紅樹(shù)林人工濕地處理含海水污水效果研究

高 鋒，李 晨

（浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022）

隨著我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，很多地方正面臨日益嚴(yán)峻的水資源短缺形勢(shì)。以海水替代淡水用于工業(yè)冷卻用水、市政沖洗用水等可極大的節(jié)約沿海地區(qū)的淡水使用量，從而緩解水資源緊張的矛盾，被人們寄予了厚望。而推廣海水直接利用所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一是海水利用后產(chǎn)生廢水的后處理技術(shù)。目前關(guān)于這方面的研究大都集中于活性污泥處理工藝，較多研究結(jié)果表明，污水含鹽量在一定濃度以下不會(huì)對(duì)生物處理效率產(chǎn)生影響，而超過(guò)一定濃度的鹽含量及鹽濃度的變化對(duì)生物處理有較為明顯的抑制作用[1－3]。研究結(jié)果表明生物處理NaCl質(zhì)量濃度為＜20 g/L的生活污水是可行的，當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度＞25 g/L時(shí)處理效果惡化。可見(jiàn)采用傳統(tǒng)活性污泥法處理海水利用廢水具有一定局限性，尤其在海水利用后廢水無(wú)法匯入城市污水管網(wǎng)而鹽度得不到有效稀釋的情況下，活性污泥法難以完成海水利用廢水的處理。因此，尋求具有較高耐鹽性和處理效率的污水處理方法對(duì)于海水直接利用技術(shù)的推廣具有重要的意義。

人工濕地污水處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種污水處理新技術(shù)，不但可以去除污染物，還可以促進(jìn)污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和再利用，同時(shí)還能綠化土地，改善區(qū)域氣候，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)[4－10]。而且人工濕地對(duì)污染物的去處途徑綜合了植物吸收、微生物代謝、基質(zhì)吸附反應(yīng)等多種途徑，對(duì)有機(jī)物、氮、磷等多種污染物均表現(xiàn)出較好的去除效果，因而具有極為廣泛的適用性，目前已成功應(yīng)用于市政污水、養(yǎng)殖污水、水產(chǎn)加工廢水等多種污水的處理[7－12]。然而，要將人工濕地工藝應(yīng)用于含海水污水的處理則還有多方面的問(wèn)題需要解決，包括一定鹽度條件下人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行特征、系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物及氮磷的去除能力等。本實(shí)驗(yàn)圍繞上述問(wèn)題展開(kāi)研究，為含海水污水的高效生物處理進(jìn)行一種新的嘗試。

1 材料與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置和廢水水樣

實(shí)驗(yàn)所用人工濕地裝置為小型實(shí)驗(yàn)級(jí)模擬裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)為0．84 m（其中進(jìn)水區(qū)0．15 m，處理區(qū) 0．59 m，出水區(qū) 0．1 m），寬 0．65 m，深 0．32 m。在進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)填充的填料為礫石，處理區(qū)填充的填料為混合有少量細(xì)沙的土壤，以滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)的需要。濕地植物選擇紅樹(shù)林中最能夠耐寒的植物秋茄，采自于浙江樂(lè)清市西門(mén)島紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)，栽種密度為12株/m2。

本實(shí)驗(yàn)所用含鹽城市污水由海水與城市污水按不同比例混合配制而成，其中所用海水采集于舟山定海沿海水域，其鹽度為26%～30%，污水采集于舟山市定海污水處理廠污水入口處，其水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．1 Schematic representation of the constructed wetland unit

表1 廢水水質(zhì)/mg·L－1Tab．1 Characteristics of the raw wastewater．Values are in mg/L except the pH

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)如圖1所示的人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置，分別對(duì)應(yīng)處理含海水比例為10%、30%和50%的污水，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)水采用間歇操作方式進(jìn)行，每天運(yùn)行10 h，進(jìn)水負(fù)荷為0．1 m3/（m2·d），定期對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)裝置啟動(dòng)及其處理效果

實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行階段，紅樹(shù)林人工濕地對(duì)含不同海水比例的污水中及COD的處理效果如圖2所示。從圖2中數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，人工濕地對(duì)各種污染物的處理效果均較差，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，人工濕地基質(zhì)床中的微生物逐漸適應(yīng)了含鹽污水環(huán)境，處理效率不斷上升，對(duì)于的去除，需10 d左右的時(shí)間完成反應(yīng)裝置的馴化和啟動(dòng)，而對(duì)于COD的去除，反應(yīng)裝置的啟動(dòng)時(shí)間則相應(yīng)較長(zhǎng)，約25 d后反應(yīng)裝置對(duì)COD的去除才能達(dá)到較為理想的狀態(tài)，反映出人工濕地基質(zhì)層中降解有機(jī)物的微生物相對(duì)于脫氮除磷細(xì)菌需要更長(zhǎng)的時(shí)間完成對(duì)含鹽廢水的適應(yīng)和馴化。

另外，從圖2可知，污水所含鹽度不一樣其處理效果也有一定的差別，當(dāng)污水中所含海水的比例為10%時(shí)，其反應(yīng)器所需的馴化時(shí)間較短，穩(wěn)定運(yùn)行階段其對(duì)有機(jī)物及氮磷的處理效果也較為理想，從圖2可知，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，其對(duì)及COD的去除率分別達(dá)到71.6%～79.8%、75.5%～89.6%、82.7%～97.4%及66.6%～85.3%。當(dāng)所處理污水中海水比例提高為30%時(shí)，啟動(dòng)階段反應(yīng)裝置的處理效果明顯低于其對(duì)含10%海水污水的處理效果。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，最終也能夠達(dá)到較為理想的處理效果，其對(duì)及COD的去除率略低于反應(yīng)裝置對(duì)含10%海水污水的處理效果。當(dāng)所處理污水中海水比例提高為50%時(shí)，除TP外，反應(yīng)裝置對(duì)污染物的去除效果明顯低于其對(duì)含10%和30%海水污水的處理效果。特別是對(duì)COD的處理效果表現(xiàn)得尤為明顯，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)馴化，人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)含50%海水污水中COD的去除率只能夠達(dá)到40%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其對(duì)含10%和30%海水污水COD去除率80%左右的水平。分析其原因，人工濕地去除有機(jī)物完全依賴(lài)于填料層基質(zhì)中微生物的作用，而鹽度對(duì)微生物有較為明顯的抑制作用，當(dāng)污水中鹽度上升到一定水平時(shí)，微生物由于無(wú)法適應(yīng)其生長(zhǎng)代謝能力必然受到抑制，從而使反應(yīng)裝置的處理效率下降。而人工濕地對(duì)氮素污染物的處理機(jī)制除了基質(zhì)層中的微生物作用以外，還包括基質(zhì)上所生長(zhǎng)的植物的吸收作用，所以，反映出來(lái)，在人工濕地中鹽度對(duì)氮素污染去除的影響相對(duì)較小。另外，對(duì)于TP的去除，人工濕地除磷的機(jī)理主要在于填料層基質(zhì)對(duì)磷酸鹽的吸附、吸收作用，污水中的磷主要以磷酸鹽的形式存在，在人工濕地處理過(guò)程中，污水中的磷酸鹽與填料中的Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生多種形式的反應(yīng)，被固定在填料層中，而從污水中去除。這可以較好的解釋本實(shí)驗(yàn)中鹽度幾乎不對(duì)TP的處理效果帶來(lái)影響的現(xiàn)象。

2.2 進(jìn)水負(fù)荷對(duì)處理效果的影響

在進(jìn)水海水比例為30%情況下，改變進(jìn)水COD濃度，研究進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對(duì)耐鹽人工濕地處理效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可知，在較低的進(jìn)水COD濃度情況下，人工濕地對(duì)含鹽廢水的去除率隨著進(jìn)水COD負(fù)荷的上升而上升，表明在較低的進(jìn)水COD濃度情況下，提高進(jìn)水濃度能獲得較高的去除率。近一步增大進(jìn)水濃度，當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷在12.6～18.9 g/（m2·d）范圍內(nèi)時(shí)，人工濕地對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在70%左右。進(jìn)一步增大進(jìn)水COD濃度，當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷在18.9 g/（m2·d）以上時(shí)，人工濕地對(duì)COD的去除率隨著進(jìn)水COD負(fù)荷的增大而下降，表明此時(shí)過(guò)高的進(jìn)水負(fù)荷超過(guò)了人工濕地微生物的降解能力，從而使其對(duì)有機(jī)物的處理能力下降。綜上可知，在進(jìn)水海水比例為30%情況下，進(jìn)水COD負(fù)荷維持在12.6～18.9 g/（m2·d）范圍內(nèi)，可使人工濕地達(dá)到較高的運(yùn)行效率。

圖2 紅樹(shù)林人工濕地對(duì)含不同海水比例廢水的凈化效果Fig.2 Evolution of the reduction of NH4+-N,COD,TN and TP in the three constructed mangrove wetland over the 35 days test period

圖3 不同進(jìn)水COD負(fù)荷下人工濕地對(duì)COD的去除率Fig.3 COD loading and removal rate of constructed wetland

3 結(jié)論

（1）紅樹(shù)林人工濕地對(duì)含海水污水具有較好的處理效果，當(dāng)污水中海水比例在30%以下時(shí)，其對(duì)NH4+-N、TN、TP及COD都能取得較好的處理效果，去除率分別達(dá)到71.6%～79.8%、75.5%～89.6%、82.7%～97.4%及66.6%～85.3%。當(dāng)海水比例為50%時(shí)，人工濕地紅樹(shù)林對(duì)COD的去除率下降至40%左右。

（2）在進(jìn)水海水比例為30%情況下，進(jìn)水COD負(fù)荷維持在12.6～18.9 g/（m2·d）范圍內(nèi)，可使紅樹(shù)林人工濕地達(dá)到較高的運(yùn)行效率，其對(duì)對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在70%左右。

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