丹麦人工湿地技术治污的实践研究白文荣

水环境北京水利2005年第5期丹麦人工湿地技术治污的实践研究白文荣`王新春’周有2(l北京市北运河管理处1011002丹麦特兰斯福生态环境科技发展北京公司100038)摘要人工湿地去除污染物的范围广泛,包括氮、磷、悬浮物、有机物、微量元素、病原体等,其对污水的处理有十分复杂的净化机理。湿地中填料、微生物、植物3者协同作用,通过物理、化学及生化反应等过程实现污水的净化。通过丹麦人工湿地技术在污水治理中的实践应用与研究,分析了该项技术在温榆河流域污水治理的适用性及功能性,以求为温榆河流域污水治理提供技术支撑。关键词人工湿地治污实践研究丹麦人工湿地技术充分利用湿地填料、植物根系和微生物3者之间的相互作用,通过优化湿地水力负荷和增加特定微生物活性,使植物根系与填料一起形成特殊的生物膜结构,而形成一个集生物化学、机械过滤、吸附作用和植物作用的综合处理工艺,从而有效去除污染物。1丹麦人工湿地技术特点11系统的运行机理丹麦人工湿地即丹麦根脉净化系统,污水以垂直流潜流式滤过长有芦苇、菱白等深根植物的浅层多孔滤床,植物根系可利于提供氧气;该系统介质由特殊的有机物、矿物质和天然材料混合组成,有利于微生物的吸附,以保证湿地系统的高生物量,从而发挥污染物的去除功能,详见表l。表1丹麦根脉净化系统去除污水中污染物的作用机理物理作用机理沉降对污染物的去除与影响过滤生物微生物代谢植物代谢植物植物吸收自然死亡在湿地中重力沉降固体,以利于植物和微生物去除通过颗粒间相互引力作用及植物根系的阻截作用,可沉降及絮凝固体,达到阻截去除的目的利用悬浮的底泥和寄生于植物上的细菌的代谢作用将凝聚性固体、可溶性固体进行分解成无机物;通过生物硝化一反硝化作用去除氮;微生物也将部分重金属氧化并经结合而被去除利用植物对有机物的吸收而去除,植物根系分泌物对大肠杆菌和病原体有灭活作用相当数量的氮和磷被植物吸收而去除细菌和病毒处于不适宜环境中会自然衰竭和死亡1.2高效复合功能的湿地介质湿地人工介质的组成对污水净化效果有着直接的关系。丹麦人工湿地介质是根据实验点状况采用天然土壤加以改良,并增加了矿物质和化学添加剂(无毒无害)而研发的新型根脉人工活性介质,且其混合配比考虑了水力流量控制和湿地单元的坡度设计,具有抗堵塞、抗低温、良好的微生物成长空间及物理截留、化学沉淀、吸附和离子交换的功能。1.3污水分配和集水系统人工湿地系统的配、集水系统非常重要,尤其对干保证湿地的正常运行,包括防堵塞、均匀布水、集水、最大效率地充分利用湿地、提高湿地的处理负荷等方面。丹麦人工湿地,在综合参考国内外人工合成湿地系统设计思想、设计模式和实际使用经验后,在布水介质层、布水管网设计、开孔率、水的流向流态等方面都进行了不断地改进,从而保证湿地污水处理系统运行的稳定性、高效性。1.4根脉净化系统植物的选择及项目的景观建设植物是人工湿地系统的重要组成部分,除植物吸收作用去除氮、磷等污染物外,植物更重要的作用是通过根分泌物影响系统中微生物的特性进而影响系统的处理效果。微生物是系统中有机污染物和氮分解去除的主要执行者,系统中微生物数量与净化效果呈现着正相关性。实验点龙道河人工湿地,优选适宜北京地区生长的,且具有根系发达、繁殖能力强、泌氧能力强的湿地植物,如芦苇、菱白、香蒲等,并对所选的植物进行了对比试验。用生活污水培收稿日期:2005一07一12作者简介:白文荣(1966一),女,高级工程师。水环境北京水利2005年第5期养的植物样品,经采集和跟踪监测(如叶、茎和根),并同的床体长28.0m,宽ZI.sm,深1.45一1.65m,有效处理时对根部的微生物团进行监测,结果见表2。污水的面积约600mZ。工艺流程见图1。表2湿地植物的监测数据污水一)清水-)面积/m2植物部位生物团重量/(kg/mZ)总重量/合计/gk叶8.2茎根0.877.312.27}泵坑、提升{图1一}丹麦人工湿地{一}跌水、景观{人工湿地污水处理工艺流程83.60随着人工湿地建设的发展,生态美学价值也成为该技术追求的目标之一,充分体现在湿地的清洁性、独特性、偷悦性和可观赏性等方面。而这些价值的体现主要是通过植物和湿地周边配套景观的建设来实现,使得湿地的建设既具有美观可欣赏性,又能改善周围水环境。龙道河人工湿地建设过程中,充分考虑了工程建设的所在地理位置—彼邻别墅区,在利用水生植物治污除臭的同时,配以工程措施,形成一个有花有草、并有景观水景的场所。1.5冬季运行方式北京地区冬季较冷,而微生物一般在6一巧℃时其活性是稳定的,为了确保冬季运行效果,项目在设计、研究过程中予以考虑。丹麦根脉净化系统介质的顶部20cm是有机介质,可以给下面的活性介质提供14℃的温度保障;另外,植物茎杆可以起到支撑冰层的作用,可在湿地表面形成“冰盖”,在冰层界面下创造一个根脉介质不冻结的自然环境,确保系统在冰层以下能够正常运行。实验证明,外界极端气温在一25℃时,介质层20cm下的污水温度可达6℃左右。由于芦苇茎杆是中空的,氧气仍然可以通过芦苇茎杆到达根部,以供微生物正常的好氧呼吸。为确保湿地冬季能够正常的运行,还可以利用可调节水位的控制装置、采用高松散度的耐冻人工介质以及利用植物落叶和植物体形成一个隔热层等等来保障冬季的运行。2实验点概况龙道河位于北京市顺义区空港区西部,是温榆河上游的一条支流,全长20km。河道内主要接纳的是生活污水,流量2.1万mVd,河道水质严重超标,见表3。3方案设计考虑项目的研究示范性,根据治理前龙道河人温榆河口前取水点水样测试结果,设计日处理量为200m,。在经过丹麦根脉净化系统处理过后,出水水质设计达到国家《地面水环境质量标准》GB3838一2002的IV类限值,见表4。一,OOQ了一,jll曰`ù,,一犷一月峥,1O自一n,之]表4龙道河设计进、出水水质/(mg/L)项目CoDc:BODSNH3一NSS`Tp地面水环境质量标准VI类地面水环境质量标准V类进水水质100.2.0100.410535203761.6注:*采用《城市污水再生利用景观环境用水水质》GBT/18921一2002。丹麦根脉净化系统的污染物负荷:c0D。r为0.035kg/(m’·d);NH,一N为6.69/(mZ·d);Tp为1.99/(mZ·d)。4系统运行与出水水质的检测系统通过自动控制实现连续运行,且运行参数根据不同时段和不同水量进行调节,而湿地内种植的植物采用从植物基地移栽的方法,种植密度为5一7株/mZ。通过系统运行,在不同的季节和时段分别对进水和出水主要营养物质进行跟踪监测,以便掌握系统的运行状况和水质的处理效果,具体数据见表5一表7。表5根脉净化系统污水处理总磷监测结果日期监测样品数量/对进水总磷/(mg/L)出水总磷/(mg/L)去除效果/%一%96表32004年1月至3月龙道河水质现状2004年夏季2004年冬季4.82一6.261.95一4.710.0()l一0.180.0()1一0.14/(mg/L)c0DMnNH3一NSS12.0BODS52.4表6根脉净化系统污水处理氮的监测结果20.028.0TPDO一1.5日期样品数量/对污染因子进水氮/(mg/L)出水氮/(mg/L)去除效果/%实验点位于龙道河入温榆河河口右岸长约42m,宽25m的空地内,湿地进水的取水点位于河道右岸堤角处,湿地出水口位于取水点下游巧m处。该人工湿地污水处理系统2004一06一01至20()4一12一24TN37.6一77.0915.4一22.0166一7214NH3一N16·8一29·904·10一6·375一79水环境北京水利2005年第5期表7根脉净化系统污水处理对COO的去除效果进水温度/样品数量/进水COD/(mg/L)出水COD/(nlg/L)去除效果/13.5一一1.595.7~120.292.8一129.118.0一26.216.4一21.974一8583一875运行情况和监测结果分析5.1不同温度下的系统运行效果与分析从监测结果可以看出,系统进水温度最高13.5℃、最低一1.5℃;系统出水温度最高1.05℃、最低5.5℃。通过对总磷去除率来分析,水温对磷的去除效果影响不大。当夏季气温较高,进水中总磷含量较高时(夏季水中总磷含量为4.82一6.26mglL),出水中磷的去处率可以达到96%,而冬季进水水温较低时,总磷的含量也随之降低(冬季水中总磷含量为1.95一4.71mglL),出水中磷的去处率也可以达到96%。通过分析发现,河水中磷含量的高低,与水温有关,当温度较高时,河道底泥中会将截留、沉积的磷释放到河水中,而经过人工湿地处理的污水,出水水温变化不大,所以对磷的截留和分解较为稳定。为进一步确定污水在系统中停留时间长短对污水中磷的去除效果,通过变换停留时间参数(2.5d、3d、4d、5.5d、sd),观察根脉净化系统对磷的净化效果的影响,发现停留时间长短对系统出水中磷的浓度影响不大。在不同温度下,系统对COD指标的去除效果有一定影响。系统进水COD浓度一般为91.8一134.2mglL(个别达到261.7mg/L),而出水COD浓度一般小于25mg/L,但是气温较高时系统出水COD的浓度高于气温低的季节;进水中悬浮物为39一55.6mglL,出水的悬浮物通常较低,为smglL以下,受温度的影响不大。5.2有机污染物去除在污水处理过程中是用BODS、COD等综合性指标表征水被有机污染物污染的程度,并以它的变化来指示有机污染物降解净化的程度。经过对湿地进、出水检测数据分析,系统进水CoD值101.40mg/L时,出水ZOmg/L左右,COD去除率大于80%,系统进水BODS值为38.89mglL时,当高,进水总磷平均为5.75mglL时,出水可在0.巧mglL以下,去除效果达85%一99%,达到了很高的水平,并且不需投加化学药品,这将对天然水体的保护和污水资源化的实施起到很好的推动作用。5.3氮、氛氮的去除由于龙道河接纳的主要是生活污水,河水含氮的浓度较高,大多数以NH3一N和有机氮形式存在。经过系统处理,进水NH3一N的浓度在24.11mg/L左右,出水在5.57mg/L左右,去除率为77%,进水总氮的浓度37.6一77.09mg几,出水15.4一22.01mglL,去除率为69%。根脉净化系统对总氮的去除率为66%一70%,对NH3一N的去除率相对高(75%一79%),表明根脉系统中存在一定的硝化作用和反硝化作用,也说明了丹麦根脉净化系统技术在解决水体富营养化问题上有独特优势。6结论及建议通过项目的实践研究分析,丹麦人工湿地系统是一种低能耗、管理运行简便、有效去除氮、磷等污染物的生态污水处理技术,尤其在冬季低温情况下仍能稳定运行,适用于北方地区河道污水治理。通过实践,证明了污水处理是完全可以做到既保证生物技术含量高,又保证低成本运行,达到可持续发展的目标,是实现污水资源化的有效途径之一。且人工湿地符合自然生态要求,适应生态河道建设的大环境。温榆河沿岸有较宽阔的河道滩地,而自然的河道水位落差及完善的闸坝管理系统均为湿地系统建设提供了地理条件及运行管理保障。因此,利用人工湿地技术在温榆河流域的水污染治理方面具有广泛的推广应用价值。参考文献1梁威,胡洪营.人工湿地净化污水过程中的生物作用【J].中国给排水,2003,(19):25一31.2吴献花,侯长定,王林,等.人工湿地处理污水的机理【J].玉溪师范学院学报,2002,15(一):103一105.3高拯民,李宪法.城市污水土地处理利用设计手册{M].北京:中国标准出版社,1991.对一18,,,J月、,尸`一汗人」~、.八~八,.,二卜,~.护``、.,.l币卜理净工r翻七I口4户,片切名之节4J`二~、多卜二月`盔4碑乃二巴」_,,JL`L,,.二J汤hJJ减,」分