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人工湿地污水处理技术在高寒缺氧地区的应用

北极星环保网来源:江苏农业科学 杜甫义2017/10/17 14:48:13我要投稿
所属行业: 水处理  关键词:人工湿地 污水处理 污水处理技术

北极星环保网讯:人工湿地作为高效、低能耗新型生态污水处理工艺,在我国西藏等高寒缺氧地区的应用逐渐得到重视。受当地季节、温度等因素的影响,人工湿地的运行效果下降,特别是氮、磷污染物去除率偏低,限制了其在该地区的推广应用。结合目前人工湿地在国内外季节性低温地区的应用情况,系统地分析了影响人工湿地在西藏等高寒缺氧地区运行效果的因素,对提高人工湿地在该地区运行效率的各种强化措施进行了总结。

关键词:高寒缺氧地区;人工湿地;污水处理技术;去除率;运行效果;生态处理;温室保温

人工湿地是一种经人工设计、建造的工程化的新型污水处理工艺,它利用基质、植物及微生物形成的复合生态系统来模拟强化自然湿地自净能力[1-3],使水质得到净化。人工湿地处理污水具有出水水质好、建设运行费用低以及操作简单[2]等优点,在国际上已经得到广泛应用,在欧洲有超过50000座的人工湿地污水处理工程,在北美也超过10000座[4-5]。

我国西藏等高寒缺氧地区由于地域广阔、人口分散、经济技术相对落后以及自然环境较脆弱等原因,使得人工湿地生态污水处理技术成为该地区应对日益严重的水污染问题的首选措施。自1987年第1座人工湿地工程建设运行以来,人工湿地在我国的应用研究也日趋成熟,但在设计、建设以及操作运行上仍然存在诸多问题[6],在北方等季节性低温地区表现最为突出的就是冬季低温问题,而在西藏等高寒缺氧地区除低温外还有缺氧问题。

在我国西藏等高寒缺氧地区,由于常年平均气温、含氧量较低及昼夜温差大的气候特征,使得人工湿地系统在该地区应用时出现湿地植物长势较弱甚至休眠、根系微生物代谢减缓甚至停止等现象,进而影响系统的运行除污效率。

现有研究结果表明[7-9],在高寒缺氧地区人工湿地去除污水中有机物[化氧需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)]和悬浮物(SS)含量受低温的影响较小,主要受湿地床体垂直含氧量分布的影响;而铵态氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的去除率分别比气温适宜地区平均低120%~40.0%、12.3%~27.0%、6.1%~34.0%,可见低温、缺氧对氮、磷的去除效果影响较大。

在我国北方及全球中高纬度等季节性低温地区,通过改进人工湿地结构设计和采用薄膜、树叶、稻草以及冰雪等覆盖保温措施[10-14],可以保证人工湿地在冬季低温时期具有较高的去污能力,但在我国西藏等常年低温地区采用上述措施则不能达到人工湿地正常运行的目的。针对这些问题,西藏等高寒缺氧地区对于人工湿地的结构类型设计、建设、操作运行以及保温措施等均有特殊的要求。

1人工湿地在高寒缺氧地区运行出现的问题

人工湿地是由水体、基质、植物以及微生物组成的复合生态系统[1],通过三者之间的物理、化学和生物的协同作用达到对污染物去除的目的[2-3]。一般认为,COD、BOD5、SS等污染物主要通过湿地填料、植物的截留吸附及其附着微生物的消耗降解等机制得到去除[2-4];NH4+-N主要通过挥发、人工湿地基质和植物的吸收、硝化细菌的硝化作用得到去除;TN则主要通过硝化-反硝化细菌的硝化-反硝化反应得到去除[8];TP则通过富含Ca、Mg等金属元素的基质经吸附、沉淀反应以及植物、聚磷菌的过量吸收而得到去除[15]。然而在高寒缺氧及昼夜温差大的气候条件下,人工湿地的植物、基质、微生物及其对污染物的处理效率都会受到不同程度的影响。

1.1高寒缺氧气候对湿地植物的影响

植物是人工湿地作为生态污水处理技术的基础标志,其主要通过根茎截留吸附、吸收富集等作用去除污水中的污染物[1-2]。湿地植物除直接起到去污作用外,还具有固定人工湿地基质床体、提高基质的渗滤性、为微生物附着生存提供良好的根区微环境、向床体内部输氧以及有效抗冲击负荷等作用[4-8]。

研究表明,在冬季低温收割湿地植物植株后,湿地对COD、NH4+-N的去除效果仍然比未种植植物的湿地好[16-17],植物在低温和休眠期间,虽然其根部生长停滞但仍然具有呼吸输氧的能力并保持一定活性,进而促进微生物的生存繁衍及对污染物的去除反应。人工湿地植物大都为草本挺水植物,在我国西藏等高寒缺氧地区,高寒缺氧及昼夜温差大的气候条件使得植物出现植株矮小、长势缓慢、根系纤细、分株能力差及生长周期短等问题,到了寒冷的冬季都会进入休眠状态或者枯萎甚至死亡,使得湿地植物在生态、形态上都发生了变化,从而使人工湿地总体的净水效果大幅下降。

另外,枯萎死亡的植物如果不及时收割处理,其植株残体会腐坏、分解出大量有机及氮磷污染物,进而增加湿地的污染负荷影响湿地去污效率。

1.2高寒缺氧气候对基质的影响

填料基质是人工湿地生态处理系统的“骨架”,在人工湿地中主要起到为植物和微生物的生长提供载体及稳定的依附表面、为污水在人工湿地中的渗流提供良好的水力条件、加强对悬浮固体的截留沉降等的作用[2-4]。

高寒缺氧的气候条件下,填料基质及其内部污水保持较低的温度,使得污水的黏性增大、冲刷作用增强、扩散速率降低,从而导致根系溶解氧传递效率、附着微生物量及其生长代谢、反应速率下降[16-17],最终致使附着生物膜脱落、有机物颗粒生物降解效率减小并被大量吸附截留在填料基质中而引起基质堵塞[18],影响人工湿地的运行效率。

延伸阅读:

详解人工湿地常见水生植物特性、功能及其分类!

污水处理技术课堂|全面解析人工湿地原理 类型及植物选择

人工湿地生活污水处理技术全解析

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