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低温条件下人工湿地处理效果强化技术

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发表于 2017-5-7 21:39:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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低温条件下人工湿地处理效果强化技术研究
1、人工湿地
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人工湿地对污染物的去除受环境,特别是温度的影响较大,温度过低不仅会影响人工湿地对污染物的处理效果,还可能造成填料层冻结、床体缺氧、管道破裂等多种不良后果,这些都限制了人工湿地在寒冷地区冬季的应用。
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作为一种露天的生态工程水处理技术,人工湿地受环境、特别是季节温度的影响较大,研究表明,在冬季,氨氮的转化率会由春夏季的78%以上降到16 % ,磷酸盐的去除率会由50% 以上降低到13 %[3 ] . 而在我国北方,冬季降水相对较少,由此导致河水中污染物浓度较其它季节相对较高,因此,在冬季如果不对人工湿地工艺采取一定的强化措施,系统的处理出水水质将较夏季出水恶化很多.
人工湿地作为一种低成本、低能耗、低技术要求的水处理方法,近年来,其应用的领域不断拓宽,已成功地用于生活污水、工业废水、城市暴雨径流、农业废水的处理与管理和湖泊污染防治。
人工湿地技术主要是利用系统中的土壤基质,对污染物进行初步的过滤,吸附,降低悬浮物浓度的同时可以将有机物截留;系统中的植物在进行光和作用的同时,吸收CO2,放出O2,植物的根系有很强的泵氧作用,这为土壤基质中宿住的微生物提供了良好的好氧环境,有利于微生物的新陈代谢,强化了其对有机物的去除。同时,植物根系分泌大量的植物激素,氨基酸和酶等化学物质,这些物质一方面可以将废水中的大分子有机物分解,另一方面可以促使根际微生物保持高活性,高密度和高种群多样性。正是由于植物与微生物的这种互惠作用,使该体系在废水处理中具有强大的潜力。由于人工湿地是基于生态、半生态的处理方式,因此人工湿地技术在北方寒冷的冬季,低温条件下植物的生长(出现休眠)和微生物(代谢减缓)以及相应的酶活性受到极大限制,进而其运行效果会受到一定影响。污染物去除率与温度正相关。
大多数湿地植物有一个春夏季萌芽、秋冬季枯死的生长周期,在人工湿地这个半自然或人工的生境条件下,植物生长亦存在着这种现象, 由此导致根区法污水处理系统冬季的污水净化效果下降。
在寒冷地区使用人工湿地技术,因为冬35季严寒,能使人工湿地系统冻结,甚至发生管道破裂等问题,所以在冬季要求对其进行隔离保护。被隔离的人工湿地系统的计算机模型显示,即使在-20℃的低温,适当的隔离也可有效地解决人工湿地系统的冰冻问题。针对北方地区人工湿地冬季运行环境温度较低,污水处理能力变差的实际情况,
人工湿地是人工模仿自然湿地功能而构建的一种新型水处理生态系统。随着研究的深入与工艺的改进,人工湿地系统已发展为一种较为完备和独立的污水处理技术,应用范围亦逐步由城市、生活污水处理扩展到工业废水、暴雨径流及面源污染治理等[1~ 3] 。然而, 在低温下人工湿地对多种污染物尤其是有机物、氮和磷的去除却难以达到预期的效果,因此在污染源分布较为分散的北方地区的应用受到了限制。

2、应对措施(强化技术)
目前,通行的冬季保温方式包括:采用植物隔离保温技术、雪层隔离保温技术、冰层和空气层保温技术、暖房保温技术等,但这些技术都存在着一些明显的缺点。为适应寒冷气候条件下的运行,采用强化预处理;湿地系统立体结构,冬夏不同的进水方式;给氧方式采用跌水补氧,植物根系补氧,大气补氧协同,交替进水补氧,强制通风补氧等多种措施以保证冬季的运行效果。
在第一年试验中西系统采用冰封的方法,将处理单元内的水位升高,在外界低温的作用下结成冰层后,再将处理单元内的水位降低,使得冰层和基质之间形成一个空气层,起到保温的作用(FrancescoMorari et al. ,2009;刘学燕等,2004).东系统采用温棚的方法. 先将植物地上部分收割后移出湿地,在原有的处理池上搭建温棚,在大棚上铺上草席;温棚上的草席在白天天气晴朗时掀起,使得阳光直接照射到温棚中,提高温棚内的温度,但是揭开草席后有可能使得温棚内温度下降,所以一般情况下是在天气晴朗的时候进行;第二年的试验中,根据前一年的监测结果,将西系统的冰封保温措施换成薄膜保温的方法,将已经凋谢的植物收割后,铺在处理单元内(彭焘等,2007;申欢等,2007;张显龙等,2005;Sikoraet al. ,1995),约40cm 厚. 再在植物层上铺塑料薄膜,薄膜四周压紧,在薄膜中事先预留出曝气管的出口,使曝气管在冬季也可以起到曝气作用. 薄膜法的保温效果比较好,在冬季对湿地采取了地膜覆盖的保温措施,发现湿地内水温降低幅度较小。在2℃左右,气温对湿地的影响很小(陈晓东等,2007).本试验中,将塑料薄膜和植物体覆盖相结合,对人工湿地进行保温,通过监测曝气槽和出水口处的水温,证明了薄膜(构筑普通大棚所用的塑料薄)和植物覆盖的保温措施效果好于冰封和温棚.铺设薄膜的过程中,在薄膜上预留出了曝气管的通气孔,将曝气管露在外面,曝气管上有保温物覆盖,可以随时揭开进行曝气.这样就保证了在冬季,曝气管可以继续起到曝气作用,在冬季,将曝气措施与保温隔离措施复合应用,污水处理效果更好(Nivalaa et al. ,2007).
但总体而言,国内对低温微生物的研究与开发较少,力量还比较薄弱,研究也没有达到一定的深度,有关人工湿地低温菌的研究更少(李明堂等,2012).

3. 1 湿地系统构建强化措施
( 1) 湿地构建类型优选。湿地类型按系统布水方式,一般分为表面流与潜流型两种。在冬季低温气候下,表面流人工湿地保温能力较差, 且易对微生物数量及活性造成影响[13] ; 而潜流型人工湿地污水在地表下运行, 在低温下可减少因污水蒸发蒸腾和流动造成的能量损失[14] , 因此有利于维持湿地内的温度。潜流型人工湿地有水平流与垂直流两种。由于垂直流湿地的水流处于推流和混合流之间,交替经过下层厌氧区和上层好氧区,从而提高了湿地去污能力。崔玉波等[15] 采用两级垂直潜流人工湿地以实现冬季污水的高效去除,结果表明这种组合式湿地类型可有效去除污水中的有机物和氮磷。因此,垂直潜流型人工湿地及其组合方式更适合在寒冷地区应用。(2) 湿地植物类型优选。冬季寒冷地区大部分植物均进入休眠期,因此湿地植物的选择应结合当地条件, 以有较强生存能力及较好去污效率的植物为主。冬季水生植物腐烂会向水体释放一定的污染物,增加了湿地污染物处理负荷, 因此有必要对其进行及时收割。(3)。邢奕等[17] 研究表明, 耐冷的细菌、放线菌和霉菌在0e 以下仍有一定的活性, 且在相同条件下混合菌种可使氨氮的去除率提高到67.2% 。低了冲击负荷,并且通过前期供氧增加了湿地的处理效果,避免厌氧情况的发生。
(2)在湿地内部采用生物增强技术:除了种植原有的水生植物,在人工湿地系统中采用新型基质,增加其对污染物的吸附;另外向湿地中投加高效低温功能菌,包括高效降解菌、PSB(光合细菌)、硝化菌等,改善低温期活性物微生物群落,促进水体营养物质的良性循环,同时结合合理的工艺调控,实现人工湿地在低温期的高效稳定运行。
湿地温度强化措施:由表可看出,目前主要通过湿地表层覆盖保温材料以达到保温效率。Jenssen等[ 24] 认为,通过计算机模拟, 即使在-20 e的低温, 采用适当的隔离物亦可有效改善湿地系统的冰冻问题。对覆盖物的选择标准,Wallace等[ 14] 提出应符合如下几点要求:¹ 有机物能分解且不增加系统有机负荷;º 平衡的营养成分及能适应周边环境的pH值; » 含有高纤维成分且结构蓬松;¼能为种子的生长提供良好的生存环境;½有一定的保湿能力。因此, 人工湿地隔离物的选择不仅要达到保温的效率,还应避免给湿地系统带来二次污染。
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低温对北方人工湿地的顺利运行带来了很大的挑战性。通过对人工湿地去污机理及冬季影响因素的分析,获得了温度与溶解氧是寒冷地区人工湿地运行最关键的制约因素,提出了人工湿地冬季强化措施, 以期为北方寒冷地区的应用提供理论参考。
人工湿地采用双层前六人工湿地系统.构筑深度远远大于常规湿地,上层采用土壤结台新型陶粒与煤渣复台填料,下层采用砾石与火山岩复台填料。夏季运行上层人工湿地,微生物、基质的联台净化功能土除水中的污染物,达到深度挣化效果;冬季逆行F层潜流系统,上层的填料层通过形成抹冻层和隔温层对下层起到保温作用,避免F层填料层冻结,并站台生物增强技术,利用高教工程菌剂(包括耐低温贫营养苗.高技COD降解莳、硝化菌等),有教提高冬季低温期净化效果,使整个系统能过全年稳定运行。
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本文采用/短时曝气0 的A/O 工艺作为整个处理系统的前处理工艺, 并辅以地膜与秸秆联合覆盖的措施,研究其在冬季低温运行时的适应性和净化效能,优化人工湿地技术在我国北方寒冷地区的设计工艺。人工湿地系统主要包括A/O 和水平潜流人工湿地两部分, 二者通过管路连接(图1) 。A/O 工艺由缺氧池、好氧池、二沉池组成, 其中,好氧池水力停留时间为3 h, 缺氧池为1h。地表层铺设了保温材料。采用地膜和秸秆联合覆盖的方法,先覆盖一层地膜,后覆盖10 cm 秸秆。
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目前,湿地保温措施最常用的就是植物覆盖和地膜覆盖。由于植物覆盖是将植物的地上部分割去就地覆盖,操作较为简单, 但植物腐烂后会释放出一定量的污染物,有可能造成二次污染, 并且植物覆盖的保温效果与湿地植物的生长量之间有很大关系。本文采用地膜和植物联合覆盖的保温措施。由于湿地植物芦苇的生长量远不足以满足保温的要求,选用当地的秸秆作为保温植物。同时, 由于植物腐烂后会释放出一定量的有机物,有可能造成二次污染, 首先在湿地表层覆盖地膜,再覆盖秸秆。研究结果表明, 采取地膜和秸秆联合覆盖的措施是可行的,在室外温度达到- 30 e , 进水温度在5e 左右时, 仍能保证人工湿地对污染物的净化能力,且出水满足城镇污水处理厂污染物排放一级B 标准。(1)寒冷冬季对处理效果的不利影响的减缓措施北方冬季气温低,污染物去除效果降低。相关减缓措施包括:1适当降低进入湿地工程的水量和污染物负荷量,延长污水水力停留时间,可在一定程度上减缓冬季低温的不利影响。2为了保温,植物收割可在开春后进行,或将冬季收割的植物仍置于湿地地表,开春后再处置。(2)植被收割问题:由于植物收割能有效地去除营养物,因此都需要实施对植物的收割
由于冬季气温低,为防止进出水管道受冻甚至破裂,进出水管道采用暗沟形式和埋地形式。泵房及出水井均用厚墙保护,并加厚顶覆盖;人工湿地床的保温系统:为防止人工湿地系统冻结,对其采用隔离保护。在实验人工湿地中采用两种方法进行对比实验:(5 cm空气+ 10 cm冰层保护)和(5 cm 缝隙+15 cm秸秆隔离保护).
其中沸石床脱氮效果较好,对总氮的平均去除率为82.7%,且低温下也能保持对氮素良好的去除效果;针对人工湿地在寒冷地区冬季所面临的问题,寒冷地区人工湿地一般采取潜流式人工湿地作为主要人工湿地类型。潜流型人工湿地被表层填料覆盖,在冬季可减小因污水蒸发蒸腾和流动造成的能量损失,有助于维持和提高湿地内的温度,从而保护人工湿地内部微生物不受外部气温的影响[68]。
目前解决寒冷地区人工湿地在低温条件下有效运行的办法主要有保温隔离措施、人工曝气、延长水力停留时间以及回流等。人工湿地对污染物的去除受环境,特别是温度影响较大,因此,对人工湿地采用保温措施是必须的,目前在寒冷地区冬季主要采用保温隔离设计。ChristianR[69]等指出,人工湿地微环境对营养元素的去除受气候的影响,生长季节去除效果优,冬季去除效果变差,但是应用隔离的办法可以有效降低营养元素在不同季节的去除效果差异。李亚峰[70]、申欢[71]、张建[72]、海热提[73]等分别选择了芦苇屑、收割的湿地植物、塑料地膜等物质对人工湿地进行覆盖保温,这些保温方法均可以在一定程度上避免或减轻冬季湿地填料的冻结,并且可以提高对污染物的去除效果。
布集水系统的优化设计。针对北方寒冷地区冬季气温低及项目现场情况,对所有管道进行适当深埋处理,并采取垫层保温措施;优化设计了双层穿孔布水管,提高人工湿地布水均匀性的同时,保障了冬季填料床体上层结冰后系统的正常运行;湿地屮司挡墙和水位调节井的设计,强化人工湿地布水的均匀性,实现对湿地单元水位的控制,询保污染物的处理效率。
专利中的强化措施:
1《北方低温地区潜流人工湿地冬季运行方法》失效
本发明的技术方案是,湿地进水管为地埋管,埋深以不冻冰为宜,尽量引取冰下水温高的水源;湿地单元内高密度种植芦苇,芦苇品种选择高杆粗壮的品种,芦苇生长后形成的高密度芦苇荡冬季不收割,利用芦苇杆挡风,芦苇叶自然凋落形成覆盖层保温;湿地单元出水处设置水位调节井,井内设水位调节管,由水位调节管控制湿地单元水位低于湿地单元表面10~20cm。
2《湿地+低温》第二页

《中国人工湿地构建和运行中需要深入研究的问题》节选
2.5人工湿地在北方寒冷地区越冬和运行问题
人工湿地在我国南方地区因气温高,冬季仍可以正常运行,而在北方地区气温可下降到-4~-20℃以下,因而必须采取保温措施才能运行。近年来有不少学者对此进了研究,概括起来主要有植物覆盖(含草碳)、地膜覆盖、冰雪覆盖及几种方法。李亚峰等[41]选择炭化后的芦苇屑作为保温材料,监测出水温度一直保持稳定在9℃以上,湿地床内生物反应仍然进行,生化效果明显。申欢等[42]利用人工湿地芦苇等冬季枯败的湿地植物为覆盖材料,第二年开春之前将覆盖植物妥善处理的方法。焦珍等[43]对河北省承德市某农村生活污水处理中,采用垂直流人工湿地上下两层布水管网和沙层上部铺设0.30m左右的草炭土并利用收割的芦苇等湿地植物秸秆或当地的玉米秸秆覆盖的保温措施,取得了较好处理效果。海热提和范立维[44]以吉林省四平市郊区的两级潜流人工湿地生活污水处理系统为例,考察了在东北高寒地区采用长丝草碳和木屑等人工介质进行隔离保温,对CODcr、BOD5、SS、TN稳定的去除效果。陈晓东等[45]在冬季对湿地单元采取了地膜覆盖的保温措施,发现比无保温措施的湿地冻土层深度大约减少400mm左右,冻土层保持在200 mm以内,湿地内水温降低幅度较小,保持在2℃左右,基本不受外界气温的影响。张建等[46]研究表明,覆盖地膜能有效提高系统对污染物的去除效果,与植物法相比覆盖膜易破、铺设操作较为复杂、投资较高,且来年必须清理并妥善处理。吴树彪等[47]在湿地床上铺设了0.5m厚的木屑稻壳层作为保温层,在保温层上部铺有塑料薄膜,使湿地在冬季最低气温-15℃的环境下仍能维持在7 ℃以上,保证了系统的稳定运行及较好的处理效果。Wallace等[48]在加拿大安大略省采取先使湿地水位上升至冰冻面后形成一层冰层(下面设有支撑物),然后水位下降,使水位与冰层之间形成了绝缘空气层,成功地完成了湿地的越冬工程。加拿大安大略省冬季气温在-4 ℃至-18 ℃之间,与我国北方冬季气温相似,因此在我国北方此种措施也得到了借鉴。刘学燕等[49]在北京官厅水库地区建立人工湿地,也采用了冰层覆盖保温(5 cm空气层+10 cm冰层保护)的方法。
在我国北方地区,人工湿地植物的选择,也是影响冬季正常运行的因素之一。笔者重点研究了芦苇、薄荷、水蓼、美人蕉四种湿地植物在垂直流人工湿地对中水深度净化的能力和生物特性。结果显示,它们除氮能力都较强,且生物量大。芦苇根系发达且深,薄荷地下茎扩展宽,越冬后生长旺盛;美人蕉虽属多年生植物,块状根和须根尤为发达,地上茎多粗壮、花期长且美,生物量大,但在北方地区块状根受轻霜冻也会死亡,必须收获后适温保存下来年再种。水蓼生物量较大,有一定观赏性,但属于一年生植物。美人蕉和水蓼作为湿地植物在北方种植,有一定的缺陷,不利于冬季湿地整体功能的发挥。因此,人工湿地植物应尽量选择适宜北方地区生长的多年生水生、湿生植物为佳,如芦苇、薄荷、香蒲、水芹、藨草等,它们都能自然越冬。


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