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研 究 課 題 蔡 正 泉 環境工程 碩士四班 [1**********] 新型階梯復合潛流人工濕地處理農村
生活汙水
指導老師 陳永華
新型階梯復合潛流人工濕地處理農
村生活汙水
蔡正泉
摘 要：農村汙水中N 和P 的含量以及營養鹽很高，並且含有大量病毒和細菌，而去除汙水中的N 和P 才是凈化重點，雖然目前國內外汙水處理方式很多，但還是存在效果差，成本高，以及運行維護難，占地面積大的缺點。新型階梯復合人工濕地是壹種將上行潛流人工濕地和水平潛流人工濕地串聯起來的工藝，在濕地前端增加了沈澱池，有效防止基質堵塞和提高出水水質，在壹級濕地跌水由下往上進入基質，提高了濕地中溶解氧的含量從而增強了硝化反應，在二級水平潛流濕地內進行反硝化反應，大大提高了去除汙水中N 的能力，且抗汙染沖擊力大。本文將針對不同的基質以及植物的配置和布水方式設計該設備的最優參數，同時滿足占地面積小，處理效率高，能方便管理和運行的要求，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
前言：本文主要是為了解決目前壹些處理農村汙水的人工濕地技術所存在的缺點與不足，例如吳樹彪等利用改造的家庭人工濕地組合系統來處理北京周邊農村的小餐館生活廢水，葉芬霞等采用塔式復合人工濕地(TICW)處理寧波市某農村生活汙水以及在烏魯木齊平西梁村成功的利用SSFCWS 處理農村生活汙水，雖然這些案例在壹定程度上滿足了對汙水的合理處理，但是仍然存在占地面積過大，植物配置單壹景觀效果差，成本高，運行難等缺點，故筆者在原來的基礎上改進並設計了壹種新型階梯復合人工濕地，有效解決了諸類問題。
1. 農村生活汙水的排放及處理
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%，且根據對我國具有代表性的農村 調查報告 顯示，我國96%的農村沒有排水渠道和汙水處理系統，每年有2500萬噸的汙水直接排放。其排放的主要汙染特征有： ①產源分散。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，可集中收集的汙水量較少
②來源廣。汙染物濃度低。我國村鎮地區的生活水平較低，受傳統生活習慣的影響，村鎮生活汙水除了包括廚房汙水、洗滌用水、糞便廢水外，還有生活垃圾堆放而產生的滲濾廢水，汙水汙染物濃度比較低。 ③水質、水量波動較大。村鎮生活汙水的水質、排放量，隨農民生活水平的不同以及生活方式的改變而有較大波動。很多村鎮目前使用的仍然是磚石渠道，在雨季或在地下水位高的時候，大量雨水和地下水
湧入汙水收集渠道，造成水質、水量大幅度波動。
④收集困難、處理率低。由於我國村鎮布局分散、規模較小、地形條件復雜，汙水不易集中收集。村鎮汙水排放量相對較小，排放點數量多且分散。主要汙染物為氮、磷，且含有大量的營養鹽、細菌、病毒，給村鎮汙水的處理帶來了壹定的難度。
⑤可生化性較高。村鎮生活汙水的主要汙染物為氮、磷，基本不含重金屬，可生化性較高。
1.2我國人工濕地技術在農村生活汙水處理中的運用
1.2.1人工濕地的概念與特征
人工濕地是由碎石、砂礫等基質和生長在其上的水生植物組成，汙水在濕地基質的表層或表面下流動，靠基質的吸附、植物吸收、微生物轉化等壹系列過程降解水中的營養物質，是壹種有別於自然濕地的獨特的土壤植物撒生物系統。人工濕地具有出水水質穩定、對氮磷等營養物質去除能力強、基建和運行費用低、維護管理方便、適於處理間歇排放的小排放量汙水處理等優點，由於其良好的環境生態效益，被許多國家推崇。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。其各自具有不同的優點和缺點：表面流人工濕地具有投資少，運行費用低的優勢，但是缺點是處理效果差，容易滋生蚊蠅和產生惡臭，占地面積大等缺點。水平潛流人工濕地具有處理效果好，不容易產生蚊蠅等優點，但是缺點是容易造成堵塞。垂直流潛流人工濕地具有比其他兩種濕地都好的處理效果，占地面積較小，但是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我國人工濕地技術在處理農村生活汙水中的應用
目前由於人工濕地的推廣和應用，我國也出現了幾例成功將人工濕地運用於農村汙水處理的案例，例如吳樹彪等利用改造的家庭人工濕地組合系統來處理北京周邊農村的小餐館生活廢水，結果顯示系統對COD, NH3-N，TP 的去除效果極好，去除率依次為92.4%-97.9%, 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，但是其植物配置單壹，抗汙染負荷較小，景觀價值不高，以及經濟價值低。葉芬霞等采用塔式復合人工濕地(TICW)處理寧波市某農村生活汙水，瀑布式水流有利於提高汙水的充氧效果，系統內土壤中氨化菌、硝化菌的等優勢細菌的數量增多，脫氮效果顯著，對COD, NH3-N,TN,TP的去除率分別為72%, 82%, 83%, 63%，但是其占地面積過大，以及反硝化反應差，基質成本高，去磷效果不太理想。嚴弋等在烏魯木齊平西梁村成功的利用SSFCWS 處理農村生活汙水，結果顯示，在氣候條件惡劣，晝夜溫差變化顯著，季節性差異大的幹旱地區，人工濕地依然可以正常運行，系統對COD ，BOD ，NH3-N ，TP 的平均去除率分別為78.3%, 61.1%, 46.4%和66.2%，研究獲得的試驗結果可為人工濕地在西北部農村地區的應用做鋪墊。
2. 階梯復合潛流人工濕地的設計
2.1結構布置
如圖所示，整體為壹個倒梯形復合潛流人工濕地，外層為混凝土池，池高為1600cm ，整個裝置埋於地下，池內設防滲層，埋深為1400cm ，上部長度為3000cm ，下部長度為1800cm ，寬度為1200cm ，進水蓄水池板高度為1400cm ，厚度為100cm ，進水沈澱池隔板高度為1200cm ，厚度為100cm ，中央隔板高1200cm ，厚度為100cm, 出水池隔板高度為1200cm ，厚度為100cm ，右側水平潛流人工濕地水力坡度為1.2%。左邊為上行垂直潛流人工濕地，右邊為水平潛流人工濕地，汙水首先從左邊的進水管進入沈澱池，然後從進水蓄水池隔板溢流進入進水通道，從進水沈澱池隔板下面進入基質，上行從中央隔板的上面流入右側水平潛流人工濕地，再由出水池隔板下端出水，由出水管排出。上行垂直潛流人工濕地基質由下往上分別為大礫石厚度為200cm （粒徑為1.2-3.6cm ），小礫石厚度為400cm （粒徑為0.7-1.8cm ），廢磚塊厚度為400cm （粒徑為3-5cm ），土壤層厚度為200cm
。水平潛流人工
濕地基質由下往上分別為大礫石400cm ，小礫石400cm ，煤灰渣400cm ，土壤層200cm 。植物選擇茭白或者美人蕉等經濟美觀價值高的植物，種植密度為5-6株/M 2
2.1裝置設計思路以及優點概括
2.1.1防止堵塞
由於農村生活汙水的主要成分為N 和P, 以及大量的有機物和細菌，甚至是泥沙等等，因此在前端設計了壹個沈澱池將汙水中的大顆粒不溶物質沈澱，包括泥沙，大分子顆粒物，以及不溶的顆粒非活性磷等等，這樣就有效防止其造成基質的堵塞。
2.1.2對氨氮的去除
沈澱池在整個系統中相當於壹個預處理單元，埋於地下，溫度較為恒定，不易受到外部空氣溫度波動影響，為細菌、硝化細菌和氨化細菌提供了良好的繁殖場所。由於某些膠體雜質或水中吸附了氨氮的雜質顆粒在沈澱池中被沈澱後經硝化細菌等氧化去除，使得沈澱池出水氨氮體積質量降低。首先汙水從蓄水池跌水進入基質，增加了水中的溶解氧含量，有利於硝化反應，廢磚塊的微孔隙以及大附著面積為硝化和反硝化細菌提供了良好的繁殖條件，同時水中的碳源含量豐富，從濕地基質下方上行可以保證下部硝化細菌的生長繁殖，繼續往上到了中部地區則為反硝化細菌提供了碳源和NO -3，到了表面層則植物根系又提供了氧氣，總的來說水中溶解氧水平提高，有利於硝化反應，硝化細菌充足，但是反硝化細菌不足，然後汙水進入水平潛流人工濕地，其中反硝化細菌含量充足，有利於反硝化反應。
2.1.3對磷的去除
磷在汙水中以溶解態和顆粒態存在，分為有機、無機和聚合磷酸鹽。其中無機磷酸鹽主要是來自洗滌劑等，有機磷化合物主要來自生物過程、生活汙水中的食物殘余和廢水中的活性或非活性生物(如來自處理池的細菌) 等。當汙水進入沈澱池後，部分顆粒態磷會得到沈澱，垂直流濕地床部分磷的去除包括濕地植物吸收濕地微生物的生物化學作用以及基質的吸附、絡合和沈澱等。有研究證明，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除磷的7O%-87%。水平潛流人工濕地濕地床的主體材料為煤灰渣和礫
Al 3+，Ca 3+等金屬離子、石。汙水中可溶性磷酸鹽容易與基質中的Fe 3+，
金屬氧化物和氫氧化物以及粘土礦物通過配位體交換作用發生吸附和沈澱反應，生成難溶性磷酸鹽而固定下來。
2.1.4其他優點及特征
本裝備埋於地下，受溫度和天氣影響較小，同時景觀價值高，基質成本低，為建築廢磚，煤灰渣等，並且占地面積小。
3. 結論與展望
本裝置針對以前壹些處理農村生活汙水的人工濕地技術的壹些缺點和不足進行改進，在布水方式以及濕地結構布置和基質與植物的挑選方面都有改變，能夠防止基質堵塞，對抗溫度和天氣影響，以及有效去除有機物、TN 和TP 。但是本設計還是存在許多的不足之處，在基質的挑選方面還需要努力，本裝置不能移動，應對變化能力差。
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