尼日利亚拉各斯大学潜流人工湿地生活污水处理厂纵向剖面污染物的性能特征外文翻译资料

《水资源与保护杂志》，2014年，第6期，104-113期，2014年2月在线出版(http://www.scirp.org/journal/jwarp)http://dx.doi.org/10.4236/jwarp.2014.62015)

尼日利亚拉各斯大学潜流人工湿地生活污水处理厂纵向剖面污染物的性能特征

摘要

本文件报告了在尼日利亚拉各斯大学(UNILAG)开展的一项研究工作的结果，目的是审查地下人工湿地(SSFCW)处理生活污水的性能和效率。研究了SSFCW对UNILAG群落内生活污水的物理、化学和生物污水污染物参数的去除模式和效率。从进水(点1)到出水(点11)沿SSFCW对废水进行采样和分析。总DIS溶解性固体(TDS)由471 mg/l降至11.85 mg/l(97.48%)，浊度由108.75 HTU降至0.05HTU(99.95%)，锰由6.05 mg/l降至0.61 mg/l(89.92%)。硝酸盐从27.5 mg/l降至2.0 mg/l(92.73%)，硫酸盐从48.5 mg/l降至28 mg/l(42.27%)，铁从1.13 mg/l降至0.03mg/l(97.35%)。BOD由73.14mg/l降至12.8mg/l(82.5%)，大肠杆菌由874 MPN/100 ml降至0.15 MPN/100 ml(99.98%)。溶解氧含量则由3.14mg/l增加到7.49mg/l(138.54%)，pH由6.49mg/l微升至7.05(9.3%)。排放点的所有参数均在尼日利亚联邦环境保护局(FEPA)可接受的标准之内。研究结果表明，SSFCW是一种经济、高效、适用于热带地区生活污水处理的技术。

关键词

潜流；人工湿地；生活污水；污染物去除

1. 介绍

未经处理的污水主要含有水(约95%)，这些水通常来自洗涤和冲厕。它们还含有有机颗粒(如粪便、食品、纸张纤维、植物材料等)、无机颗粒(如沙子、金属颗粒、陶瓷等)、病原体和非病原生物、原生动物、昆虫等动物。例如卫生巾、尿布等宏观固体，硫化氢、甲烷等气体，以及其他当中的毒素。未经处理的污水含有丰富的营养成分，是各种生物和植物的栖息地。在世界各地，产生了大量的废水，其中大部分，特别是在发展中国家，在排入水体之前不加以处理。水生生态系统被直接或间接地用作来自家庭、农业和工业废物的潜在有毒液体的接受者[1]。排放或部分处理的废水对环境有害，因此应对废水排放进行调节，以保护环境。发展中国家约有三分之二的人口没有卫生的处理方法和废水总量，这意味着卫生设施不足是这些国家疾病的主要原因。

在世界各地，许多废水正在产生，其中大部分，特别是在发展中国家，在排放到水体之前没有经过处理。水生生态系统直接或间接地作为来自生活、农业和工业废物的潜在有毒液体的接受者。未经处理或部分处理的废水排放对环境有害，应规范废水排放，保护环境。发展中国家约三分之二的人口没有处理排泄物和废水总量的卫生方法，这意味着卫生条件不足是这些国家疾病的主要原因。

20多年来，各国利用人工湿地改善污染水和废水的水质[2-4]。尽管人工湿地最初是为生活污水设计的[5]，但它已成功地用于环境污染控制。人工湿地系统具有天然湿地的积极特征，它复制了自然系统中的物理、化学和生物过程[6]。人工湿地是一种人工污水处理系统，由种植水生植物的浅水池塘或沟渠组成，通过自然微生物、生物、物理和化学过程对废水进行生物过滤，处理废水[7]。

湿地上的植物有助于截留沉积物，因为它使沉积物以较低的速度沉降。在大多数湿地中，颗粒的沉降也受到层流的帮助。此外，重力和悬浮物质相对密度的差异使得颗粒能够在湿地中沉降[9]。湿地土壤中的微生物吸收和储存养分，并利用其进行代谢功能，这是去除有机污染物的关键。细菌利用有机物中的碳作为能量来源，在好氧条件下转化为二氧化碳，在厌氧条件下转化为甲烷。微生物的代谢是去除无机氮的基础[8]。

人工湿地的两种主要类型是表面流人工湿地(SFCW)和地下流人工湿地(SSFCW)。SFCW包括一个浅水盆地、土壤或其他支持植物根系的介质，以及一个水力设计的结构，以维持污水的层流。污水被排放到大气中 种植漂浮湿地/水生植物。SSFCW由一个由分级砾石和沙子组成的多孔介质的盆地组成。水位被设计成低于基底的顶部。人工湿地可以是一个单细胞盆地。根据可用土地空间的配置，它们也可以是并联或串联的多个单元。人工湿地具有很高的缓冲能力。因此，出水水质通常相当稳定。污染物去除过程包括沉降、吸附、络合、植物吸收和微生物介导的氧化还原反应[10]。另一方面，低温(尤其是抑制除氮)、峰值流动(固体冲刷)和地下流动系统堵塞也会产生不利影响。去除率主要取决于温度、水力停留时间(HRT)和加载速率[11]。

本文以拉各斯大学生活污水处理系统为研究对象，采用串联的地下水流人工湿地，研究污染物纵向分布特征。

1. 材料与方法

2.1研究地区

位于拉各斯的尼日利亚拉格斯大学(Unilag)，在西非海岸北纬06˚25，东经03˚27，并且直接与拉各斯泻湖相连(图1)

2.2 Unilag地下人工湿地描述

大学社区的生活污水经污水渠输送至位于大学服务区的中央污水排放室。污水被泵入两个氧化槽。在进入厌氧消化池(化粪池)和人工湿地系统之前，大颗粒先在滤网/除砂室中过滤掉(图2)。湿地采用钢筋混凝土，内衬防水膜，防止渗透和地下水污染。SSFCW的总面积选择是基于[12]提出的模型。污水处理厂总面积为7200平方米，平均污水流量为380立方米/天。一共有9个单元，每个单元面积800平方米，深度0.65 m。这九个单元是地下水平流人工湿地，以不同大小的砂砾和海洋尖砂为湿地介质 平均等级大小0.1毫米至0.35毫米，种植塞浦路斯纸莎草。图2为人工湿地污水处理系统布置图。

2.3样品采集与分析

从2012年1月至12月(52周)，在人工湿地系统纵向剖面上的每个采样点1- 11 (SP1-SP11)，每周采集3个样本，带到实验室进行分析。记录各采样点的均值。样品的颜色采用Whatman 42滤纸多参数光度计后滤法测定。分别用Adwa电导率计、Hanna微处理器浊度计、Beckman 350 pH计和HM digital TDS计测量电导率、浊度、pH和总溶解度。对水和废水标准分析方法中规定的各个参数进行了化学和生物分析。进一步对实验室结果进行均值和标准差统计分析，结果如表1所示。图3为SSFCW纵剖面及采样点示意图。

1. 结果与讨论
   1. 说明

对于所调查的每一个污染物参数，收集一年数据的均值和标准差的统计分析如下表1所示。表2为沿SSFCW纵向剖面采样点污染物的去除率。可以看出,尽管SSFCW污水处理厂是9细胞连接在系列设计和建造中,很大比例的污染物已被移除细胞7月底,采样点8(表2)。减少百分比从42.27%,硫酸为99.95%,浊度不等。水平参数要求的增加,pH值增加了9.30%,而溶氧增加了138.53%(表2和图4)。表3中所有参数的性能,在SSFCW废水点,比较FEPA污水限制指南的水排入水体在尼日利亚。从表3中可以看出，按照FEPA的指导原则，所有参数都可以排放到进水中。下一节将进一步讨论每个污染物参数的性能。

3.2物理污染物的性能参数

3.2.1 pH

由SSFCW曲线可以看出，fluent pH值(6.49)与污水pH值(7.05)之间没有明显差异，均在FEPA标准范围内(表3)。SSFCW系统似乎降低了污水的酸度，从而更有利于接收水体的水生生物。从图5(b)可以看出，SSFCW纵向剖面pH值下降的百分比呈逐渐负值。

这一观察结果表明，该污水处理厂的处理过程将污水的酸度从微酸性水平提高到可接受的略高于中性水平

3.2.2.总溶解氧

由表1可知，进水TDS值为471mg/l，出水TDS值为11.85 mg/l。从SP1到SP11，污染物的减少幅度越来越大。

最终的百分比约为97.48%是在出水点(表2)。由表2可以看出，在SP1至SP7之间，有超过50%的TDS被除去。结果与[13,16]的结果一致。图6(a)和(b)分别为沿SSFCW纵剖面采样点的TDS去除性能和去除率。

3.2.3浊度

由表1可知，进水(SP1)的浊度值为108.75HTU，出水(SP2)的浊度值为1.98HTU。由表2可知，人工湿地去除约99.95%的浊度。从表2还可以看出，在采样点4，浊度已经被去除50%以上。浊度的显著降低可以归因于总溶解固体和悬浮固体的减少。人工湿地去除浊度的效率可能取决于床层的沙粒、土壤颗粒大小和深度。图7(a)和(b)分别显示了SSFCW纵向剖面上采样点的浊度去除性能和去除率。

3.3 化学参数的性能

3.3.1锰

废水中的锰含量在逐步减少，从入渗SSFCW水平6.05 mg / l到0.61 mg / l(表1)。图8(a)显示了取样点的去除程度，而图8(b)显示了沿纵向剖面取样点的去除百分比。结果表明，样品点4的锰去除率达到50%以上，而出水点(SP11)的锰去除率为89.92%。

3.3.2硝酸

同时，沿着SSFCW，硝酸盐去除率也由27.5 mg/l 降至 2.0 mg/l (表1)。图9(A)显示硝酸盐在取样点的去除水平，而图9(B)显示沿纵向剖面取样点的硝酸盐去除率。湿地中硝酸盐的去除率通常很高[8]。在污水排放至接收水之前，必须先清除污水中的硝酸盐，这点非常重要。饮用水中高浓度硝酸盐可导致婴儿血脑白质“蓝婴”综合征。大量的氮也有助于富营养化，在富营养化过程中，营养物质促进植物过度生长，而植物则消耗水中的氧气。

3.3.3硫酸

硫酸盐是水的无毒成分。然而，摄入含有高硫酸盐的水会引起腹泻。生活污水中硫酸盐的存在可能是由于洗涤产生的洗涤剂废物。图10(a)显示，本研究中的SSFCW在去除废水中的硫酸盐方面效率不高。进水废水的硫酸盐含量为48.5 mg/l，而出水的硫酸盐含量为28mg/l(图10(a))，这一比例仅为42.27%(图10(b))。尽管去除率较低，但出水硫酸浓度仍远低于FEPA排放规范400mg /l 。

3.3.4铁

从图10(a)可以看出，从进水1.13 mg/l到出水0.03 mg/l, SSFCW废水的含铁量稳步降低(表1和图11(a))，总去除率为97.35%(表2和图11(b))。因此，废水浓度在FEPA标准的范围内。

3.3.5溶解氧

健康水体的溶解氧应至少为5.2 mg/l[17]。低氧浓度与高浓度有机物污染有关。在本研究中，DO值沿SSFCW从3.14 mg/l的进水(SP1)到7.49 mg/l的出水点(SP11)均呈上升趋势(图12(a))，提高效率约138.54%(图12(b))。百分比曲线(图12(b))中的负下降表明DO沿采样点增加。

人工湿地处理后溶解氧的改善，可能是由于有机污染物和微生物在床上的滞留以及大气氧的同时混合，使其在床上的数量减少[14]。在人工湿地中，植物根系之间存在着氧交换、微生物的正常活动和水的流动[18]。

3.3.6 生化需氧量(BOD)

生化需氧量是用来测量微生物分解有机物所消耗的氧气量。

湿地水体中应有足够的氧气，以保证动植物的生存。在本研究中，污水处理厂的生化需氧量由进水点(SP1)的73.14 mg/l下降至出水点(SP11)的12.80 mg/l，即约82.47%的去除率(图13(a)及(b))。

已知人工湿地在减少BOD方面效率很高[6,13,14,19]。BOD5的物理去除是通过颗粒在砾石或岩石介质的空隙中沉降和夹附而迅速发生的。可溶性BOD5被培养基表面的微生物去除，附着在植物根部和根状茎上，穿透基质。在人工湿地系统中，由于植物凋落物等天然有机物质的组成，系统内产生了少量的BOD5，无法完全去除BOD5，在污水中，典型的是残留的BOD5[20]。

3.4微生物污染物性能参数

大肠杆菌

通常通过大肠杆菌来检测污水的微生物质量。大肠杆菌是一种引起疾病的病原体，它可以存在于饮用水中，也尤其存在于污水中。

本研究显示，总大肠杆菌数目由入口点(SP1)的874.18 MPN/100 ml显著减少至流出点(SP11)的0.15 MPN/100 ml，去除率约为82.50%(图14(a)及(b))。

除菌的主要过程包括自然死亡、沉降、过滤、紫外光电离、不利的水化学、温度效应、pH值和其他生物的捕食等。此外，床的深度在减少细菌数量中起着重要作用[14]。本研究人工湿地的深度为650 mm，较浅，也可能是大肠菌群清除效率较高的原因。

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