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研究課題蔡正權環境工程碩士四班[1 * * * * * * * *]新型階梯式復合潛流人工濕地用於鄉村治理
生活汙水
教官陳永華
用於農業處理的新型階梯式復合潛流人工濕地
農村生活汙水
蔡正權
摘要:農村汙水中氮磷含量很高，並且含有大量的病毒和細菌。去除汙水中的氮和磷是凈化的關鍵。國內外汙水處理方法雖多，但仍存在效果差、成本高、運行維護困難、占地面積大等缺點。新型階梯式復合人工濕地是將上向潛流人工濕地和水平潛流人工濕地串聯起來的壹種工藝。濕地前端增加沈澱池，可有效防止基質堵塞，提高出水水質。在壹級濕地中，水自下而上落入基質中，增加了濕地中的溶解氧含量，從而增強了硝化反應。在二級水平潛流濕地中進行反硝化反應，大大提高了對汙水中N的去除能力，具有很大的抗汙染影響。本文將根據不同的基質、植物配置和布水方式設計設備的最優參數，同時滿足占地面積小、處理效率高、管理和操作方便的要求，達到汙水處理的最優效果。
[關鍵詞]農村汙水人工濕地參數設計
本文主要針對目前人工濕地技術在處理農村生活汙水方面存在的不足和缺陷，如吳書彪等人采用改良型家庭人工濕地組合系統處理北京周邊農村小餐館生活汙水，葉等人采用TICW處理寧波某農村生活汙水，SSFCWS成功處理烏魯木齊平溪梁村農村生活汙水。這些案例雖然在壹定程度上滿足了汙水的合理處理，但仍存在占地面積過大、單個植物配置景觀效果差、成本高、操作困難等不足。因此，作者在原有基礎上改進設計了新型階梯式復合人工濕地，有效地解決了各種問題。
1.農村生活汙水的排放和處理
1.1國內農村生活汙水排放特征
我國農村面積占全國面積的57.09%，而根據具有代表性的農村調查報告，我國96%的農村沒有排水渠道和汙水處理系統，每年有2500萬噸汙水直接排放。其排放物的主要汙染特征有:①來源分散。受地理條件影響，我國村莊布局分散，排放的汙水也比較分散，所以能集中收集的汙水量較少。
②來源廣泛。汙染物濃度低。中國的鄉鎮生活水平低。受傳統生活習慣的影響，村鎮生活汙水不僅包括廚房汙水、洗滌水和糞便廢水，還包括生活垃圾堆放產生的滲濾廢水，汙水汙染物濃度相對較低。③水質水量波動大。隨著農民生活水平和生活方式的變化，鄉鎮生活汙水的水質和排放量波動很大。現在很多村鎮還在用磚石渠道，雨季或者地下水位高的時候雨水地下水很多。
流入汙水收集渠道，造成水質和水量的大幅波動。
④收集困難，治療率低。由於我國村鎮布局分散、規模小、地形條件復雜，汙水集中收集並不容易。鄉鎮汙水排放量相對較少，排放點多且分散。主要汙染物是氮和磷，並含有大量的營養物質、細菌和病毒，給村莊汙水的處理帶來了壹定的困難。
⑤高生物降解性。村鎮生活汙水的主要汙染物是氮和磷，基本不含重金屬，可生化性高。
1.2人工濕地技術在中國農村生活汙水處理中的應用
1.2.1人工濕地的概念和特點
人工濕地由礫石、礫石等基質和生長在其上的水生植物組成。汙水在濕地基質表面或下方流動，通過基質吸附、植物吸收、微生物轉化等壹系列過程，降解水中的營養物質。它是壹種不同於自然濕地的獨特的土壤植物擴散系統。人工濕地具有出水水質穩定、去除氮磷等營養物質能力強、基建和運行費用低、維護管理方便等優點，適用於間歇性小排量汙水的處理。由於其良好的環境和生態效益，受到許多國家的高度贊揚。其類型包括表面流人工濕地、水平流潛流人工濕地和垂直流潛流人工濕地。它們各有不同的優缺點:表面流人工濕地的優點是投資少，運行費用低，缺點是處理效果差，容易滋生蚊蠅和臭氣，占地面積大。水平潛流人工濕地的優點是處理效果好，不易產生蚊蠅，缺點是容易造成堵塞。垂直流潛流人工濕地比其他兩種濕地處理效果好，占地面積小，但缺點是運行費用和基建費用較高，夏天容易滋生蚊蠅。
1.2.2人工濕地技術在中國農村生活汙水處理中的應用
目前，由於人工濕地的推廣應用，我國已有幾個人工濕地成功應用於農村汙水處理的案例。例如，吳書標等人利用改良型家庭人工濕地組合系統處理北京周邊農村地區小餐館的生活汙水。結果表明，該系統對COD、NH3-N和TP具有良好的去除效果，去除率分別為92.4%-97.9%和84.5%-96.0%。79.5%-90.7%，平均出水濃度依次為33.6 mg/L、2.88 mg/L、0.66 mg/L，但其植物配置單壹，抗汙染負荷小，景觀價值不高，經濟價值低。葉等采用塔式人工濕地處理寧波某農村生活汙水。瀑布水流有利於提高汙水的充氧效果。系統中土壤中的氨化細菌、硝化細菌等優勢細菌數量增加，脫氮效果顯著。COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別為72%、82%、83%和63%，但占地面積過大。宜顏等人成功地用SSFC水煤漿處理了烏魯木齊平溪梁村的農村生活汙水。結果表明，在氣候條件惡劣、晝夜溫差大、季節差異大的幹旱地區，人工濕地仍能正常運行。COD、BOD、NH3-N和TP的平均去除率分別為78.3%、61.1%和46.4%。
2.階梯式復合潛流人工濕地的設計。
2.1結構布置
如圖，整個濕地為倒梯形復合潛流人工濕地，外層為混凝土池，高1600cm。整個裝置埋在地下，池內設置防滲層，埋深1400cm，上部長度3000cm，下部長度1800cm，寬度1200cm。進水池板高1400cm，厚100cm，進沈澱池板高1200cm，厚100cm，中心板高1200cm，厚100cm，出水池板高100cm。左側為向上垂直潛流人工濕地，右側為水平潛流人工濕地。汙水首先從左側進水管進入沈澱池，然後從進水池隔板溢流進入進水通道，從進水沈澱池隔板下方進入基質，從中間隔板上方向上流入右側水平潛流人工濕地，再從出水池隔板下端出來，從出水管排出。上向垂直潛流人工濕地的基質分別為200厘米厚的礫石(粒徑1.2-3.6厘米)、400厘米厚的小礫石(粒徑0.7-1.8厘米)、400厘米厚的廢磚(粒徑3-5厘米)和200厘米厚的土層。
。水平潛流人工
濕地基質自下而上由400cm大礫石、400cm小礫石、400cm粉煤灰和200cm土層組成。選擇茭白或美人蕉等具有較高經濟和美學價值的植物，種植密度為5-6株/M 2。
2.1裝置設計思路及優點總結
2.1.1防止堵塞
因為農村生活汙水的主要成分是N和P，還有大量的有機物和細菌，甚至泥沙等。前端設計沈澱池，沈澱汙水中較大的不溶性物質，包括沈澱物、大分子顆粒、不溶性顆粒非活性磷等。這有效地防止了它們阻塞基板。
氨氮去除率為2.1.2
沈澱池相當於整個系統中的壹個預處理單元，埋在地下，溫度相對恒定，不易受外界氣溫波動的影響，為細菌、硝化細菌、氨化細菌提供了良好的滋生地。由於水中的壹些膠體雜質或吸附了氨氮的雜質顆粒在沈澱池中沈澱，然後被硝化菌氧化去除，導致沈澱池出水氨氮的體積質量降低。壹是汙水從蓄水池落入基質，增加了水中的溶解氧含量，有利於硝化作用。廢磚的微孔和較大的附著面積為硝化和反硝化細菌提供了良好的繁殖條件。同時，水體富含碳源，可以保證下部的硝化細菌從濕地基質中生長繁殖，並在繼續向中部區域上行時為反硝化細菌提供碳源和NO -3。在表層，植物的根提供氧氣。壹般來說，水中溶解氧水平升高，有利於硝化作用。硝化細菌多，反硝化細菌不足。然後汙水進入水平潛流人工濕地，濕地內反硝化細菌豐富，有利於反硝化作用。
除磷率為2.1.3
汙水中磷以溶解態和顆粒態存在，分為有機態、無機態和聚磷酸鹽態。其中，無機磷酸鹽主要來源於洗滌劑，有機磷化合物主要來源於生物過程、生活汙水中的食物殘渣和廢水中的活性或非活性生物(如處理池中的細菌)。當汙水進入沈澱池時，部分顆粒磷會沈澱下來。垂直流濕地床對部分磷的去除包括濕地植物吸收濕地微生物的生化作用和基質的吸附、絡合和沈澱。研究證明，植物的吸收和微生物的活動對汙水中磷的去除貢獻不大，基質的吸附和沈澱占磷去除的70%-87%。水平潛流人工濕地床的主要材料是粉煤灰和礫石。
Al 3+，Ca2+等金屬離子和結石。汙水中可溶性磷酸鹽易與Fe 3+反應，
金屬氧化物、氫氧化物和粘土礦物通過配體交換發生吸附沈澱反應，生成不溶性磷酸鹽並固定。
2.1.4其他優點和特點
這種設備埋在地下，受溫度和天氣影響較小。同時景觀價值高，基質成本低，而且是建築廢磚、粉煤灰等，占地面積小。
3.結論與展望
該裝置針對以往壹些人工濕地技術處理農村生活汙水的壹些缺點和不足，在布水方式、濕地結構布局、基質和植物選擇等方面進行了改變，能夠防止基質堵塞，抵禦溫度和天氣的影響，有效去除有機物、TN和TP。但這種設計還是有很多不足，在矩陣的選擇上還需要努力。這個設備不能移動，應對變化的能力很差。
參考
[1]出生於孫鐵珩郭棟等地。人工濕地及其在工業廢水處理中的應用。應用生態學學報，2002，13(2):224-228。
[2]周才洋，穆·。中國水汙染現狀及防治對策[J].長江職工大學學報2002，19 (4) :8-9
[3]，付，顧國偉，等.人工濕地脫氮方式及其影響因素分析
[J]。生態環境，2006，15(6):1385-1390
[4]美國環境保護署，手冊:氮控制。EPA/625/R-93/010。環境保護局
聶戰，吳曉芙，胡日麗。人工濕地蛭石填料凈化汙水中氨氮的能力。城市環境與城市生態，2003，(16)，208-282。
王曉娟，張榮攝。人工濕地微生物硝化和反硝化強度的比較研究[J].環境科學
報紙，2006.26(2): 225-229
李旭東，周琦，張榮社，等。三種人工濕地脫氮除磷效果的比較研究。
[J]。地球科學前沿，2005，12(特刊):73-76。
張春燕，韓保平，王曉。從潛流人工濕地的設計看提高氮去除率的途徑。四川環境，2007，26 (1)，80-84。
[9]徐德福，李，.汙水處理人工濕地的基質、植物及其配置。
[J]。濕地科學，2007，5(1):32-38
[10]唐先強，李金忠，李，等.人工濕地中不同填料去汙性能的比較[J].水處理技術，2007，33(5):45-48。
[11]方盛華。不同生態河道基質對氮磷吸附的比較研究[J].北京水務，2006，(4):27-30
[12]黃德峰，李甜。不同基質垂直流人工濕地對富營養化景觀水體的凈化效果。環境防治與汙染，2007，29 (8): 616-621。
張穎王紅梅。人工濕地去除COD和NH4-N的研究。山東化學工業，2004，33(4)，5-7。
[14]聶誌丹，年月剛，金湘燦，等.三種人工濕地處理富營養化水體的中試對比研究，環境科學，2007，28 (8): 1675-1680 .
蔡，鄧春光。人工濕地氮遷移的影響因素及研究建議。安徽農業科學，2007，(35): 6902，6933
[16]劉玉，夏北成。不同植物組成的人工濕地對生活汙水的脫氮效果。植物資源與環境學報，2005，14 (4): 46-48。
鄭，鄧，。表面流人工濕地硝化反硝化強度的研究。環境汙染與防治，2007，29 (1): 37-39，43。
蔣永榮，莫德清，段。潛流人工濕地植物根區氮素轉化細菌及其脫氮效果。桂林工學院學報，2008，28 (2): 222-225
[19]王曉娟，張榮攝。人工濕地硝化反硝化強度的比較研究[J].環境科學學報，2006.26(2): 225-229。
黃娟，王世和，陸埮。潛流人工濕地硝化反硝化強度的研究。環境科學，2007，28 (9): 1965-1969。
丁維民陳娟。人工濕地基質對氮磷吸附效果的研究進展。江西農業學報，2008，3020 (2): 106-108。
[22]吳曉蕾。人工濕地中汙染物的流向。中國給水排水，1994，10。
(1): 40-43 [23]張強，唐娜。潛流人工濕地系統脫氮影響因素研究。安徽農業科學，2008，36(26):1517-165438+
聶發輝，，胡。蛭石填料凈化汙水中氨氮的能力[J].城市環境與城市生態，2003，16(6): 280-282。
[25]盧紹勇，金湘燦，於剛。人工濕地的脫氮機理。生態學雜誌，2006，26 (8): 2670-2677。
[26]黃向峰，李廣，徐景成。垂直潛流錳砂人工濕地處理鋼鐵廢水。給水排水2007，33 (12): 58-63
[27]英-林峰等.利用人工濕地系統去除水產養殖廢水中的養分
[J]。水產養殖，2002，209: 169-184。
陳，，，等。蛭石人工濕地吸附-生物轉化系統脫氮性能及機理研究。環境工程學報，2009，3 (2): 223-228。
何連生，劉洪亮，Xi北鬥，等.人工濕地中氮轉化與氧關系的研究[J].環境科學，2006，27 (6): 1083-1087。
[30] Vym Azal j .捷克共和國利用地下人工濕地處理廢水:10年經驗生態工程，2002，18 (5): 633-646。
【31】程傳敏，於汝軍。清水池現澆水泥蛙石保溫層及其施工技術。中國農村水利水電，1997，9: 16-17。