垂直流芦苇床人工湿地对京郊农村生活污水氨氮的去除效能李鹏

番城礴供水麟翔嗓{口TYAND八)环W环乙刁r石丑SUPPLY·城镇排水垂直流芦苇床人工湿地对京郊农村生活污水氨氮的去除效能李鹏,,张成军,,刘宝存,,赵同科,,禹宙,,张军,,张东兴,,梁松川’(1.北京市农林科学院植物营养与资源研究所,北京100097;2.北京森森天成环保科技有限公司,北京1(xX〕813.北京市延庆县种植业服务中心,北京102100)摘要:利用便携式水质分析仪器分别于2010年四月(记为寒冷期)和2010年五月(记为温暖期)对上磨村生活污水人工湿地处理系统的进水和出水氛氮开展了五天和七天的现场连续采样监测。两个监测时段的水温分别为2一3℃和9一12℃,随着气温的逐步回升,污水温度逐渐升高,出水的氨氮浓度随之降低;两个监测时段内,氛氮去除率随入水浓度的升高而增加,对于相对低浓度的氨氮入水,人工湿地在温暖期较寒冷期更易发挥其去除功效;温暖期水温升高,微生物活性渐渐升高,出水氨氮浓度呈下降趋势,其对应的去除率呈增加趋势。关键词:垂直潜流湿地;氛氮;农村生活污水;现场监测;温度1引言在我国农村城镇化快速发展的情况下,农村生活污水处理率较低,造成水环境尤其是农村水环境恶化的风险逐渐加大。据建设部2005年对全国部分村庄的调查,我国有%%的村庄没有排水沟渠和污水处理系统〔’,,]。除农村污水处理率低这一显著问题外,分散间歇排放是农村污水的又一特征。农村污水造成的环境污染不仅是农村水源地潜在的安全隐患,还会加剧淡水资源危机,使耕地灌溉得不到有效保障,危害人民群众的生存发展〔’]。而中小城镇和农村人口占我国人口的60%以上,他们生活在我国大部分的国土面积上,所以产生的污水亚待合理处理。农村生活污水主要为洗衣、餐厨洗刷、洗澡废水,污水中一般不含有毒物质,往往含有N、P等营养物质,还有大量的细菌、病毒和寄生虫卵〔4]。氨氮是农村生活污水的主要污染物之一。水体中所含的氨氮,特别是流动较慢的湖泊、海湾等封闭水体中的氨氮会造成水体富营养化,使某些藻类恶性繁殖,并通过食物链影响人类的健康,甚至会导致湖泊的干涸消亡〔’〕。大多数农村地区多近邻甚至位于地表水源地,因此控制农村污水的氨氮达标排放,对防止河流湖泊水体富营养化具有极为重要的现实意义。大部分农村生活污水的性质相差不大,与呈现多元化的城市污水水质相比较为稳定,因此适合用生物法和土地法处理。人工湿地是利用自然湿地生态系统中物理、化学、生物的三重协同作用,通过人工设计和建造的一种新型污水处理工艺[6〕。人工湿地污水处理技术与其它污水处理技术相比具有“一高、三低”的显著优势,即对污水的处理效率高、工程建设投资低、运行费用低和维护技术要求低。非常符合我国农村污水处理需求的特点,是较为适宜的技术选择。人工湿地在我国农村生活污水处理上已有多种尝试〔’一”〕,但目前尚有些不尽如人意的地方,其中温度因素对人工湿地处理效率的限制作用就是一个较为普遍的问题。本文以近年在北京相对冷凉地区延庆县修建的人工湿地为考察对象,探讨在该区域不同时期垂直流芦苇床人工湿地对农村污水氨氮处理效果的变化规律,为该类型的人工湿地在相应地区的推广应用研究提供参考。2材料和方法2.1人工湿地位置与状况上磨人工湿地生活污水处理系统位于北京市延庆县永宁镇上磨村,该村被称为妨河源头第一村,160城镇供水增刊2011·城镇排水君丝益,墨CITY月刀刀万刀尸W砰洲了E况S之夕尹甲凭Y,.尸是北京市延庆县民俗旅游村。该人工湿地由北京市农林科学院植物营养与资源研究所、延庆县种植业服务中心和北京森森天成环保科技有限公司联合出资设计施工,于2X()9年七月底竣工,属垂直潜流湿地。在一定长宽比和底面坡度的洼地中由不同填料(主要为细沙和砾石和陶粒)混合组成填料床,床体表面种植具有性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物芦苇,形成一个芦苇床生态系统,除厕所黑水外,全村150多户的餐厨、洗衣等用水统一通过本村管网汇人人工湿地预处理系统,之后再进人人工湿地系统。湿地面积约900扩,生活污水设计处理量为60m,/天,如图1。尸---------------图1垂立流芦萦床人工湿地处理系统实景经湿地处理后出水进人控制井,控制井可以根据实际出水水质及水量大小调节湿地系统水位的高低。流经控制井后,出水进人出水井,通过此井一部分出水可排人河流,另一部分出水可根据需要回流至人工湿地系统的中水池。按照构筑物平面布置及人水控制形式,将垂直流芦苇床人工湿地填料床分为南北两个区,详见图2。2.2水样采集与测定分别于2010年4月20日至2010年4月24日(为期五天,记为寒冷期)和2010年5月18日至2010年5月24日(为期七天,记为温暖期)的每天上午9:oo、中午14:oo、晚上19:oo三个时段采集人工湿地人水口、南区出水口、北区出水口水样各一次,将每天所取得的三次样品混合,测定混合水样氨氮记为本日氨氮日均值,同时测定水温。记录每天最高及最低气温状况。氨氮的测定采用便携式水质分析仪器universalphotometerNANoCoLAR@sooD,将水样混合后用定性滤纸过滤,移液管吸取过滤后的水样1mL于给定的NH450药品管中,加人Ammonium3一502R药品一粒摇匀。将试管放置在univesralphotometerNANOCOLAR@sooD,调节仪器为NH4十一N状态,等待巧分钟读取读数即为水样中NH4+一N含量。3结果与讨论3.1出水氨氮浓度人工湿地在寒冷期和温暖期两个时期的污水氨氮处理效果如图3和图4所示。在为期五天的寒冷期监测时段,人水氨氮平均浓度为22.6m『L,南北两区出水氨氮平均浓度分别为19.6m岁L和18.omg/L,该监测时段室外气温最低温度在3一8℃,最高鑫鑫幽趁趁{{{攀黔``碑碑纵铸铸图2垂直流芦苇床人工湿地平面布t及分区城镇供水增刊20n161番,{;袱燕孜、一·城镇排水温度在8一20℃,而水温则在2一3℃;为期七天的温暖期监测时段,入水氨氮平均浓度为10.3m酬L,南北两区出水氨氮平均浓度分别为or.Om岁L和9.6m岁L,该监测时段室外气温最低温度在10一巧℃,最高温度在20一35℃,而水温则在9一12℃。可以看出,随着气温的逐步回升,污水温度逐渐升高,出水的氨氮浓度随之降低,降幅接近50%。两个时期氨氮的去除率均不高,这主要与温度尚未达到合适的条件,填料床栽种的芦苇根系及湿地微生物活动较弱有关。国内外大量研究表明,对污水处理起决定性作用的是生化作用,如果人工湿地里的植物和微生物在湿地中的生长受到影响,将直接影响到人工湿地的处理效果,其中环境温度就是重要的影响因素,温度过低会使生物体内酶的活性降低,使生物的生存能力降低,有的种类甚至无法生存,使湿地里的生物量降低,造成人工湿地污水处理效率大大降低l2[]。一.-入水口间,使得出水较入水在时间上具有一定的滞后性,另一方面由于该地区位于山区,海拔在500米以上,天气回暖时间较晚,监测时段人工湿地中对氨氮去除起主要作用的微生物活性仍然较弱,对氨氮的处理效果尚不稳定。已有研究表明,水温低于10℃时,人工湿地的处理效率会明显下降〔`,〕,寒冷期和温暖期前四天水温均不高于or℃,对应的氨氮处理效果均较差,这与相关研究结论一致。3.2人水氨氮浓度对水体氨氮去除率的影响分别分析寒冷期和温暖期两个不同监测时段人工湿地每日人水氨氮浓度与对应氨氮去除率,结果如图5和图6所示,在本试验人水氨氮负荷围内,出水氮氮浓度与人水氨氮浓度存在较明显的正相关性,人水氨氮浓度升高对应的去除率也随之增大,两个监测时段皆如此这与相关报道[”〕具有较好的相似性。图中氨氮的去除率和人水氨氮浓度的关系采用对数曲线拟合,曲线的导数表示人工湿地人水氨氮浓度每升高一个单位对应氨氮去除率所增加的百分数,导数越高,氨氮去除率随对应人水氨氮浓度升高而增加的越快,氨氮去除效率越高。表1和图5、图6均表明,相同的人水氨氮浓度下,温暖期南、北两区人工湿地对氨氮的去除效率均高于寒冷期,符合微生物脱氮的基本原理。sn加Jlùù、)I,`,`ǎ一、“已à北区去除率南区去除率201.;沸.202010闷之12010河.2220104之3日期20]0.4之4—北区氨氮去除率与入水浓度的对数拟合一南区氨氮去除率与入水浓度的对数拟合`ónUS八”胡和喊喊图3人工湿地寒冷期入水、出水氨氮浓度变化,二2三.2f,6三月(、卜65.86RZ二0书月,6,一.-入水口-叫}~一北出水口~~气扮.-南出水口oy=94.866nL(x)一27732记二0·8.:0乃几nnUU”-2诵铃菠米喊城05101520253035200比6日礴口、“任à喇如喊喊:}}厂丫丫广广了广。期入水氮氮浓度(mgL/)图5表1寒冷期不同入水氮氮浓度与对应的去除率图4人工湿地温暖期入水、出水氨氮浓度变化不同监测时期南北分区氮氮的去除率和入水氨氮浓度关系拟合曲线导数监测日霭1}从每个监测时段人水与出水的日均氨氮浓度相对变化来看,存在少数几天出水日均氨氮浓度高于同日人水氨氮浓度的情况,该特殊情况的形成一方面是由于入水在人工湿地中存在一定的水力停留时拟合曲线导数寒冷期温暖期分区北区南区丝25.87/x.21/x些ISU创全85/x162城镇供水增刊2011城镇排水·;粼竺钻.叠CITY月刀刀几尹尸澎砰沁了王况S〔IPPLY,.尸北区去除率南区去除率—北区扭妞去除率与入水浓度的对掀拟合-,·一南区红盆去除率与入水浓度的对致拟合必必必几几几3.`,。`x、.3:。.,:厂厂``”朋,,砂`““yyy户180·8,L。`x)一420.1444RRR之=o名2月22260一040.0误20·0北区南区—北区水沮与氛扭去除率的线性拟合—南区水沮与奴权去除率的找性拟合二李=15一6冤一165.5RZ二0401扩.0乃004,`..00.0000.00-2闷石铃盆带喊喊0.0ǎ次à铃菠米一20.0喊甘40.0石.00y=12Jx一125.1扩.0月220369121503`入水妞权浓度9(.嗯矛L)1215水沮(℃)圈`沮暇期不同入水抓氮浓度与对应的去除率圈7沮吸期不同水沮与对应的妞氮去除率对于寒冷期,依据拟合对数曲线方程可知,当南北两区人工湿地人水氨氮浓度分别大于13.64m梦L、18.6Om岁L时,理论上对应的氨氮去除率大于0,而对于温暖期,当南北两区人工湿地人水氨氮浓度分别大于or.lZm岁L、9.87m盯L时,理论上对应的氨氮去除率大于O,这说明对于相对低浓度的氨氮人水,人工湿地在温暖期较寒冷期更易发挥去除功效,若想发挥人工湿地在寒冷期的氨氮去除功效,可在一定范围内适当增加人水氨氮浓度。3.3温度对氨氮去除率及出水氨氮浓度的影响寒冷期监测水温状况,人水和出水温度均在2一3℃,温暖期水温则在9一12℃,由于寒冷期监测阶段水温变化很小,本文重点讨论温暖期水温变化对氨氮去除率及出水氨氮浓度的影响。对温暖期水温与南北两区氨氮去除率作图(图7)可知,水温升高,南北两区氨氮去除率均呈增加趋势。对温暖期水温与南北两区出水氨氮浓度作图(图8)可知,水温升高,南北两区出水氨氮浓度均呈下降趋势。基质、植物和微生物是潜流湿地系统的主体,三者对污水中含氮污染物的净化作用是相对独立而又相互关联的。有关报道[”·”]称微生物在潜流湿地脱氮过程中发挥着更为重要的主导作用,微生物在好氧和厌氧环境下,主要通过开环、断键分解成简单分子、小分子等作用,实现对污染物的降解和去除,如氨化、硝化/反硝化过程均是以微生物为主体而发生的。微生物过程中,硝化/反硝化受温度影响随季节的变化而变化〔’4〕且在许多研究中都发现了反硝化率与温度的正相关关系〔”,’6],寒冷期温度降低,植物枯萎死亡,停止吸收并且逐渐向系统中释放氮,一北区.南区—北区水沮与出水氛氮浓度的线性拟合—南区水沮与出水奴盆浓皮的峨性拟合y一刁.肠x+15.44记=o一,Q..)铸派;.、=刀,一几+一,3,0侧堪喊城节习R.=叮1.45月S7111315(℃)圈8沮暇期不同水沮与对应的出水妞氮浓度寒冷期过后,随着温度的逐渐回暖,微生