人工濕地用于污水深度處理的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

付國(guó)楷，王 敏，張 智，周 琪

（1.重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045；2.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用二級(jí)生物處理工藝削減污染物，由于工藝本身的局限性，出水污染物濃度很難再進(jìn)一步降低，若將二級(jí)出水排至自凈能力有限或已受到污染的水體，仍會(huì)造成水環(huán)境污染［1］。在水資源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，污水處理系統(tǒng)應(yīng)考慮有機(jī)物和氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的聯(lián)合去除，因此，應(yīng)大力開(kāi)發(fā)高效低耗的深度處理工藝以適應(yīng)更高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮污水再生利用。常見(jiàn)的深度處理工藝有微濾、超濾、臭氧氧化＋生物過(guò)濾、濕地和土壤滲濾等，前3種工藝的運(yùn)行成本較高，且需要專業(yè)的操作管理人員，使其在發(fā)展中國(guó)家的推廣受到限制［2－4］。人工濕地通過(guò)生物降解、吸附、過(guò)濾、沉淀和植物吸收作用凈化污水，可適應(yīng)低濃度污染物去除的要求，具有投資省、維護(hù)管理簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用［5－6］。

現(xiàn)階段人工濕地設(shè)計(jì)主要基于經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，缺乏有力的工藝參數(shù)指引，用于優(yōu)化濕地系統(tǒng)脫氮除磷的設(shè)計(jì)參數(shù)和與之相關(guān)的研究很少。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型模擬濕地處理系統(tǒng)是定量化研究的重要方法，較常見(jiàn)的有一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、Monod模型及黑箱模型。其中，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型因其簡(jiǎn)便應(yīng)用最為廣泛，Monod模型在模擬生物反應(yīng)過(guò)程方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但其相關(guān)模型參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)定，黑箱模型則過(guò)于粗糙?？偟膩?lái)說(shuō)，目前還沒(méi)有一種模型能夠很好的描述濕地系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理及其相互關(guān)系［7－8］。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以較好的描述人工 濕 地 中 COD、TN 和 TP的 分 解 過(guò) 程［9－10］；Trang等采用一階反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型評(píng)價(jià)熱帶地區(qū)人工濕地的處理能力，當(dāng)水力負(fù)荷為62mm／d時(shí)，COD、SS和TP的去除速率常數(shù)分別達(dá)到30、51、84m／a［12］。Ouyang等利用一階反應(yīng)模型研究垂直流人工濕地中脫氮?jiǎng)恿W(xué)，出水TN模擬值與實(shí)測(cè)值線性相關(guān)（R2＝0.692 9），出水氮濃度占進(jìn)水氮濃度的54%，吸附、沉淀脫氮量占22%，反硝化脫氮量?jī)H占18%，并指出出水回流可改善脫氮效果［11］。

人工濕地的處理效果以及一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中的反應(yīng)速率常數(shù)（kA）受氣候條件、濕地結(jié)構(gòu)和原水水質(zhì)的影響較大，在不同環(huán)境條件下由單一濕地形式得出的模型參數(shù)在工程設(shè)計(jì)中沒(méi)有較大的指導(dǎo)意義［12］。筆者通過(guò)構(gòu)建潛流濕地、表流濕地和潛流／表流組合濕地處理系統(tǒng)，同時(shí)考察3種濕地對(duì)二級(jí)出水中有機(jī)質(zhì)、氮、磷等污染物的去除效果和機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

中試系統(tǒng)由潛流濕地（SSFW）、表面流濕地（SFW）、潛流／表流組合濕地（CFW）3個(gè)單元并聯(lián)組成，3個(gè)單元占地面積相等。其中潛流濕地和表流濕地有效面積均為37.7m2；組合濕地前半段為潛流濕地，有效面積17.7m2，后半段為表流濕地，有效面積15.6m2。各單元沿長(zhǎng)度方向每隔3.6m設(shè)1個(gè)取樣點(diǎn)。濕地中試模型剖面圖見(jiàn)圖1，構(gòu)建參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 人工濕地剖面圖

表1 人工濕地構(gòu)建參數(shù)

1.2 運(yùn)行工況

人工濕地采用連續(xù)進(jìn)水方式，原水來(lái)自二級(jí)生物處理系統(tǒng)出水，其COD、氨氮、TN、TP分別為31.0～42.1、0.32～6.44、12.59～25.04、1.25～2.70mg／L，pH值6.74～7.43。試驗(yàn)分 A（3月—5月）、B（6月—8月）、C（9月—11月）3個(gè)階段進(jìn)行，每階段運(yùn)行0.16、0.32、0.48m／d 3個(gè)水力負(fù)荷，共9個(gè)工況，每個(gè)工況運(yùn)行30d，對(duì)應(yīng)水溫分別為9.6～16.2、16.3～23.5、23.2～24.8、24.3～28.1、28.2～29.3、25.3～27.4、26.0～22.5、23.8～18.1、22.1～13.8℃，由此考察不同負(fù)荷條件下濕地系統(tǒng)對(duì)各污染物的去除效果和影響因素。

1.3 數(shù)據(jù)檢測(cè)及分析方法

沿各取樣點(diǎn)垂直方向取混合水樣，采樣頻率為3d／次，參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）測(cè)定COD、TN、NH3－N、TP、pH等指標(biāo)。

污染物的降解采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型模擬（忽略背景濃度），計(jì)算人工濕地面積反應(yīng)速率常數(shù)

式中：Co、Ce分別為進(jìn)水、出水中污染物濃度，mg／L；q為水力負(fù)荷，m／d；kA為面積反應(yīng)速率常數(shù)，m／d。

根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算溫度影響常數(shù)θ［14］：

式中：kA，T為T℃時(shí)的面積反應(yīng)速率常數(shù)，m／d；kA，20為20℃下的面積反應(yīng)速率常數(shù)，m／d；θ為溫度影響常數(shù)；T為水溫，℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物的去除

在進(jìn)水COD濃度穩(wěn)定的條件下，潛流濕地、表面流濕地、組合濕地對(duì)COD的去除效率均隨水力負(fù)荷（HLR）的增加而下降；面積反應(yīng)速率常數(shù)受水力負(fù)荷和溫度的影響不明顯，如表2所示。COD面積去除量對(duì)面積負(fù)荷的變化類似于Monod曲線，在低負(fù)荷條件下面積去除量隨著面積負(fù)荷增大迅速上升，之后在中高負(fù)荷條件下上升平緩，最后將趨向定值，如圖2所示。在相同的面積負(fù)荷條件下，潛流濕地面積去除量最高，組合濕地次之，而表面流濕地面積去除量明顯低于其它2種濕地。試驗(yàn)條件下潛流濕地的最大 COD面積去除量達(dá)到10.7g／（m2·d），組合流濕地達(dá)到9.1g／（m2·d），而表面流濕地僅有5.4g／（m2·d）。

3種池型中潛流濕地對(duì)COD的去除能力最強(qiáng)，在水力負(fù)荷為0.16m／d時(shí)，3個(gè)試驗(yàn)階段其COD平均去除率可達(dá)75%，組合濕地次之，表流濕地最弱。這可能是由于潛流濕地具有更長(zhǎng)的水力停留時(shí)間以及固液兩相有更大接觸面積的原因。

圖2 COD面積負(fù)荷對(duì)去除量的影響

2.2 氨氮的去除

3種濕地對(duì)氨氮的去除效率受到水溫和水力負(fù)荷的影響。在相同的水溫條件下，濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效率隨著水力負(fù)荷的增加而降低，在相同的水力負(fù)荷條件下，濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效率和面積反應(yīng)速率常數(shù)隨著水溫的上升而提高，如表3所示。水溫低于15℃時(shí)，相同負(fù)荷條件下組合流濕地氨氮去除效率最高，潛流濕地效率最低，表面流濕地居中；水溫高于15℃時(shí)，表面流濕地氨氮去除效率最高，潛流濕地效率最低，組合流濕地居中?？傮w來(lái)看表流濕地的氨氧化能力最強(qiáng)，其kA最高達(dá)到0.186m／d，約為同水平下潛流濕地或組合濕地的2倍，但受溫度影響最為顯著，低溫條件難以保證處理效果。

在較小的溫度變化區(qū)間內(nèi)，3種濕地氨氮面積去除量對(duì)面積負(fù)荷的變化規(guī)律與有機(jī)物類似，如圖3所示，所不同的是表面流濕地最大的氨氮面積去除量達(dá)到了0.68g／（m2·d），而潛流濕地僅有0.42g／（m2·d）。

表2 COD去除率及其反應(yīng)速率常數(shù)

圖3 NH3－N面積負(fù)荷對(duì)去除量的影響（20～25℃）

2.3 總氮的去除

3種濕地的脫氮能力依次為SSFW＞CFW＞SFW，總氮去除率隨HLR的升高顯著降低，見(jiàn)表4。對(duì)照表3可知，SFW可將大部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，但不能提供適宜兼性厭氧菌生長(zhǎng)的環(huán)境，故反硝化脫氮能力最差。據(jù)報(bào)道，曝氣可促進(jìn)氨氧化和反硝化，當(dāng)控制濕地中DO為0.2～0.6mg／L時(shí)，氨氮和總氮去除率均可達(dá)86%以上［15－16］。一階動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，溫度升高對(duì)脫氮有明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)水溫≥28℃時(shí)，SSFW的kA最高達(dá)到0.28m／d；當(dāng)水溫≤15℃時(shí)，kA＝0.116m／d，相應(yīng)的θ值為1.058，這與Leverenz等研究結(jié)果一致，同時(shí)，濕地植物可以減輕低溫對(duì)系統(tǒng)處理效果產(chǎn)生的負(fù)面影響［17］。

在相同的總氮面積負(fù)荷條件下，潛流濕地面積去除量最高，最高可達(dá)3.5g／（m2·d），組合流濕地次之，最高可達(dá)2.7g／（m2·d），表面流濕地總氮面積去除量最低，最高值也僅有2.1g／（m2·d）。

表3 氨氮去除率及其反應(yīng)速率常數(shù)

表4 TN去除率及其反應(yīng)速率常數(shù)

圖4 TN面積負(fù)荷對(duì)去除量的影響（20～25℃）

2.4 磷的去除

人工濕地磷去除率隨HLR的升高顯著降低，見(jiàn)表5。整個(gè)運(yùn)行期間3種濕地的平均除磷率分別為61.2%、33.6%、37.5%，對(duì)應(yīng)的kA值為0.276、0.112、0.130m／d；由于進(jìn)水C／P＝6.6較低，濕地生物除磷能力較弱，磷主要通過(guò)吸附、截留、沉淀等方式去除［18］。由于頁(yè)巖和鋼渣的磷吸附能力較強(qiáng)，優(yōu)于礫石和塘泥，因此在所采用的基質(zhì)類似的條件下，組合濕地對(duì)總磷的去除僅略優(yōu)于表面流濕地，而采用頁(yè)巖和鋼渣為基質(zhì)的潛流濕地除磷效率則有大幅提高。當(dāng)HLR為0.16m／d時(shí)，不同溫度條件下SSFW 的除磷率分別為81.7%、83.6%、77.7%，說(shuō)明溫度對(duì)濕地除磷效果無(wú)顯著影響。

3種濕地對(duì)總磷的面積去除量隨著面積負(fù)荷的升高而加大，但是頁(yè)巖和鋼渣為基質(zhì)的潛流濕地總磷面積去除量最高可達(dá)0.65g／（m2·d），以礫石和塘泥為基質(zhì)的組合濕地總磷面積去除量最高為0.36g／（m2·d），而表面流濕地最高值為0.33g／（m2·d）。

圖5 TP面積負(fù)荷對(duì)去除量的影響

2.5 動(dòng)力學(xué)常數(shù)

將試驗(yàn)期間不同污染物的所有數(shù)據(jù)計(jì)算kA值，并對(duì)應(yīng)當(dāng)日水溫采用Arrhenius公式模擬，得到標(biāo)準(zhǔn)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)kA，20及溫度影響常數(shù)θ，如表6所示。在污染物濃度較低時(shí)，3種濕地系統(tǒng)對(duì)有機(jī)質(zhì)、氮、磷的去除符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。溫度對(duì)3種形式人工濕地中有機(jī)物和磷的去除影響不明顯，但是對(duì)總氮和氨氮的去除影響較大?？傮w來(lái)說(shuō)，潛流濕地對(duì)污染物的去除效率更高，但是表面流濕地對(duì)于氨氮具有更高的去除效率。

表5 TP去除率及其反應(yīng)速率常數(shù)

表6 3種濕地一階反應(yīng)速率常數(shù)及溫度的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)和溫度影響常數(shù)，可以計(jì)算不同氣候條件下所需要的濕地面積，用于指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。但是根據(jù)不同目標(biāo)污染物計(jì)算將得到不同的結(jié)果。對(duì)于處理污水廠尾水的人工濕地來(lái)說(shuō)，若出水水質(zhì)目標(biāo)為地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，限制性污染物將為TN，因此建議根據(jù)TN反應(yīng)速率常數(shù)和當(dāng)?shù)氐臏囟葪l件來(lái)計(jì)算濕地面積，同時(shí)采用TP數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行校核。另外也有資料表明，若濕地運(yùn)行得當(dāng)，還可顯著降低統(tǒng)出水大腸埃希氏菌含量［19］。

3 結(jié)論

1）3種池型人工濕地對(duì)污染物的去除可以采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬，并計(jì)算得到其標(biāo)準(zhǔn)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)kA，20及溫度影響常數(shù)θ，此結(jié)果可以為不同條件下人工濕地的類型選擇和精確化設(shè)計(jì)提供參考。

2）對(duì)于有機(jī)物、總氮、總磷的去除來(lái)說(shuō)，潛流濕地優(yōu)于其它2種濕地，其kA，20值分別為0.29、0.20和0.28m／d，但是表流濕地對(duì)氨氮的去除效率更高，其kA，20值為0.12m／d。

3）溫度對(duì)人工濕地中氨氮和總氮去除有明顯影響，其中對(duì)表面流濕地影響最大，其溫度影響常數(shù)θ分別為1.077和1.074；溫度對(duì)有機(jī)物和總磷的影響不明顯。

4）3種人工濕地對(duì)污染物的去除效率均隨著水力負(fù)荷的增大而顯著下降，濕地對(duì)污染物的面積去除量隨著面積負(fù)荷的提高，將平緩上升后趨于定值，因此人工濕地宜在低負(fù)荷工況下運(yùn)行。

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