人工濕地深度處理生活污水的機(jī)理研究

謝衛(wèi)平，王 欣

(1.宜興環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇宜興214206;2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京100084)

人工濕地作為一種生態(tài)型污水處理技術(shù)，具有投資運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1].按濕地結(jié)構(gòu)形式可分為表面流人工濕地、潛流人工濕地和垂直流人工濕地等.相比之下，表面流人工濕地具有結(jié)構(gòu)形式接近于天然濕地，管理方便、運(yùn)行穩(wěn)定、生態(tài)景觀效果好等特點(diǎn).因此，表面流人工濕地已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊水質(zhì)保持、面源污染控制、受污染水體修復(fù)等.

隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，生活條件日趨改善，生活污水的產(chǎn)生量日漸加大，廢水中N、P含量較高，排入受納水體后會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題[2].為進(jìn)一步去除生活污水二級(jí)處理后水中所含的N、P等元素，本研究以人工濕地處理系統(tǒng)，采用不同的處理植物，探討三類處理系統(tǒng)的凈化效率和效果.

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置為表面流人工濕地，水深為0.5 m，面積為25 m2，植物的種植密度為30株/m2.

選擇處理植物時(shí)，要考察其耐污能力、去污效果、適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境、根系、抗病蟲害能力及景觀效果等原則，通過(guò)前期靜態(tài)水培試驗(yàn)篩選出3種相對(duì)條件較好的水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦，并將3種植物分別栽種于表面流人工濕地試驗(yàn)裝置中(W1、W2、W3).

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用污水采取自某北方農(nóng)村生活污水處理廠的二級(jí)生物處理后的污水，其水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 進(jìn)水水質(zhì)

1.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

本試驗(yàn)主要測(cè)定項(xiàng)目包括SS、NH3—N、TN、TP等.按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)中提供的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地運(yùn)行效果

2.1.1 水力負(fù)荷的確定

針對(duì)進(jìn)水為二級(jí)出水的濕地系統(tǒng)而言，在正常的設(shè)計(jì)條件下，不需要考慮污染物負(fù)荷的上限，但太高的水力負(fù)荷通常會(huì)導(dǎo)致處理系統(tǒng)出水效果變差，因此，水力負(fù)荷的上限是必須考慮的因素.表2列舉了不同水力負(fù)荷條件下，人工濕地系統(tǒng)的去除率，可以看出當(dāng)水力負(fù)荷為0.06 m3/(m2·d)以上時(shí)，出水水質(zhì)急劇變差，因此適宜的水力負(fù)荷應(yīng)該在0.06 m3/(m2·d)以下，本研究中的水力負(fù)荷取0.04 m3/(m2·d).

表2 不同水力負(fù)荷條件下的水質(zhì)凈化效率

2.1.2 綜合運(yùn)行效果

本試驗(yàn)期為8個(gè)月，期間氣溫在20～35℃之間.表3列出了水力負(fù)荷為0.04 m3/m2·d，停留時(shí)間為2 d時(shí)，3種人工濕地在7、8月份連續(xù)運(yùn)行后的進(jìn)出水平均質(zhì)量濃度.

表3 3種濕地系統(tǒng)進(jìn)出水平均質(zhì)量濃度

2.2 BOD5去除效果分析

在表面流人工濕地系統(tǒng)中，有機(jī)污染物通過(guò)沉淀、過(guò)濾、吸附等作用截留在濕地中，然后被微生物降解去除.反應(yīng)過(guò)程中主要氧源來(lái)自水面復(fù)氧和植物產(chǎn)氧.濕地系統(tǒng)中附著生長(zhǎng)在植物表面的微生物對(duì) BOD5的去除起到了重要的作用[3].Scholz等人[4]指出濕地系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的去污功能主要基于兩點(diǎn)原因:一是其內(nèi)部存在著大量而豐富的微生物，二是具有較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間.三種植物人工濕地對(duì) BOD5的凈化都呈現(xiàn)出較好的效果，對(duì)BOD5的平均去除率分別為83.9%、82.6%和77.1%;BOD5月平均出水質(zhì)量濃度如圖1所示，可以看出，隨著溫度的升高，出水BOD5質(zhì)量濃度逐漸降低，在7、8兩月處理效果最好，3種植物人工濕地的平均出水質(zhì)量濃度分別是 2.0、2.0、2.7 mg/L.

圖1 3種濕地BOD5月平均出水質(zhì)量濃度

2.3 氮的去除效果分析

表面流人工濕地中含氮化合物主要包括顆粒有機(jī)氮、溶解有機(jī)氮、氨態(tài)氮(NH4+—N、NH3—N)和硝態(tài)氮(NO3－、NO2－)[5].濕地系統(tǒng)中氮的去除途徑包括氨揮發(fā)，硝化－反硝化，固氮，微生物和植物的吸收，氨化，厭氧氨氧化、吸附等[6]，發(fā)揮主要作用的是硝化－反硝化和植物的吸收.其中NH3—N的去除主要取決于污水中微生物量和含氧量，水生植物可通過(guò)根區(qū)向水中釋放氧氣，促進(jìn)NH3—N的去除.另外溫度也是影響去除率的重要因素，圖2列舉了3種濕地系統(tǒng)在不同溫度下對(duì)NH3—N的平均去除率.可以看出隨著溫度的升高，濕地系統(tǒng)對(duì)NH3—N去除率逐漸升高.試驗(yàn)中，濕地系統(tǒng)對(duì)NH3—N的處理效果較好，7、8月份中NH3—N出水質(zhì)量濃度的平均值在0.7～0.9 mg/L之間，NH3—N 的去除率分別為 80.4%、81.5%、74.2%.但對(duì)TN的去除效果并不理想，TN的平均出水質(zhì)量濃度在7～10 mg/L之間，平均去除率分別為37.0%、50.6%和 36.2%.可能的原因是污水進(jìn)入人工濕地后，有機(jī)氮、氨氮等也快速的轉(zhuǎn)化為NO3－和NO2－等無(wú)機(jī)氮，有機(jī)污染物迅速被降解去除，導(dǎo)致反硝化時(shí)碳源不足，限制了NO3－向N2的轉(zhuǎn)化，降低了TN的去除率.

圖2 不同溫度下3種濕地NH3—N的去除率

2.4 磷的去除效果分析

濕地中磷的存在形式為有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷兩種，其中只有游離態(tài)的正磷酸鹽是可以被水生植物和藻類可以直接利用的.濕地中磷的去除途徑包括:吸附和沉降、植物和微生物的吸收及形成新的土壤或沉淀物等[7].Soto 等[8]證明植物量大的人工濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除要更好些，水生植物可去除17%左右的正磷酸鹽和約10%的TP.但儲(chǔ)存在植物體內(nèi)的磷會(huì)隨著植物的枯萎和死亡重新釋放到水體中，所以必須及時(shí)的收獲植物.濕地土壤對(duì)磷的去除也有著至關(guān)重要的作用，Dunne等[9]發(fā)現(xiàn)磷的吸附量與土壤中非結(jié)晶態(tài)的鐵和氧化鋁有顯著的正相關(guān)性.水中的磷酸鹽會(huì)與土壤間隙水中Ca2+、Fe3+、Al3+離子及其氧化物等反應(yīng)，生成難溶物質(zhì)，經(jīng)過(guò)互相聚合或吸附在土壤顆粒上形成新的土壤[10].試驗(yàn)期間TP的去除率隨溫度的升高而提高，圖3列舉了不同溫度下三種濕地對(duì)TP的去除率，溫度由20℃升高到30℃，去除率提高了25%左右.7、8月份溫度適宜，植物生長(zhǎng)迅速，促進(jìn)了濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除，三種濕地的平均去除率分別為 71.9%、72.2%和 69.7%.

圖3 不同溫度下3種濕地TP的去除率

2.5 表面流人工濕地動(dòng)力學(xué)模擬方程

用于濕地的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，主要考慮處理負(fù)荷與處理效率之間的關(guān)系，模型的推導(dǎo)以基質(zhì)的降解服從一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，常假設(shè)模型中的一些參數(shù)如速率常數(shù)等為常量，與水力負(fù)荷或進(jìn)水質(zhì)量濃度無(wú)關(guān)，以及濕地中的水流形態(tài)為穩(wěn)定的柱塞流等.一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型通常的表達(dá)方式為:

其中:C0為系統(tǒng)進(jìn)水質(zhì)量濃度，mg/L;Ci為系統(tǒng)出水質(zhì)量濃度，mg/L;k為面積速率常數(shù)，cm/d;q為系統(tǒng)水力負(fù)荷，cm/d.

上述的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中只包含一個(gè)參數(shù)k，在Eckenfelder模型中，如果污染物種存在不可生物降解部分，則需在方程中加入不可生物降解物質(zhì)質(zhì)量濃度項(xiàng).在濕地中，即使沒(méi)有不可生物降解的污染物，大氣或地下水的貢獻(xiàn)、化學(xué)作用以及生物地理化學(xué)循環(huán)也會(huì)產(chǎn)生背景質(zhì)量濃度.于是Kadlec和Knight建議引入背景質(zhì)量濃度，低于背景質(zhì)量濃度的污染物不能被降解，并在一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程中加入背景質(zhì)量濃度項(xiàng)C*[11]:

依據(jù)北美人工濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中用于三級(jí)處理的表流人工濕地的出水年平均質(zhì)量濃度值可以看出，BOD5背景質(zhì)量濃度在1.2～3.0 mg/L之間，均值為2.0 mg/L.本試驗(yàn)中的出水質(zhì)量濃度甚至低于此值，說(shuō)明試驗(yàn)中的背景質(zhì)量濃度很低，同時(shí)為方便計(jì)算，忽略背景質(zhì)量濃度.

因此公式(2)變形為:

將本試驗(yàn)中7、8月份的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按公式3進(jìn)行擬合.從表4可看出，采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模擬污染物的去除效果，擬合效果較好.

表4 擬合動(dòng)力學(xué)方程

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明表面流人工濕地深度凈化二級(jí)生物出水是適宜的，具有較好的凈化效果且運(yùn)行效果穩(wěn)定.所選取的三種水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦可以很好地適應(yīng)濕地環(huán)境，在污水中生長(zhǎng)狀況良好.試驗(yàn)表明，三種不同植物人工濕地在處理效果方面沒(méi)有表現(xiàn)出較顯著的差異，對(duì)有機(jī)物、懸浮物、NH3—N、TP均有較好的去除效果，對(duì)TN的去除率均較低.各類污染物的去除率隨溫度的升高而逐漸提高.采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合效果較好，得到了該試驗(yàn)條件下BOD5、NH3—N、TN和TP去除的反應(yīng)速率常數(shù).

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