国内污染水处理中人工湿地的研究与应用

国内污染水处理中人工湿地的研究与应用

随着工农业的发展和人民生活水平的提高，河流污染日益突出。2009年中国环境局发布的《我国203条河流水分控制监测段》中，第4段和第5段水质控制段占42.7%（各24.3%和18.4%）。河流污染加剧了我国水资源的严重污染，给经济生活、生活和健康带来了挑战。与生活污水或废水相比，污染河流的总流量在季节性变化较大，污染物浓度变化较大，水温变化较大。这些特点给河流污染的处理带来了很大困难。目前，常用于河流污染处理的技术有：四川河通风、土壤侵蚀等物理技术、生物膜法、通风氧气法、土壤处理、稳定塘、人工湿地等生态技术。其中，人工湿地的能耗低，运营成本低，维护简单，具有生态效应和经济效益。“河流污染控制和生态恢复”是国家中长期科学和技术发展计划（2006-2010）中“水体污染控制和治理”的16个主要主题之一。“水处理和生态恢复”被纳入水体污染控制和治理科技特别学科（以下简称“水专项”），“解决中国社会经济发展中制约的重大污染技术瓶颈”之一。因此,人工湿地作为一种可以实现“水体水质净化与生态修复”新型水处理技术,在我国污染河水治理中将发挥重要作用.但人工湿地用于处理污染河水的研究起步较晚,且影响因素众多,大量相关研究条件不一、结果迥异,为其应用带来了很大不便.针对这一问题,本文通过收集人工湿地处理污染河水设计参数、处理效果等数据并建立资料库,分析总结经验并为人工湿地技术在我国污染河流治理及水体污染控制领域的成功应用提供一定参考.1试验研究及示范工程用文献计量学方法统计分析中国知网(CNKI)中人工湿地处理污染河水的文献,1989—2009年相关报道共70篇左右,其中大多数集中在2006—2009年(图1).2002年首篇文献中提出了在北京温榆河构建人工湿地系统的初步构想,之后对人工湿地处理污染河水作进一步探讨并进行试验研究和建设示范工程.开展的研究包括湿地类型、填料植物选择、堵塞问题、脱氮除磷、水力学特性、季节影响、运行、设计探讨、生物多样性、对河流流态及水体中生物群落的影响等,并且对污染河水中重铬酸盐指数(COD)、高锰酸盐指数(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、悬浮物(SS)等污染物的去除率进行报道.其中涉及到的人工湿地类型主要有表面流、水平潜流、垂直潜流(包括复合垂直流)潜流和组合工艺4种,主要分布在云南、广东、江苏、北京和山东(图2).2不同类型的人工湿地在污染河流处理中的应用2.1填料和植物的选择表面流人工湿地和自然湿地最为接近,污水从填料表面流过,一般占地面积较大,容易滋生蚊蝇.由表1可知,表面流湿地处理污染河水的研究和实践较少.从构型或几何尺寸来看,其占地面积一般比较大,而且具有较大的长宽比(4以上).所用的填料以单一土壤或砾石为主.在植物的选择上,有选用单一植物并考察各种植物对污染物的去除效率差异,也有用多种植物组合.植物的种类丰富,芦苇、香蒲、美人蕉选用得比较多.从工艺流程的角度来看,污染河水进入表面流人工湿地之前,通过集水塘、配水井、稳定塘、絮凝沉淀池进行预处理以达到稳定和沉淀的目的.2.2研究对象和方法水平潜流湿地中污水从填料表面以下水平流过,与表面流相比,该类型湿地能承受更大水力负荷和污染负荷,可以避免产生恶臭和蚊蝇.由表2~3可知[7,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],我国南北地区都有用水平潜流处理污染河水的研究应用,南方主要分布在江苏省,北方主要分布在北京和山东.湿地规模多为小试和中试,最大占地面积为450m3左右.在工艺流程的选择上,大多数采用了预处理设施(包括集水塘、配水池、缓冲池、沉淀池等),并且进行分级布水.在填料的选择上,砾石、卵石、砂或土壤的组合最为常见,砾石使用最为广泛.一般从湿地床底依次向上铺设不同厚度的填料,有的只选用单一填料,底部和中部填料粒径较大,上层填料则采用粒径小的填料(比如土壤、沙土等),以满足植物栽种的需要.除了采用砾石、砂、土壤等传统的人工湿地填料外,也采用了粉煤灰、多孔介质生物填料、废砖或废陶(建筑垃圾)等新填料.在植物的栽种和选择上,采用单一植物比较少见,一般选用3种以上不同的植物混合种植或种植在不同的湿地床上(对分级的水平潜流湿地而言),选用植物种类最多达到了8种以上,为了景观效应栽种时配搭景观植物,选用比较多的植物为美人蕉、芦苇、香蒲、香根草等.2.3复合垂直流人工湿地的构建垂直流人工湿地一般分为单向垂直流和复合垂直流2类,污水垂直通过填料达到净化目的.其中单向垂直流又分下行流和上行流2种形式.目前一般采用下行垂直流,一般该类型湿地的硝化能力高于水平潜流,适合处理氨氮含量高的污水.复合垂直流则由2个或多个单一的下行流或上行流组合而成,因为污水停留时间增加,一般该类型湿地能承受较高污染负荷并且能提高对污染物的去除率.由表4可知[5,9,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38],垂直流人工湿地的研究和应用主要集中在我国南方地区(江苏、云南),以复合垂直流为主,并且大多数为模拟装置和小试规模.采用的填料以单一砾石为主;植物选择有单一的芦苇或菖蒲,或者栽种美人蕉、灯心草、风车草等多种植物.2.4非人工湿地建设中的组合方式组合工艺人工湿地即复合式人工湿地,一般由两个以上同种或不同类型的人工湿地池体通过串联或并联等方式组合而成,组合方式一般根据实际情况而定.由表5、6可知,在处理污染河水的研究和应用中,我国南方和北方地区都采用了组合工艺,南方报道得相对较多.组合的方式多种多样,除了各种类型人工湿地的串并联组合外,还出现了与沉淀池、砂滤池、氧化塘、生物塘(植物塘和景观塘)等其他非人工湿地污水处理设施的组合.填料选择上,采用单一砾石或砾石与其他填料(炉渣、煤渣、钢渣、生态陶粒、石英砂等)配合最为普遍.植物选择上,栽种单一植物芦苇的情况比较常见,此外有香蒲、菖蒲、美人蕉、风车草等常见湿地植物与其他植物配合栽种[5,9,14,33,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50].2.5高功能型表面流、好氧生物池、接触氧化池等设备的前处理原则用于污染河水治理的4种人工湿地类型中,表面流比水平潜流、垂直流(含复合垂直流)、组合工艺要少.从占地面积看,主要以试验装置、小试或中试规模为主,在北京官厅水库、辽宁海新河和云南滇池等地有工程应用.对于工艺流程,一般采用配水井、集水塘、蓄水池、沉砂池、沉淀池、曝气池、氧化塘、生物塘、好氧厌氧池、接触氧化池等设施进行前处理,以达到稳定并提高去除效率的目的.对于几何尺寸(长宽比),表面流一般较大,水平潜流和垂直流一般在1~2之间(但也有选用较大长宽比的情况),组合工艺一般分别给出各组成部分的长宽比.对于填料,可以分为土壤、砾石、砂、卵石等“比较常规的填料以及煤渣、钢渣、炉渣、水渣、生物填料、废砖、废陶、石灰石、生态陶粒、沸石等新填料.对于植物,可以分为芦苇、菖蒲、香蒲、水葱、美人蕉、风车草、灯心草等常用植物以及千屈菜、菱草、莺尾、梭鱼草、茭白、再力花、香根草、纸莎草、多花黑麦草、花叶芦竹、大薸、水芹菜、凤眼莲、浮萍等其他植物.填料和植物一般按单一(1或2种)或多种(3种及以上)组合搭配.对于水力负荷,一般在1m3·m-2·d-1以下,最大不超过2m3·m-2·d-1;对于水力停留时间,一般在1d以下或者5d以下,但最大达到24d;从文献中可以收集到的水力负荷和停留时间数据并不多.3通过不同类型的人工湿地分析污染河流中各污染物指标的去除效果3.1人工湿地对污染盐水中cod的去除效果河水受有机污染物污染的程度一般用COD、CODMn、BOD5来表达.由表7可以得知:比较各类型人工湿地对COD和CODMn去除率的平均值,垂直潜流和组合工艺对其去除效果要高于表面流和水平潜流(垂直流和组合工艺对COD的去除率分别为72.65%、71.4%,而表面流和水平潜流分别为58.99%、46%);对于COD,各类型人工湿地对其去除率的标准偏差都在20左右,而垂直流及复合垂直流仅为10.29,可见垂直流及复合垂直流型湿地对COD的去除有更好的稳定性.用t-test分析水平潜流人工湿地在南方和北方地区对污染河水中COD的去除率(采用双尾分布tails为2,异方差双样本检验type为3),其t检测的概率为0.012(P<0.05),可见该类型人工湿地对COD去除率的南北差异性显著.不考虑南北差异,用one-wayANOVA(SPSS16.0)统计分析除表面流外的3种类型人工湿地对污染河水中COD去除率可以得知,这3种类型对COD的去除率在0.01水平差异显著(P<0.01);再将这3种类型两两比较,可以得知水平潜流与垂直流及复合垂直流、水平潜流与组合工艺对COD去除率在0.01水平差异显著,而垂直流(包含复合垂直流)与组合工艺这2种类型对COD的去除率没有表现出明显的差异性(P=0.895).这进一步表明人工湿地类型及工艺流程的选择与污染河水中COD的去除效果关系密切,垂直流(含复合垂直流)及组合工艺这2种类型人工湿地要优于水平潜流.3.2人工湿地对污染盐水中tn的去除效果我国一般监测污染河水的TP、TN、NH4+-N、NO3--N等水质指标来反应污染河水受氮磷污染的情况.由表7可知,对于TN,各类型人工湿地对其平均去除率大致相当(50%左右);其中组合工艺型对TN的去除率南方明显优于北方;不同于对有机污染指标COD和CODMn的去除,垂直流及复合垂直流人工湿地对污染河水中TN去除率的平均值比其他3种类型低(仅为41%),但考查标准偏差可以得知垂直流及复合垂直流对TN去除效果有更好稳定性(标准偏差为16.17,而其他3种类型在21.3~29.59之间);用one-wayANOVA分析除表面流外的3种类型人工湿地对污染河水中TN的去除率可以得知,水平潜流、垂直流及复合垂直流和组合工艺这3种类型人工湿地对污染河水中TN的去除率,以及这3种类型两两之间,均没有明显的差异性(在0.05水平差异不显著).这表明污染河水中TN的去除受湿地类型及工艺流程影响较小,从去除效果稳定性来看垂直流及复合垂直流为优选类型.对于氨氮(NH4+-N),各类型人工湿地对其去除率平均值均介于50%~60%,分析标准偏差可以得知,4种类型对NH4+-N去除都有不稳定性(表面流标准偏差20左右,而其他3种类型介于24~28.5之间);对于水平潜流,从平均值来看,对污染河水中氨氮的去除南方地区要优于北方(南方地区去除率平均值为63.94%,而北方地区为50.3%),用t-test分析水平潜流人工湿地对污染河水中NH4+-N的去除率,采用双尾分布和异方差双样本检验,南北差异并不显著(P=0.416);用one-wayANOVA分析4种类型人工湿地对NH4+-N的去除率,4种类型之间或两两之间在0.05水平差异不显著,与TN具有一致性.这表明污染河水中氨氮去除受湿地类型影响不大,对于水平潜流,从去除率平均值来看存在南北差异.对于TP,4种类型对其去除率的平均值都在50%以上,标准偏差20左右;垂直流及复合垂直流对TP去除率平均值相比于水平潜流、组合工艺明显更高(分别为67.14%,55.8%和59.07%),且标准偏差更低(分别为21.32,22.88和22.5);用one-wayANOVA统计分析除表面流外的3种类型人工湿地对污染河水中TP的去除率,可以得知这3种类型之间和两两之间在0.05水平差异不显著.可以表明湿地类型及工艺流程选择对污染河水中TP的去除影响不如COD明显,其中垂直流及复合垂直流人对污染河水中TP有更好的去除效果及稳定性.4建立相应标准规范我国处理污染河水的人工湿地类型以水平潜流、垂直流(含复合垂直流)及组合工艺为主,表面流人工湿地研究应用较少.从可以收集到的资料来看,虽然积累了设计运行经验,但工艺混杂并且没有参考标准.因此,人工湿地作为一种可以实现“水体水质净化与生态修复”新型水处理技术,在河流污染治理成功推广应用需要进一步建立和完善资料库,建立相关标准规范.垂直流(含复合垂直流)及组合工艺人工湿地对COD的去除效果优于表面流和水平潜流,其中垂直流及复合垂直流对COD去除效果稳定性最好.各类型人工湿地对TN、NH4+-N和TP的去除效果并没有显著差异,对TN和NH4+-N的去除率平均值大致相当,并且对NH4+-N去除效果并不稳定.垂直流及复合垂