富含石灰的堿性廢水的來源非常廣泛, 例如我國每年產生的建筑垃圾達4 000~5 000 萬t〔1〕,其中絕大部分未經處理直接運往郊區堆放或簡易填埋?T. G. Townsend 等的研究表明, 建筑垃圾滲濾液pH可達到11〔2〕?制堿?鋼鐵制造?煤炭脫硫等過程中會產生大量富含石灰的固體廢棄物〔3-5〕,這些固體廢棄物經風化?雨水沖刷,可產生堿性滲濾液?此外,水泥?混凝土的生產以及建筑施工過程中也會產生大量含有石灰和碳酸鈣的堿性廢水〔6-7〕?如果這些堿性廢水不經處理直接排放進入水體則會影響水生生物的新陳代謝,導致消化系統失調,對水生生物有直接的毒害作用〔8〕;另外,由于這些強堿性廢水中常含有大量石灰,碳酸鈣的蓄積沉淀會影響植物光合作用,破壞底棲動物的生存空間〔9〕?因此,必須對該類廢水進行適當處理,使廢水pH 降低后,方能排放到受納水體?
目前堿性廢水的處理方法主要有酸堿中和法〔10〕和CO2曝氣法〔11〕,有些制度管理不嚴格的地方則采用直接稀釋的方法〔12〕?由于堿性廢水排放量大,且多數廢水排放流量隨時間變化顯著, 導致應用傳統方法處理堿性廢水的設備投資和運行費用高〔3〕?人們通過對天然濕地的長期觀察發現, 濕地對酸性和堿性廢水均有很強的緩沖能力〔13〕,因此應用人工濕地降低堿性廢水pH 成為一種很有潛力的技術方法?另外由于人工濕地具有建設運行費用低廉?環境友好?運行管理簡單等優點〔14〕,使得利用人工濕地技術處理堿性廢水具有重要的研究應用價值?
1 機理
人工濕地常用于處理二級污水廠出水?市政污水?農業廢水等〔14〕?目前,對應用人工濕地緩沖酸性廢水的pH 也已有廣泛的研究和應用〔15〕,而將其用于堿性廢水的處理還處于初步研究階段?富含石灰(CaO)的廢水呈堿性是因為石灰水解生成Ca(OH)2,Ca(OH)2溶于水產生OH-?
人工濕地基質中的腐殖酸對于中和廢水的堿性有一定作用〔16〕,但堿性廢水的pH 在人工濕地中得到有效降低,主要還是因為CO2的作用?CO2溶于水生成HCO3-,而HCO3-可以中和廢水中的OH-,并使Ca2+與CO32-結合形成CaCO3沉淀, 碳酸鈣的沉積又進一步促進HCO3-中和廢水中的OH-, 從而使得廢水的堿度降低?目前對于這一過程的反應動力學還不是很清楚, 但I. D. Clark 等認為,CO2向水溶液中的擴散,以及通過水解反應生成CO32-,這兩步為速率限制步驟〔17〕?人工濕地中的CO2主要有兩個來源:一是大氣中的CO2向廢水中擴散溶解,但通過這種方式傳遞CO2速率慢, 尤其是對于潛流型濕地,通過大氣傳輸的CO2更是有限〔18〕;二是濕地中的微生物和濕地植物的根系通過呼吸作用釋放CO2,使得廢水中CO2含量增加,這是人工濕地處理堿性廢水時CO2的主要來源〔19〕?另外,濕地植物發達的根系可為碳酸鈣的沉積提供更大的表面積,從而促進Ca2+的沉淀, 進而促進HCO3- 對堿性廢水的中和作用〔20〕?
2 濕地面積計算
用來計算人工濕地大小的方法很多,包括應用一級動力學模型〔21〕?體積標化的去除效率〔22〕等,然而最常用的是應用面積標化的污染物去除效率進行計算〔23〕?在處理富含石灰的堿性廢水的濕地中,廢水的pH 隨著鈣的沉積而降低, 因此鈣的沉積效率是評價人工濕地對堿性廢水的處理效果的重要指標,而且鈣的濃度易于測定,所以在人工濕地大小的設計計算中, 應用鈣的去除效率來計算濕地面積〔15〕?其計算公式為:
式中:
A———濕地面積,m2;
Qd———廢水流量,m3/d;
Ci,Ct———分別為進水和出水中鈣的質量濃度,mg/L;
Ra———鈣的沉積速率,g/(m2·d)?
W. M. Mayes 等用1 a 的時間對濕地中鈣的沉積速率進行了連續監測,結果表明鈣的沉積速率為0.4~13.6 g/(m2·d),其中在進水和出水處的鈣的沉積速率最低,分別低于2?5 g/(m2·d)〔18〕?他們認為進水口處鈣的沉積速率較低是因為廢水中可利用的CO2濃度低;而出水口處鈣的沉積速率相對較低是因為出口處廢水pH 已低于9.5,且大部分鈣已經得到有效去除,使得廢水中所含鈣的濃度較低〔15,18〕?然而,他們也觀察到濕地的主體部分的鈣的沉積速率還是相對穩定的,平均值為7.4 g/(m2·d)〔18〕,并建議在設計處理堿性廢水的濕地面積時可以考慮應用5g/(m2·d)的鈣的沉積速率,這可以保證將pH 為12的廢水處理到pH<9 的水平〔24〕?因此,依據鈣的沉積速率?廢水的流量?進水鈣的濃度以及設計的出水鈣的濃度,即可以得到人工濕地所需面積?
3 濕地基質填料和植物的選擇傳統的人工濕地主要用于去除有機污染物和氮磷,其基質多采用含鈣高的礫石?石灰石和滲透性好的砂土等?與此不同,用于去除廢水中鈣質?降低廢水pH 的人工濕地, 因為其需要生長繁殖大量的微生物來提供CO2, 所以需要基質中含有更多的有機質?因此,基質填料多采用本地土壤摻加堆肥的混合物〔24〕,而一般來說,新鮮的堆肥中微生物活性低,經馴化后的堆肥會具有更好的處理效果〔25〕?
濕地植物的種植有利于富含石灰的廢水pH 的降低, 這主要是因為濕地植物能夠為微生物的生長繁殖提供源源不斷的碳源, 從而有利于微生物通過呼吸作用產生更多的CO2,降低廢水pH〔15〕?此外,濕地植物根系能夠為無機物的沉淀提供更大的表面積,這也是濕地植物的種植有益于鈣沉降和廢水pH降低的原因〔15〕?高pH 廢水影響濕地植物生長,主要有以下幾方面原因:(1)OH-對植物的直接毒害作用〔26〕;(2)水中微量元素(Fe?Mn?B?Zn?Cu 等)因沉淀而減少,不利于濕地植物的生長〔15〕;(3)高pH 下微生物活性降低;(4)高pH 下磷因與鈣?鎂等形成沉淀而減少, 從而使水中缺乏磷而不利于濕地植物生長〔27〕?W. M. Mayes 的研究表明,在石灰廢棄物滲濾液(pH=12.75)中生長的香蒲,其地上部分生物量比對照組減少40% 〔28〕?盡管如此,依然有很多濕地植物能夠在高pH 條件下生存,見表1〔15〕?具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
4 結語
通過對人工濕地處理富含石灰的堿性廢水的總結探討,得到以下結論:
(1)利用人工濕地處理富含石灰的堿性廢水的主要凈化機理為:通過微生物呼吸作用產生CO2,使廢水中的鈣形成碳酸鈣沉淀,同時降低廢水pH?濕地植物根系也能夠產生CO2, 并能夠為鈣沉淀提供更多的表面積, 因此濕地植物的種植有利于富含石灰的堿性廢水的凈化?
(2)所需人工濕地面積可依鈣的沉積速率?廢水的流量?進水鈣的濃度以及設計的出水鈣的濃度計算得到?
(3)濕地基質填料中一般要添加堆肥,以利于微生物生長繁殖, 從而有利于廢水中鈣的沉積和pH降低?
(4)強堿性對濕地植物的生長有一定抑制作用,因此用于處理堿性廢水的人工濕地一般選擇蘆葦?香蒲這些對酸堿適應性強的濕地植物?
