廊道式人工湿地项目报告

廊道式人工湿地工程报告2研究目标本工程拟通过对上海市农村生活污水处理状况的调查以及对适用于处理农村生活污水的相关工艺效率的分析研究，发现目前人工湿地工艺处理农村生活污水出现的问题，结合有关的污水处理原理和有关研究的结论，找出一些可行的解决途径，为农村生活污水处理装置的设计和处理效果的优化提供参考意见。分析人工湿地工艺在处理农村生活污水时常出现的问题据美国环保局对100多个运行中人工湿地的调查,有将近一半的湿地系统在投入使用后的5年内出现了堵塞问题,其水力传导系数降低,除污效果变差,运行寿命缩短[8]。人工湿地的堵塞问题越来越成为其应用的障碍,弄清人工湿地堵塞的机理,探寻相应的解决措施和预防对策十分必要而迫切。普遍认为,造成湿地堵塞的原因是基质层中固体颗粒的累积。目前,对该方面的研究大都集中在积累的主要成分是有机物还是无机物以及进水有机负荷、填料、运行方式、湿地植物的作用等对颗粒积累程度的影响上。针对垂直潜流人工湿地处理系统中的填料堵塞问题所开展的诸多研究认为,有机质和无机质等固体颗粒积累是导致垂直潜流人工湿地填料堵塞的重要原因叶建锋等认为,垂直潜流式人工湿地发生堵塞的成因主要是基质层中非过滤性成分的积累所致。经进一步的分析发现堵塞并不是进水中粒径>5.μm的不可滤物质被直接截留的结果,而是由基质层中不可滤成分积累造成的,当基质外表生物膜形成后,污水中不同粒径的悬浮物或胶体状态的底物凝聚和吸附在微生物的外表,进而形成大粒径絮团状的累积物,从而造成有机物和无机物的共同积累[9]。〔1〕有机负荷与有机质积累许多研究说明,有机负荷对基质层的堵塞有很大影响。由于有充足的水和营养供给,人工湿地中的植物年生产力很高(地上局部干质量可到达7131~8155kg/m2),导致较高的潜在有机负荷。因此,在季节转换时,应将湿地植物的地下局部也一并去除,减小有机负荷以保证湿地的长期运行。Platzer和Mauch建议人工湿地的有机负荷不要超过25gBOD/(m2·d)[10]。T.H.F.Wong和Laak认为,堵塞与湿地系统到达平衡状态前的有机负荷有关。平衡状态前,湿地系统中的微生物种类少,或者处理某种污水的功能性微生物数量缺乏,过高的有机负荷不能被及时分解,进而导致堵塞。Laak进一步指出,湿地系统到达平衡之后堵塞与有机物的积累有关,当有机物积累到一定程度,沉积在湿地外表的有机物形成了一层黑色粘膜,以及由于受低温限制而没有发生化学变化的有机化合物导致系统孔隙的外部堵塞,而沉积在孔隙内的有机物那么导致了孔隙内部的堵塞[9]。人工湿地的有机物累积主要发生在外表和深度约100mm以上的填料层。付贵萍等研究说明,填料中的有机质直接影响填料的缓冲性、渗透性、通气状况和填料温度等,对填料是否堵塞起着关键作用,是一项需掌握的重要指标[11]。因此,他们提出有机质积累是导致湿地堵塞的一个重要原因。〔2〕无机颗粒虽然多数学者认为有机质积累是人工湿地堵塞的重要原因,但是就低有机负荷的潜流人工湿地处理受污染河水系统而言,其填料堵塞机制可能存在较大的不同。靖玉明等人的研究说明,填料孔隙的堵塞现象主要发生在中试系统的前段(沿水流方向距进水点约0~5m),堵塞物主要为无机颗粒物。因此他们认为必须加强能够有效去除无机颗粒物的预处理工艺[12]。结合人工湿地工艺出现的问题设计用于预处理的厌氧生物处理工艺通过以上的分析可看出，用于预处理的工艺对进水的处理要到达的目标是：降低人工湿地的进水的有机负荷；降解大分子有机物，减少人工湿地的有机质积累；去除局部无机颗粒物。目前，用于生活污水处理的人工湿地系统中最常用的前处理系统有SepticTanks(ST)和ImhofTanks(IT)，然而这两种系统在运行过程中经常出现问题。由于不能有效去除污水中悬浮物(SS)，因此ST-CW和IT-CW系统经常遭遇堵塞的问题，尤其是在有机质含量较高的情况下，堵塞问题尤为严重。将厌氧池作为预处理系统与人工湿地相结合，是一种最近开展起来的有效组合工艺。该系统相比以上两者，对SS的去除率可提高30%~50%[13]，这可以有效的防止湿地堵塞问题。而且，厌氧池占地面积小，可减少人工湿地30%~60%的有效占地面积，并可防止恶臭的产生[14]。厌氧池-人工湿地组合工艺，不仅可有效去除污水中有机物质和营养成分，而且具有经济技术投资少、耗能低、维护简便、产泥量少等优势，这在农村地区污水的处理上具有其他工艺无法比较的优势[15]。另外，为了优化处理效果，可前置小型格栅+沉砂池，减少后续处理构筑物的负荷，延长系统使用寿命。人工湿地的选择与设计拟选择独特设计的廊道式人工湿地。目前，人工湿地多采用矩形，然而多年的研究和实践运行说明，矩形人工湿地易产生布水不均匀，出现死角，占地面积大等一系列问题。张克强等通过设计廊道式人工湿地处理生活污水的研究说明，湿地的环流设计与常规的矩形湿地相比，在同等污水处理量同滞留期的前提下，减少了占地面积，延长了水流的硝化处理路程，消除了系统死区，提高了微生物的附着量，大幅度减少了蚊虫的孳生量，降低运行本钱，在更大程度上，实现了景观美化与环境治理的双重效益[16]。提供可行的维护方案〔1〕选择适宜的填料粒径及级配粒径较大的基质可以有效地防止堵塞的发生,但过大的粒径会缩短水力停留时间,影响净化效果,因此需要在保证净化效果和防止堵塞两者之间选择一个最正确平衡点;对于有多层填料的垂直流人工湿地,除填料粒径,不同粒径填料之间配比的选择也十分重要[20]。〔2〕选择适宜的湿地植物湿地植物能产生相当数量的有机物,减少由植物造成有机物堵塞的方法是可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物并定期收割植物的地上局部[21]。〔3〕合理的进水厌氧加速了系统的堵塞[19],间歇进水可保证湿地的复氧,加速有机物的分解,堵塞总是发生在高水力负荷的系统中[20],而水力负荷很大程度上决定着其污染负荷,因此合理选择进水次数、进水量及时间间隔可有效防止湿地的堵塞。〔4〕曝气充氧由于厌氧状态是导致基质中胞外聚合物积累的重要原因,因此对污水进行预曝气充氧可以起到一定的预防堵塞作用[22]。由于污水在渗透过程中其DO值会迅速降低,而在散水管周围供给空气那么可以有效提高污水的DO浓度,维持基质中的好氧状态,使微生物的分解作用得以维持,同时还可以防止基质中胞外聚合物的蓄积[9]。〔5〕停床、轮休通过停床休作与轮作,一方面可以使大气中的氧进入湿地内部,促进好养微生物的活性,加快降解基质中沉积的有机物;另一方面由于系统停止进水,微生物新陈代谢需要的各种营养物得不到持续的补充,从而抑制微生物的生长[23]。〔6〕投加蚯蚓L.Davisonh等认为,蚯蚓可以清通基质以及去除基质外表的有机沉淀物,从而恢复人工湿地基质的水力传导性能[17]。但这种方法还处于初步研究阶段,实际工程的效果还有待进一步验证。〔7〕水位控制由于蚊蝇滋生和杂草的腐烂经常会导致湿地的严重堵塞。周期性的淹水以及植物栽种不久后的淹水都有助于控制杂草。而且周期性淹水和排水有助于打乱蚊子的生长周期,从而控制蚊子数量。而对于潜流型人工湿地来说,植物生长时,保持湿地的水位极其重要。有关研究说明,在人工湿地建立初期,当植物成活后,可以通过降低水位来刺激其地下根的伸展。这不仅有助于氧化沉淀在湿地里的有机碳化物、硫化铁和其他缺氧化合物,并且可能抑制细菌的活性[18]。2.3拟解决的关键问题设计人工湿地的结构，使人工湿地的好氧厌氧分区较明显以提高脱氮除磷的效率人工湿地表层种植植物品种的选择人工湿地填料的选择3、拟采取的研究方案及可行性分析3.1拟采用的工艺流程见下列图一3.2人工湿地的设计及对污水处理效果分析第一级子湿地在整个湿地的最内圈,为圆形结构,采用布水管由内而外沿圆弧均匀布水,该子湿地采用垂直潜流工艺,因为原水水质较差,时常带有恶臭,同时也是蚊虫寄生繁殖的最正确环境,所以采用垂直潜流模式不会将污水暴露在土层以外,从而消除了臭味,也抑制了蚊虫卵的寄生,再运用适当的填料、湿地植物和间歇进水的方式,可为该子湿地有效充氧,有利于湿地的有氧呼吸和硝化作用[24]。该种工艺类型的子湿地对SS、COD、BOD的降解能力较强。图二-廊道式人工湿地俯视图湿地的其他各级那么为与第一级同心的圆环结构,在第二级区域内,第一级出水口的下方,要分割出一个较小的扇形集水池,该池可起到缓存集水、跌水增氧和进水布水的作用,但不宜过大,因为这里容易孽生蚊虫。通过集水池和与其相连接的集水管可以为第二级子湿地进行对称并联式布水。第二级子湿地一般要设计成水平潜流式人工湿地模式。根据水力负荷率和长宽比等约束条件确定出湿地宽度,采用适当的填料和挺水植物,来进行水质处理。该级为整个湿地的主要处理单元之一,受工艺类型的作用,该级子湿地的厌氧处理能力和有机质降解能力较强,可以去除绝大局部的SS、COD、BOD和局部氮磷等[16]。只要水力学结构、填料配置和植物选配得当,该子湿地会形成一个良好的厌氧、好氧和兼性处理区域,使有机质降解,硝化与反硝化都能够很好进行。将第二级湿地的出水进行聚集,然后在出水口的下方,也就是第三级湿地的区域内,分割出一个与一二级子湿地之间具有类似功能的集水池,为第三级子湿地进行增氧跌水和进水布水[16]。第三级子湿地宜采用外表流人工湿地模式,因为在外表流湿地中,不但可以种植挺水植物,还可以种植沉水植物和浮水植物,尤其是一些藻类,因为藻类生长所需的主要营养物质就是碳、氮和磷的化合物[25],它能够从生物的角度更有效更彻底的去除氮磷,弥补了前两级子湿地依靠附着、硝化和反硝化的动平衡作用来去除氮的缺乏,同时在光合作用的条件下,还可以为湿地环境增补充足的氧气,增强了系统的好氧处理能力。3.3人工湿地植物的选择植物选种，既要考虑植物对系统渗透性能的影响,又要考虑净化效果、美化功能等方面的因素。可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物,并定期收割植物的地上局部。每种湿地植物都有它自己的特点，如果选择几种湿地植物进行合理的搭配，不仅会使湿地的净化效率提高，而且净化效果也变得更稳定，还很有可能解决NO3--N的净化问题。单一物种的净化能力有限，而且受季节影响较大。本工程不单一种植一种植物，而是选用多种植物配合种植。拟采用的植物：挺水植物：风车草、菖蒲、水生美人蕉、香蒲、黄鸢尾浮水植物：睡莲、圆币草、浮萍沉水植物：苴草、莕菜、水绵、狐尾藻。各级子人工湿地依据实际运行的水力流动和填料情况以及水质选择不同的主要挺水植物，但都需配合其他植物一起种植。3.4人工湿地填料的选择武俊梅、王荣等的研究说明，在高负荷水力条件下，用于垂直流人工湿地的沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣和生物陶粒八种填料中生物陶粒对有机物，沸石对氮，无烟煤对磷的处理效果相对较高[26]。鉴于农村生活污水为有机物、氮和磷综合污染的特点，拟选用生物陶粒、无烟煤、沸石的组合填料。组合比例依实际运行时考虑降低本钱以及防止堵塞和提高处理效果等因素进行优化选择。4、本工程的特色与创新之处〔1〕拟采用廊道式人工湿地。湿地的环流设计与常规的矩形湿地相比