污染控制与资源化研究国家重点实验室,学环境学院,南京210093收稿日期: 2005209205修回日期: 2006201203录用日期: 2006201214摘要:采用人工配水模拟太湖地区农村生活污水水质,利用改进的自动增氧型潜流人工湿地对其进行处理,结果表明: COD、NH +42N、TP进水浓度分别在132. 4～392. 6 mg·L – 1、21. 58～50. 26mg·L – 1、3. 60～13. 17mg·L – 1范围内变化时, COD、NH +42N、TP的去除负荷随着进水浓度的升高而增大,其最高去除负荷分别为226. 38 kg·d – 1·hm – 2、44. 40 kg·d – 1·hm – 2、10. 44 kg·d – 1·hm – 2 ,相应的去除率为89. 45%、88. 93%、90. 25%,且系统有较强的抗冲击负荷能力.关键词:潜流式人工湿地; 模拟生活污水; 脱氮除磷; 污水处理文章编号: 025322468 (2006) 0320404205中图分类号: X70311文献标识码: ATrea tment of rura l domestic sewage with self2aera tion subsurface constructedwetlandSUN Yabing3, FENG J ingwei, TIAN Yuanchun,Li Shu, TIE J ingxi, ZHANG J ibiao, YUAN ShoujunState Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment Nanjing University, Nanjing 210093Rece ived 5 Sep tember 2005; rece ived in revised form 3 January 2006; accepted 14 January 2006Abstract: The synthetic wastewater, simulating the water quality of rural domestic sewage in TaiLake watershed, was treated with imp roved self – aerationsubsurface constructed wetland. The experiment results indicated that, in the range of influent wastewater concentrations which were 132. 4 ～392. 6,21158～50. 26, 3. 60～13. 17mg·L – 1 for COD, NH +42N, TP, respectively, the removal loadings of COD, NH +42N and TP increased as the increasing ofinfluent wastewater concentration, which were 226. 38, 44. 40, 10. 44 kg·d – 1·hm – 2 , respectively; the corresponding removal rates were 89145%,88193% , 90. 25%, respectively, and the p rocess can resist the loading fluctuation.Keywords: subsurface constructed wetland; synthetic rural domestic sewage; denitrification and phosphorous removal; sewage treatment1 引言( Introduction)太湖是上海和苏锡常、杭嘉湖地区最重要的水源. 随着农村城镇化进程加快,农村生活污水的排放量大大增加. 同时,农村人口居住相对分散,而且没有统一的污水收集管网,无法进行集中处理,导致大量没有经过处理的生活污水直接排入农村附近水体,最终进入太湖造成了严重的水体污染. 现有的研究表明(高超等, 2002;金相灿等, 1999) ,太湖流域水污染物的排放总量已远远超过流域水环境的承载能力,其主要问题是氮、磷等富营养物质的大量流入,而太湖流域农村生活污水对太湖水体富营养化的加速发展起到一定的作用. 因此,解决农村生活污水处理问题、有效控制营养物质的流入,将有助于减轻太湖的富营养化、改善太湖水质.研究适合农村生活污水特点的处理技术成为环保领域里十分紧迫的课题.传统的人工湿地系统是上世纪七八十年代发展起来的新型废水处理方法. 该工艺主要依靠湿地系统中的植被、土壤和微生物对废水中的污染物进行吸收、过滤和分解,因不消耗动力而具有处理效率高、投资少、运行管理费用低等特点. 近年来人工湿地处理方法已成功用于含油废水( J i et a l. ,2002) 、城市生活污水( Senzia et al. , 2003; Davidet al. , 2002; Srinivasan et a l. , 2000) 、暴雨径流(杨敦等, 2002) 、矿山废水(Clare et al. , 004) 、养殖场废水的处理( Stonea et al. , 2004) ,以及湖泊面源污染防治(段志勇等, 2002).然而,从现有的人工湿地运行效果来看,其处理农村生活污水还存在一些不足的地方,第一、脱氮效率不高,一般在40% ～50%;第二、季节适应性不强,受温度影响较大;第三、湿地系统中微生物的作用发挥不充分;第四、潜流式人工湿地经过长期运行以后土壤板结形成堵塞,导致处理效率下降.本实验采用人工配水模拟太湖地区农村生活污水水质,主要针对目前潜流人工湿地中DO低、脱氮效率低的问题,利用改进的潜流人工湿地———自动增氧型潜流人工湿地对其进行处理,在不消耗任何动力的情况下增加潜流人工湿地中的DO,提高潜流人工湿地的脱氮效率及去除污染物的能力,并为太湖流域的农村生活污水处理提供理论依据.2 实验设计与方法(Experiment design and method)2. 1 湿地系统的设计潜流人工湿地处理区长×宽×高为105 cm ×75 cm ×70 cm,坡度约2%;下部5 cm填充粒径10～20 mm碎石,上部填充粒径3～8 mm碎石,填料层的平均孔隙率约为38% ,有效容积为200 L;床体前2 /3段种植芦苇,后1 /3段种植茭白;沿湿地长度方向在35 cm、70 cm处设置取样口,取样深度距湿地底部50 cm.潜流人工湿地上部芦苇和茭白的种植密度为36株·m- 2 ;为改善潜流人工湿地中的缺氧状态,本实验采取了一些增加潜流人工湿地中DO的措施,湿地中铺设3层PVC穿孔管,一方面增加管路中废水与空气的接触,增强大气的输氧作用;另一方面,系统采用连续进水、间歇出水的方式,出水水位通过与出水口相连的软管调节, 当系统出水时, 将PVC管路中与大气接触时间较长的废水引入湿地,改善湿地的缺氧状态. 图1为自动增氧型潜流人工湿地处理系统的剖面、俯视图. 图1自动增氧型潜流人工湿地处理系统剖面、俯视图( 1. 水生植物, 2. 管线, 3. 进水口, 4. 粗填料, 5. 出水口, 6. 细填料)Fig. 1 The p rofile and p lanform of the self2aeration subsurfaceconstructed wetland ( 1. hydrophilous p lant, 2. conduit, 3.influent 4. thick padding, 5. effluent, 6. thin padding)2. 2 运行条件反应器进水采用模拟太湖地区农村生活污水水质的配水,每100 L 自来水中添加硫酸铵10. 4g、葡萄糖16. 0 g、蛋白胨3. 2 g、磷酸二氢钾3. 2 g.实验时间为2005年5月10日至7月28 日,系统稳定运行一个月后于6月16日开始对各项指标进行监测;为检验此系统的抗冲击负荷能力,在实验后期( 7月20日至7月28日)提高了各项指标的浓度(每100 L自来水中添加硫酸铵20. 0 g、葡萄糖35. 0 g、蛋白胨5. 0 g、磷酸二氢钾6. 5 g配制进水) . 配水水质见表1,系统进水量约72 L·d- 1 ,连续进水,每天排水3次, HRT约3 d. 为了降低此潜流人工湿地的负荷,对人工配水用三格化粪池进行预处理,化粪池最后一格填充粒径3 ～8 mm碎石,经化粪池预处理后水质见表2.表1人工配水水质Table 1 W ater quality of the synthetic sewage 时间/d 水温/℃ pH DO / (mg·L -1)CODCr / (mg·L -1) NH + 4 2N / (mg·L -1) TP /(mg·L -1) 0～3024. 5～31.26.49～7.56 1. 2～1. 8 132.4～165.6 21.58～28.75 3. 60～8. 26 34～4227. 5～33.36.41～6.831. 2～2. 3 294.0～392.6 43.14～50.26 11. 29～13. 37 表2潜流人工湿地进水水质Table 2 Influent water quality of the self -aeration subsurface constructed wetland 时间/d 水温/℃ pH DO / (mg·L -1 ) CODCr / (mg·L -1 ) NH + 4 2N / (mg·L -1 ) TP / (mg·L -1 ) 0～30 24. 6～35. 7 6. 69～7. 43 0. 9～1. 7 63. 6～119. 2 10. 90～24. 97 1. 92～6. 64 34～42 29. 0～34. 9 6. 50～6. 90 1. 0～1. 3 179. 6～276. 8 39. 75～48. 56 10. 18～12. 65 2. 3 指标及测定方法水温和DO 采用YSI52型溶解氧测定仪测定;pH采用6219 型pH计测定; CODCr采用重铬酸钾法测定; NH+42N采用纳氏试剂光度法测定; TP采用钼锑抗分光光度法测定(魏复盛等, 2002).3结果与分析(Results)目前,大多数学者都用去除率来表征污水处理系统的处理效率,但相对而言在污染物浓度较低的情况下,少量的污染物去除也会表现为较高的去除率;因此,笔者采用污染物去除负荷来表征系统对污染物的去除能力.3. 1COD的去除情况图2是湿地运行期间COD的降解情况. 从图2a可以看出,在进水浓度范围内COD的去除负荷随着进水浓度的升高而增大,最高去除负荷可达226. 38kg·d- 1 ·hm- 2 ,相应的去除率为89. 45%;虽然在实验后期加大了系统的水力负荷,但该潜流人工湿地系统的出水COD浓度一直保持在55 mg·L – 1以下,说明系统有较强的抗冲击负荷能力(梁继东等, 2003).图2b是沿湿地长度方向COD的变化情况,无论在较低水力负荷,还是较高的水力负荷下,有机物在进入湿地的前1 /3段即被有效的去除,后2 /3段去除作用比较小. 图2自动增氧型潜流人工湿地内COD的变化情况( a. 去除效果, b. 沿程变化)Fig. 2Changes of COD in the self2aeration subsurface constructed wetland ( a. removal effect, b. variation along the wetland length)3. 2NH+42N的转化与分析在湿地中氮主要通过水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径被去除,但人工湿地脱氮最主要是靠微生物的硝化、反硝化来实现;植物根系向下生长形成有利于微生物实现硝化作用的好氧微区,同时在远离根系周围的厌氧区又为反硝化作用提供了条件(杨敦等, 2003).图3a是湿地运行期间NH+42N的转化规律. 与COD的降解规律类似,在进水浓度范围内NH+42N的去除负荷随着进水浓度的升高而增大,最高去除负荷可达44. 40 kg·d- 1·hm- 2 , 相应的去除率为88193%;虽然在实验后期加大了系统的水力负荷,但该潜流人工湿地系统的出水NH+42N浓度一直保持在5. 5 mg·L – 1以下,也显示了系统较好的抗冲击负荷能力.图3b是沿湿地长度方向NH+42N的转化情况,在较低水力负荷下,NH+42N在进入湿地的前1 /3段去除比较明显,但后2 /3段对出水水质的稳定起了重要作用. 在较高的水力负荷下,尤其是在水力负荷突然升高的情况下,前1 /3段去除能力明显下降;但随运行时间的增加,前1 /3段的去除能力又有所加强,后2 /3段保证了出水水质的稳定. 图3自动增氧型潜流人工湿地内NH+42N的变化情况( a. 去除效果, b. 沿程变化)Fig. 3Changes of NH +42N in the self2aeration subsurface constructed wetland ( a. removal effect. b. variation along the wetlandlength)3. 3TP的去除与分析磷在人工湿地系统中的去除原理包括微生物正常的同化和植物的吸收作用、聚磷菌的过量摄磷作用、填料的物理化学作用. 其中,最主要的是填料对磷的吸附作用及其纳磷容量,而植物吸收对有机磷的去除效率影响不大(Dong et al. , 2005). 图4a是湿地运行期间TP的去除情况. 在进水浓度范围内TP的去除负荷与进水浓度的变化规律是一致的,系统对TP的去除保持着较高的水平,最高去除负荷可达10. 44 kg·d- 1·hm- 2 , 相应的去除率为90125%;虽然在实验后期加大了系统的水力负荷,但该潜流人工湿地系统的出水TP浓度一直保持在1. 3 mg·L – 1以下,显示了此系统较好的抗冲击负荷能力. 图4b是沿湿地长度方向TP的去除情况, 无论在较低水力负荷下,还是在较高的水力负荷下,TP在进入湿地的前1 /3段去除比较明显;但当负荷突然升高时,前1 /3段的缓冲能力比较弱,随运行时间增加,前1 /3段的去除能力又有所恢复,后2 /3段保证了出水水质的稳定. 图4自动增氧型潜流人工湿地内TP的变化情况( a. 去除效果, b. 沿程变化)Fig. 4Changes of TP in the self2aeration subsurface constructed wetland ( a. removal effect, b. variation along the wetland length)3. 4DO的变化与分析潜流人工湿地中的溶解氧状态与COD、NH+42N的去除有着十分密切的关系. 本实验潜流人工湿地中DO的变化情况见图5.该潜流人工湿地进水DO平均为1. 2 mg·L – 1 ;在距湿地入口35cm处DO下降比较明显,主要是因为COD去除和硝化反应的耗氧;有文献报道(张甲耀等, 1998) ,潜流人工湿地充氧能力较低,湿地处理区内水体及出水的DO都为0. 由于在湿地中铺设了三层PVC穿孔管,采用连续进水,间歇出水的运行方式,湿地上部填充粒径3～8 mm的碎石,增加了透气性. 湿地运行过程中内部的溶解氧状态有了很大的改观,自动增氧型潜流人工湿地增氧效果明显,使湿地内部DO始终保持在0. 5 mg·L – 1以上;在距湿地入口70 cm处DO有所升高,此时COD降解和NH+42N的转化基本完成(见图2、3) ,植物根系泌氧及大气输氧产生的氧量大于系统的耗氧,也说明了此系统较强的充氧能力;同时也保证了出水有较 图5自动增氧型潜流人工湿地内DO的变化情况(1. 10d,2. 14d, 3. 34d, 4. 16d, 5. 20d, 6. 28d, 7. 35d, 8. 18d,9. 24d, 10. 30d, 11. 12d)Fig. 5 Changes of DO in the self – aeration subsurfaceconstructed wetland高的DO (平均为1. 9 mg·L – 1 ).4结论(Conclusions)1)利用自动增氧型潜流人工湿地处理模拟农村生活污水, COD、NH+42N、TP的最高去除负荷分别为226. 38kg·d- 1·hm- 2、44. 40 kg·d- 1·hm- 2、10. 44kg·d- 1·hm- 2 ,且抗冲击负荷能力比较强.2)沿湿地长度方向COD在进入湿地的前1 /3段就被有效的去除,后2 /3 段去除作用比较小; 而NH+42N、TP在进入湿地的前1 /3段虽然去除比较明显,但当负荷突然升高时前1 /3段的缓冲能力比较弱,经过后2 /3段的处理才能保证较好的出水水质.3)自动增氧型潜流人工湿地增氧效果明显,湿地运行过程中内部DO 始终保持在0. 5 mg·L – 1以上, 同时也保证了出水有较高的DO (平均为119 mg·L – 1 ).References:ClareWoulds,Bryne TNgwenya. 2004. 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