北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究

第32卷第7期2012年7月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.7Jul.,2012基金项目:北京市科技计划新农村污水综合治理示范工程子课题(No.D07040600770701—8)SupportedbytheBeijingMunicipalMajorScienceandTechnologyProjectNewCountrysideWasteWaterComprehensiveTreatmentDemonstrationProjectSub-Topics(No.D07040600770701—8)作者简介:谭月臣(1985—),男;∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:TANYuechen(1985—),male;∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]谭月臣,姜冰冰,洪剑明.2012.北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究[J].环境科学学报,32(7):1653-1661TanYC,JiangBB,HongJM.2012.ThestudyofwintertimeheatpreservationmeasuresinsubsurfaceflowconstructedwetlandinnorthernChina[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(7):1653-1661北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究谭月臣,姜冰冰,洪剑明∗首都师范大学生命科学学院,北京100048收稿日期:2011-09-14　　　修回日期:2012-01-13　　　录用日期:2012-02-17摘要:人工湿地作为一种造价较省,运行成本低的污水处理技术,目前已经得到了广泛的应用.但是在北方地区,人工湿地受到冬季气候影响,无法正常运行,降低了它的使用效率.试验针对北方冬季低温环境下,人工湿地无法正常运行的问题,对3种不同的保温措施进行历时两年的对比试验,通过对TP、TN、NH+4-N和COD等4种主要污染物和人工湿地出水水温的跟踪监测,检验了不同保温措施的效果.试验结果表明:在冬季,使用薄膜法保温措施的处理系统中,COD、TN和NH+4-N的去除率分别为30%~45%、40%~60%和35%~60%,比温棚法和冰封法的出水中污染物去除率高10%~20%.TP在出水中含量波动较大,去除率为19%~70%,伴有磷释放现象,但是在薄膜保温下TP的去除效果也要好于温棚和冰封.经过SPSS16.0分析,薄膜保温的人工湿地出水水质与冰封和温棚法相比具有显著性差异.在对人工湿地曝气槽和出水口的污水水温进行监测发现,利用薄膜保温的人工湿地出水口水温高于冰封和温棚的水温,进一步证明薄膜保温可以有效提高人工湿地内的温度,为人工湿地正常运行提供了保证.而且薄膜保温措施的操作简便、造价低,适合推广应用.关键词:人工湿地;冬季保温;去除率文章编号:0253-2468(2012)07-1653-09　　　中图分类号:X703.1　　　文献标识码:AThestudyofwintertimeheatpreservationmeasuresinsubsurfaceflowconstructedwetlandinnorthernChinaTANYuechen,JIANGBingbing,HONGJianming∗CollegeofLifeScience,CapitalNormalUniversity,Beijing100048Received14September2011;　　　receivedinrevisedform13January2012;　　　accepted17February2012Abstract:Asanewtypeofwastewatertreatmenttechnology,constructedwetlandbecomemoreandmorepopularatpresentduetocheapcost,non-secondarypollutionandotheradvantages.However,constructedwetlandcouldnottakeregularoperationbecauseofcoldweatherinreducingitsefficiency.Inviewofthis,comparisontestsonfourmainpollutantsandthewatertemperaturewereconductedamongthreedifferentinsulationmeasuresfortwoyears.ThetestresultsindicatethatCOD,TNandNH+4-Nremovalratewas30%~45%,40%~60%and35%~60%,respectively,basedonthin-filmmethodofinsulationmeasuresprocessingsystem.Theseremovelrateswereapproximately10%~20%higherthanthegreenhousemethodandfrozenmethod.ThecontentofTPinthewaterfluctuatedsignificantly,withtheremovalrateranging19%~70%andreleaseofP.Despiteofthis,theremovalratewashigherthanthegreenhousemethodandfrozenmethod.ByapplyingSPSS16.0,significantdifferencewasdiscoveredinwaterqualityfromconstructedwetlandwiththin-filmcomparedwithfrozenmethodandgreenhousemethod.Bymonitoringwatertemperaturesattheaerationtankanditsoutlet,itwasdiscoveredthattemperatureinconstructedwetlandwiththin-filmwasmuchhigherthanfrozenmethodandgreenhousemethod,whichprovedthatthin-filmmethodhasabilitytoimproveartificialwetlandefficiency.Therefore,thin-filminsulationmeasureshouldbepromotedforitsconvenienceandcheapercost.Keywords:constructedwetland;heatingpreservation;removalrate1　引言(Introduction)人工湿地是20世纪70年代末开始研究的一种污水处理技术,与传统方法相比具有高效、廉价、易操作、运行成本低等特点,是一种很有应用前景的污水处理技术(Harbel,1999;Kivaisi,2001;Solanoetal.,2004),但是冬季低温时,不仅影响人工湿地对污染物的处理效果(Erkeretal.,2002),使得污染环　　境　　科　　学　　学　　报32卷物去除效率大幅下降(Cooksonetal.,2002),而且会造成填料层冻结、床体缺氧、管道破裂等多种不利后果(Wallaceetal.,2003;Smithetal.,2005),所以在我国北方地区推广使用人工湿地对城镇生活污水进行处理,冬季的保温措施是不可回避的问题(黄翔峰等,2008).目前国内外已有对低温条件下人工湿地污水处理技术的研究,例如在加拿大,与人工湿地技术的实际操作联系最紧密的一个问题就是低温环境;雒维国等(2005)通过在植物表面覆盖保温材料和降低水力负荷,促进NH+4-N的硝化;刘学燕等(2004)将人工湿地设计成具有防冻、高氧传送功能的反应结构,使得该人工湿地在温度低于4℃时也能进行硝化反应;Wallance等(2003)则提出了采用隔离降低热量损失的方法改善湿地处理效能(雒维国等,2005;刘学燕等,2004;Wallanceetal.,2003).不少学者针对低温环境下,人工湿地的运行和保温方法做了大量的研究工作,但是还缺少对于不同保温方法的保温效果的对比研究.特别是还没有将薄膜和覆盖植物相结合对人工湿地进行保温的研究.本试验在2008—2009年和2009—2010年的冬季,对人工湿地采用3种保温措施———冰封法、温室大棚和薄膜法,对比进行试验,验证不同保温措施的保温效果和在农村地区推广应用的价值.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　试验区域试验区域设在北京市顺义区一中学校园北部(冬季平均气温为-5~2℃),于2007年正式建成,处理的污水来源于经一体化生化预处理后(陈德强等,2003)的学生宿舍和食堂污水.2.2　试验装置人工湿地系统为总尺寸50m×50m的方形系统,深1m,在其内部包含了多级串联的并联湿地处理单元.湿地单元四周采用360mm砖墙、防水毯整体焊接护围.底部平整设坡,坡度采用1%~2%.湿地床体结构由防水毯、填料、湿地植物、集配水系统及排空管构成.床体自下而上各层填料的分布为夯实粘土、防水土工膜、土壤、不同粒径和功能的砾石级配区.一级至四级人工湿地潜流总长度25m,径流速度9.9~12cm·h-1左右.各级砾石粒径结构为一级湿地床填料粒径ϕ10~40mm,厚度0.83m;二级湿地床填料粒径ϕ10~30mm,厚度0.81m;三级湿地床填料粒径ϕ10~40mm,厚度0.79m;四级湿地床填料粒径ϕ5~30mm,厚度0.77m.人工湿地内种植植物的选择,结合北京的气候特点以及本地的野生植物种类,人工湿地内主要种植了芦苇(Phragmitesaustralis)和香蒲(Typhaelatifolia)(Chenetal.,2008).具体种植情况:上行流潜流单元内种植香蒲、芦苇、慈姑(Sagittariasagittifolia);下行流和水平流潜流单元内种植芦苇;进入氧化塘前的上行流潜流单元内种植芦苇和香蒲;曝气槽和氧化塘内种植水葫芦(Eichhorniacrassipes).植物种植密度约为27株·m-2.人工湿地分为东西两个处理系统.如图1所示.图1　人工湿地水力流程图Fig.1　Hydraulicflowchartoftheconstructedwetland45617期谭月臣等:北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究2.3　试验方法该人工湿地系统于2007年建设完成,并进行初期试运行.本试验分两阶段进行,2008年10月至2009年1月31日,2009年10月至2010年1月31日,采取序批式间歇式运行(周健等,2007;陈德强等,2003;Greenetal.,1997),每天人工湿地中进水10h,水力负荷保持在0.3m3·m-2·d-1.每星期取1次水样进行检测,取水点为人工湿地进水口、曝气池和人工湿地出水口.在人工湿地系统中,每个处理单元中都增加了4个曝气管,管道垂直通向处理单元底部,使床体具有呼吸功能,增加床体溶解氧的含量,进而促进硝化作用(雒维国等,2005;Ouellet-Plamondonetal.,2006;Munozetal.,2006).试验中,人工湿地采用潜流的方式运行,因为潜流湿地对水的处理以及微生物群落的存在都是在表面基质以下,而且蒸发与对流造成的热损失小(董婵等,2006),从而与外界寒冷的空气相隔绝(Wittgrenetal.,1997),所以潜流湿地在冬季低温地区使用更具有优势,是设计时的首选(陈晓东等,2007).在保温措施中,作为对照试验,在东西两个处理系统中采用不同