 严弋等在乌鲁木齐平西梁村成功的利用 SSFCWS 处理农村生活污水 结果显示 在气候条件恶劣 昼夜温差 变化显著 季节性差异大的干旱地区 人工湿地依然可以正常运行 系统对 COD BOD NH3 N TP 的平均去除率分别为 78 3 61 1 46 4 和 66 2 研究获得的试验结果可为人工湿地在西北部农村地 区的应用做铺垫 2 2 阶梯复合潜流人工湿地的设计阶梯复合潜流人工湿地的设计 2 1 结构布置 如图所示 整体为一个倒梯形复合潜流人工湿地 外层为混凝土池 池高为 1600cm 整个装置埋于地下 池内设防渗层 埋深为 1400cm 上部长度为 3000cm 下部长度为 1800cm 宽度为 1200cm 进水蓄水池板高度为 1400cm 厚度为 100cm 进水沉淀池 隔板高度为 1200cm 厚度为 100cm 中央隔板高 1200cm 厚度为 100cm 出水池隔板高度为 1200cm 厚度为 100cm 右侧水平潜流人 工湿地水力坡度为 1 2 左边为上行垂直潜流人工湿地 右边为水 平潜流人工湿地 污水首先从左边的进水管进入沉淀池 然后从进 水蓄水池隔板溢流进入进水通道 从进水沉淀池隔板下面进入基质 上行从中央隔板的上面流入右侧水平潜流人工湿地 再由出水池隔 板下端出水 由出水管排出 上行垂直潜流人工湿地基质由下往上 分别为大砾石厚度为 200cm 粒径为 1 2 3 6cm 小砾石厚度为 400cm 粒径为 0 7 1 8cm 废砖块厚度为 400cm 粒径为 3 5cm 土壤层厚度为 200cm 水平潜流人工湿地基质由下往上分别为大砾 石 400cm 小砾石 400cm 煤灰渣 400cm 土壤层 200cm 植物选择 茭白或者美人蕉等经济美观价值高的植物 种植密度为 5 6 株 2 M 2 1 装置设计思路以及优点概括 2 1 1 防止堵塞 由于农村生活污水的主要成分为 N 和 P 以及大量的有机物和细 菌 甚至是泥沙等等 因此在前端设计了一个沉淀池将污水中的大 颗粒不溶物质沉淀 包括泥沙 大分子颗粒物 以及不溶的颗粒非 活性磷等等 这样就有效防止其造成基质的堵塞 2 1 2 对氨氮的去除 沉淀池在整个系统中相当于一个预处理单元 埋于地下 温度 较为恒定 不易受到外部空气温度波动影响 为细菌 硝化细菌和 氨化细菌提供了良好的繁殖场所 由于某些胶体杂质或水中吸附了 氨氮的杂质颗粒在沉淀池中被沉淀后经硝化细菌等氧化去除 使得 沉淀池出水氨氮体积质量降低 首先污水从蓄水池跌水进入基质 增加了水中的溶解氧含量 有利于硝化反应 废砖块的微孔隙以及 大附着面积为硝化和反硝化细菌提供了良好的繁殖条件 同时水中 的碳源含量丰富 从湿地基质下方上行可以保证下部硝化细菌的生 长繁殖 继续往上到了中部地区则为反硝化细菌提供了碳源和 3 NO 到了表面层则植物根系又提供了氧气 总的来说水中溶解氧水平提 高 有利于硝化反应 硝化细菌充足 但是反硝化细菌不足 然后 污水进入水平潜流人工湿地 其中反硝化细菌含量充足 有利于反 硝化反应 2 1 3 对磷的去除 磷在污水中以溶解态和颗粒态存在 分为有机 无机和聚合磷 酸盐 其中无机磷酸盐主要是来自洗涤剂等 有机磷化合物主要来 自生物过程 生活污水中的食物残余和废水中的活性或非活性生物 如来自处理池的细菌 等 当污水进入沉淀池后 部分颗粒态磷会 得到沉淀 垂直流湿地床部分磷的去除包括湿地植物吸收湿地微生 物的生物化学作用以及基质的吸附 络合和沉淀等 有研究证明 植物的吸收和微生物的活动对污水中磷的去除贡献不大 基质的吸 附和沉淀占除磷的 7O 87 水平潜流人工湿地湿地床的主体材料 为煤灰渣和砾石 污水中可溶性磷酸盐容易与基质中的 3 Fe 3 Al 等金属离子 金属氧化物和氢氧化物以及粘土矿物通过配位体 3 Ca 交换作用发生吸附和沉淀反应 生成难溶性磷酸盐而固定下来 2 1 4 其他优点及特征 本装备埋于地下 受温度和天气影响较小 同时景观价值高 基质成本低 为建筑废砖 煤灰渣等 并且占地面积小 3 3 结论与展望结论与展望 本装置针对以前一些处理农村生活污水的人工湿地技术的一些 缺点和不足进行改进 在布水方式以及湿地结构布置和基质与植物 的挑选方面都有改变 能够防止基质堵塞 对抗温度和天气影响 以及有效去除有机物 TN 和 TP 但是本设计还是存在许多的不足之 处 在基质的挑选方面还需要努力 本装置不能移动 应对变化能 力差 参考文献参考文献 1 籍国东 孙铁珩等 人工湿地及其在工业废水处理中的应用 应用 生态学报 2002 13 2 224 228 2 周才扬 穆宏强 我国的水污染现状及防止对策 J 长江职工大 学学报 2002 19 4 8 9 3 张 政 付融冰 顾国维 等 人工湿地脱氮途径及其影响因素分析 J 生态环境 2006 15 6 1385 1390 4 U S Environmental Proctection Agency Manual Nitrogen Control EPA 625 R 93 010 Environmental Protection Agency 5 聂发挥 吴晓芙 胡日利 人工湿地中蛭石填料净化污水中氨氮 能力 城市环境与城市生态 2003 16 208 282 6 王晓娟 张荣社 人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究 J 环 境科学学 报 2006 26 2 225 229 7 李旭东 周 琪 张荣社 等 三种人工湿地脱氮除磷效果比较研究 J 地学前缘 2005 12 特刊 73 76 8 张春艳 韩宝平 王晓 从潜流式人工湿地设计谈提高氮去除率方 法的途径 四川环境 2007 26 1 80 84 9 徐德福 李映雪 用于污水处理的人工湿地的基质 植物及其配置 J 湿地科学 2007 5 1 32 38 10 汤显强 李金中 李学菊 等 人工湿地不同填料去污性能比较 J 水 处理技术 2007 33 5 45 48 11 方升华 不同生态河道基质材料对氮磷的吸附对比研究 J 北京 水务 2006 4 27 30 12 黄德锋 李田 不同基质复合垂直流人工湿地对富营养化景观水 的净化效果 环境防治与污染 2007 29 8 616 621 13 王红梅 张莹 人工湿地中 COD NH4 N 去除的研究 山东化工 2004 33 4 5 7 14 聂志丹 年跃刚 金相灿等 3 种类型人工湿地处理富营养化水 体中试比较研究 环境科学 2007 28 8 1675 1680 15 蔡明凯 邓春光 人工湿地氮转移影响要素及研究建议 安徽农 业科学 2007 35 6902 6933 16 刘育 夏北成 不同植物构成的人工湿地对生活污水中氮的去除 效应 植物资源与环境学报 2005 14 4 46 48 17 郑仁宏 邓仕槐 李远伟 表面流人工湿地硝化和反硝化强度研 究 环境污染与防治 2007 29 1 37 39 43 18 蒋永荣 莫德清 段钧元 潜流人工湿地植物根区氮转化细菌及 脱氮效果 桂林工学院学报 2008 28 2 222 225 19 王晓娟 张荣社 人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究 J 环境科学学报 2006 26 2 225 229 20 黄娟 王世和 鄢璐 潜流型人工湿地硝化和反硝化作用强度研 究 环境科学 2007 28 9 1965 1969 21 陈娟 丁为民 人工湿地基质吸附氮磷效果研究进展 江西农业 学报 2008 30 20 2 106 108 22 吴晓磊 污染物质在人工湿地中的流向 中国给水排水 1994 10 1 40 43 23 张强 唐娜 潜流人工湿地系统中氮去 除影响因素研究 安徽农业科学 2008 36 26 11517 11519 24 聂发辉 吴晓芙 胡曰利 人工湿地中蛭