不同水力負(fù)荷下人工濕地處理污水廠尾水研究

萬 紅*,崔海容,黃周滿,熊 薇（武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院環(huán)境工程系,武漢 430220）

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不同水力負(fù)荷下人工濕地處理污水廠尾水研究

萬 紅*,崔海容,黃周滿,熊 薇
（武昌理工學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院環(huán)境工程系,武漢 430220）

摘 要：隨著污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和削減進入受納水體污染負(fù)荷的迫切需求，污水廠尾水的深度處理研究具有重要的意義。人工濕地被證明是尾水處理的一種經(jīng)濟有效的手段，并且在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求。通過研究水力負(fù)荷分別為0.25m/d、0.50m/d、0.75m/、1m/ d時垂直流人工濕地系統(tǒng)對COD、TN、TP的去除率和濕地基質(zhì)硝化、反硝化反應(yīng)強度，實驗結(jié)果顯示供試濕地系統(tǒng)最佳水力負(fù)荷是0.5-0.75m/ d，TP、TN、COD平均去除率范圍分別是50.1%-54%、52.6%-62.2%、48.2%-48.6%，出水水質(zhì)均達到污水處理廠一級A標(biāo)準(zhǔn)。濕地系統(tǒng)具有良好的反硝化環(huán)境，反硝化速率明顯較硝化速率高，最高和最低速率分別相差17.7倍和25.20倍。

關(guān)鍵詞：人工濕地；尾水；水力負(fù)荷；去除效果

0 引言

人工濕地作為一種典型的生態(tài)處理技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于受污染水體的水質(zhì)凈化與恢復(fù)、面源污染控制、雨水處理與利用、污水處理等領(lǐng)域，具有投資少、運行費用低、出水水質(zhì)好、無二次污染等優(yōu)點[1-2]。同時，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，如太湖流域2008年1月1日后建設(shè)的城鎮(zhèn)污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)需GB18918-2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)升級為一級A標(biāo)準(zhǔn),加強對污水廠尾水深度處理的研究具有重要意義。人工濕地被證明是尾水處理的一種經(jīng)濟有效的手段，它不僅可以滿足二級出水脫氮除磷的水質(zhì)要求，而且能大幅削減進入受納水體的污染負(fù)荷，并且在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求[3-5]。本文主要研究不同水力負(fù)荷下垂直流人工濕地低碳高氮污水廠尾水的凈化，通過監(jiān)測濕地系統(tǒng)對N、P及有機物的凈化效果，得出垂直流人工濕地針對污水處理廠尾水深度處理的最佳水力負(fù)荷，以期為尾水深度處理提的工程實踐提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 實驗和方法

1.1 實驗裝置與方法

濕地模擬系統(tǒng)為長方體(1.5m x 0.8m×1m)，實驗裝置由四組相同尺寸的垂直流人工濕地組成，工藝流程為下行流。每組人工濕地池體從底部向上依次填充鵝卵石，粒徑50～80 mm，厚度10cm；礫石，粒徑為20～40mm，厚度30cm；礫石，粒徑為5—20mm、厚度25cm；粘土層，厚度15cm。濕地植物選用蘆葦，取長勢一致的帶土蘆葦移種到濕地中，濕地植物按8株／m2的密度種植蘆葦。

實驗在2015年3月20日一7月10日期間進行。 通過控制進水水量來設(shè)定不同水力負(fù)荷（HLR）,人工濕地面積為1.5×0.8m2，設(shè)置四組濕地的水力負(fù)荷分別為0.25 m/d、0.5 m/d、0.75 m/d、1m/d，因而4組系統(tǒng)進水水量分別為0.3m3/d、0.6m3/d、0.9m3/ d、1.2m3/d，四組濕地系統(tǒng)的水力停留時間分別為4d、2d、1.33d、1d。為了實現(xiàn)濕地連續(xù)進出水，進水端處建有一調(diào)節(jié)池，規(guī)格為3×3×1m，距離濕地表層0.5m高。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在每個周期末采集水樣，系統(tǒng)出水水樣直接由出水口采集，進水水樣在進水布水管附近采集。所采集水樣密封保存運輸至實驗室，并將其保存于0-4℃冰箱中，于一天內(nèi)進行COD、總氮、硝酸氮、TP等指標(biāo)的測定。

1.2 進水水質(zhì)

實驗進水以我校污水處理廠的尾水為處理對象，實驗期間系統(tǒng)進水水質(zhì)為：CODcr=30-60mg/L；TN=13-23mg/L； NH3-N=8-18mg/L； NO3-N=5-6mg/L；TP=0.5-1.5 mg/L。

1.3 分析項目與方法

1.3.1 總磷采用鉬酸氨分光光度法

總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法； COD采用哈希COD測定儀；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。

1.3.2 基質(zhì)硝化強度的測定

取新鮮基質(zhì)100g于250mL錐形瓶中，加入50mL( 25 mg/L )的NH4+培養(yǎng)液，并用帶孔棉塞塞住,置于恒溫?fù)u床振蕩三天（25℃，140 rpm/min），每隔 24 h取 15 mL 水樣過濾，分析濾液中的NO-

3-N含量[6]。每次取水樣后用培養(yǎng)液補足?；|(zhì)硝化作用強度計算如下式：

式中：ω1為單位時間內(nèi)單位質(zhì)量基質(zhì)產(chǎn)生的NO3--N，mg/ (kg ·h)；c1為初始溶液中NO3--N質(zhì)量濃度，mg/ L；c2為24 h后溶液中NO3--N質(zhì)量濃度，mg/ L；v1為培養(yǎng)液體積，L；v2為基質(zhì)樣品中水分體積，L；t為培養(yǎng)時間，h；m為樣品質(zhì)量，g；k為水分系數(shù)。

1.3.3 基質(zhì)反硝化強度的測定

稱取100g 新鮮填料置于250 mL錐形瓶中，加入50 mL（50mg/L) 含NO3-的培養(yǎng)液，用橡皮塞密封，20℃下置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h，每隔24小時取15 mL 水樣，分析濾液中的NO3--N含量，每次取樣后將培養(yǎng)液補足[7]。 基質(zhì)反硝化強度計算時如下：

式中，ω2為單位時間內(nèi)單位質(zhì)量基質(zhì)消耗的NO3--N，mg/ (kg ·h)；其它字母含義同公式（1）。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 去除效果分析

（1）對有機物的去除。人工濕地對有機物的去除主要通過微生物的吸附降解、植物吸收及填料吸附完成。系統(tǒng)正式運行后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后測得不同水力負(fù)荷下隨著運行周期的變化COD的去除率如圖1所示。從圖1可知，實驗期間隨著運行周期的向后推進，系統(tǒng)對有機物去除率比較穩(wěn)定。隨著HLR的增加，人工濕地對CODcr的平均去除率分別是46.3%、48.6%、48.2%、39.6%,可見實驗范圍內(nèi)HLR的變化對CODcr去除率的影響不大， 去除率總體較低，可能是因為污水廠尾水的有機物濃度低且較難降解。當(dāng)HLR不低于0.75m/d時，去除率在46-49%之間，出水CODcr范圍是15.9-31.8mg/L。

（2）對TP的去除。人工濕地對磷的去除主要是通過植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化和填料的物理化學(xué)作用完成，其中植物吸收和基質(zhì)吸附發(fā)揮的作用更大一些[8]。從圖2可知，當(dāng)HLR為0.5m/d和0.75m/d時，人工濕地對TP的去除率較高，平均去除率分別為54%和50.1%。當(dāng)HLR為0.25m/d和1m/d時，人工濕地對TP的去除率低，平均去除率分別為47.4%和41.7%。水力負(fù)荷低時易造成濕地系統(tǒng)缺氧，使微生物產(chǎn)生厭氧釋磷現(xiàn)象，而好氧過量吸磷受到一定影響，因而影響TP的去除率。水力負(fù)荷過高時，一方面污水流速大，易將被吸附在填料或植物表面的磷沖出系統(tǒng)；另外，水力負(fù)荷從0.25m/d上升至1m/d時，濕地系統(tǒng)水力停留時間從4d下降至1d，因此較短的水力停留時間影響了TP的去除率。從除磷效果來說，HLR在0.5-0.75m/ d時除磷效果較好，平均去除率在50%以上，出水TP范圍為0.24-0.49mg/L。

（3）對氮的去除。人工濕地主要是通過微生物的硝化和反硝化作用、濕地植物的吸收及濕地填料的吸附等作用除氮的，其中微生物的硝化和反硝化作用是除氮主要途徑[9]。濕地系統(tǒng)對TN和NO3-N的去除效果如圖3和圖4所示。由圖3可知，隨著運行周期的推進，系統(tǒng)脫氮不穩(wěn)定。HLR對TN去除效果的影響較大，隨著HLR的增加，濕地系統(tǒng)對TN的平去除率逐漸下降，平均去除率分別為62.2%、57.5%、52.6%和44.2%，可見水力負(fù)荷低有利于濕地脫氮。由圖4可知，濕地系統(tǒng)有著較高的硝酸氮去除率，四種負(fù)荷下最高、最低平均去除率分別為94.3%和68.8%。濕地系統(tǒng)對TN的去除率遠(yuǎn)低于對NO3-N的去除率，說明供試濕地內(nèi)的氧環(huán)境有利于反硝化反應(yīng)而不利于硝化反應(yīng)的進行，不同水力負(fù)荷導(dǎo)致的不同水力停留時間對硝化反應(yīng)的程度也有一定的影響。當(dāng)HLR濕地系統(tǒng)出水TN濃度在0.25-0.5m/d時，出水TN 濃度范圍為4.9-9.5mg/L。

2.2 硝化強度和反硝化強度分析

硝化反應(yīng)強度分析是將所取一定質(zhì)量的基質(zhì)加入硝化培養(yǎng)液并在恒溫?fù)u床上連續(xù)培養(yǎng)三天，每天取一定體積培養(yǎng)液進行硝化反應(yīng)強度測定；反硝化反應(yīng)強度的分析將所取一定質(zhì)量的基質(zhì)加入反硝化培養(yǎng)液，同時充入氮氣密封并在恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)三天，每天取一定體積培養(yǎng)液進行反硝化反應(yīng)強度測定。不同水力負(fù)荷下的測定結(jié)果取平均值，見圖5。四種HLR下的最高和最低硝化速率分別為0.161和0.054mg/(kg·h)，最高和最低反硝化速率分別為3.01 和1.42mg/(kg·h)，兩種情況下對應(yīng)的水力負(fù)荷分別為0.25m/d和1m/d。HLR為0.25m/d和0.5m/d時，均保持較高的硝化和反硝化速率。隨著水力負(fù)荷進一步增加，硝化速率顯著降低，反硝化速率逐漸降低。系統(tǒng)的反硝化速率明顯較硝化速率高，最高和最低速率分別相差17.7倍和25.20倍，進一步說明了該系統(tǒng)具有較好的反硝化環(huán)境，對硝態(tài)氮具有較高去除效果。

圖1　人工濕地對CODcr去除率

圖2　人工濕地對TP去除率

圖3　人工濕地對TN去除率

圖4　人工濕地對NO3-N去除率

圖5　不同HLR下人工濕地硝化和反硝化反應(yīng)速率

3 結(jié)論

（1）四種水力負(fù)荷下垂直流人工濕地系統(tǒng)對尾水N、P有較好的凈化效果，對COD去除率較低，出水水質(zhì)均達到污水處理廠一級A標(biāo)準(zhǔn)。

（2）HLR在0.5-0.75m/d時除磷效果較好，平均去除率范圍為50.1%-54%，出水TP為0.24-0.49mg/L；水力負(fù)荷在0.75m/d以內(nèi)時，TN平均去除率在52.6%-62.2%之間，出水TN 濃度范圍為4.9-9.5mg/L；COD去除率受水力負(fù)荷的影響程度相對較小，平均去除率在45%左右；TN和TP去除率隨著水力負(fù)荷的增加而下降。綜合考慮水力負(fù)荷對氮、磷及有機物去除率，供試濕地系統(tǒng)最佳水力負(fù)荷是0.5-0.75m/d。

（3）濕地系統(tǒng)對TN的去除率遠(yuǎn)低于對NO3-N的去除率，系統(tǒng)的反硝化速率明顯較硝化速率高，最高和最低速率分別相差17.7倍和25.20倍，說明了系統(tǒng)具有較好的反硝化環(huán)境，對硝態(tài)氮具有較高去除效果。

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項目：2015年度湖北省建設(shè)科技項目計劃。

*為通信作者

作者簡介：萬紅（1976-），女，湖北隨州人，碩士，講師，主要從事：水污染控制工程研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.011