水平潛流人工濕地深度處理冷軋廢水中試試驗(yàn)研究

趙剛，郭浩博，黃翔峰，葉倩，朱榮健，張宜莓

水平潛流人工濕地深度處理冷軋廢水中試試驗(yàn)研究

趙剛1，郭浩博1，黃翔峰1，葉倩2，朱榮健2，張宜莓2

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海201900）

針對(duì)冷軋廢水深度處理后進(jìn)一步回用的需求，采用中試人工濕地系統(tǒng)對(duì)二級(jí)處理后的冷軋廢水進(jìn)行深度再生處理，降低污染物濃度，使其回用于生產(chǎn)過程。試驗(yàn)結(jié)果表明：人工濕地系統(tǒng)對(duì)濁度、COD、TP、TN有良好的去除效果，出水滿足鋼鐵企業(yè)回用水質(zhì)要求。重點(diǎn)針對(duì)含氮污染物轉(zhuǎn)化規(guī)律及去除機(jī)理進(jìn)行分析，為提高人工濕地系統(tǒng)的脫氮效果提供依據(jù)。

冷軋廢水；人工濕地；深度處理

冷軋產(chǎn)品是鋼鐵工業(yè)產(chǎn)品中附加值較高的深加工產(chǎn)品之一，其種類繁多，用途廣泛，近年來被大量應(yīng)用于輕工、汽車、建筑、五金等行業(yè)。由于冷軋生產(chǎn)線工藝復(fù)雜，導(dǎo)致廢水中的污染物種類繁多且難以降解，水質(zhì)、水量波動(dòng)幅度也較大〔1〕，這使得冷軋廢水的處理更為困難。目前主要的處理技術(shù)有傳統(tǒng)的兩級(jí)處理、化學(xué)除油工藝、稀土盤處理工藝以及MBR組合工藝等。隨著企業(yè)節(jié)水意識(shí)的增強(qiáng)，需要對(duì)廢水進(jìn)行深度再生處理，進(jìn)一步提高水質(zhì)質(zhì)量，以達(dá)到回用水水質(zhì)要求進(jìn)行生產(chǎn)過程的循環(huán)利用。目前冷軋廢水的深度處理方法主要有高級(jí)氧化工藝、膜處理及膜生物反應(yīng)器等方法，處理難度較大、投資較高、能耗較大、難以在工程上規(guī)模應(yīng)用。

人工濕地作為一種有效的污水處理技術(shù)，以其運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)和良好的生態(tài)效益等優(yōu)點(diǎn)〔2〕近年來在工業(yè)廢水深度處理中得到了應(yīng)用〔3〕。人工濕地系統(tǒng)通過填料、微生物、植物或三者相互之間一系列的物理、化學(xué)和生物途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水中SS、COD、N、P及其他污染物的去除〔4〕。筆者利用中試人工濕地系統(tǒng)對(duì)冷軋廢水進(jìn)行深度再生處理，對(duì)污染物去除效果進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)針對(duì)含氮污染物轉(zhuǎn)化規(guī)律及去除機(jī)理進(jìn)行論述，以完善人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用某大型鋼廠冷軋廢水經(jīng)除油、去鉻、鋅等重金屬二級(jí)處理后的出水，綜合《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 19923—2005）以及鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)用水要求，制定了企業(yè)的回用水質(zhì)要求。試驗(yàn)期間冷軋廢水水質(zhì)及回用水質(zhì)要求如表1所示。

表1　試驗(yàn)用水水質(zhì)情況及回用標(biāo)準(zhǔn)

由表1可見，經(jīng)二級(jí)處理后的冷軋廢水水質(zhì)波動(dòng)較大，濁度、COD、TN等指標(biāo)不滿足回用水質(zhì)要求，需要進(jìn)一步處理以達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。

1.2試驗(yàn)裝置及運(yùn)行工況

試驗(yàn)裝置為中試規(guī)模的人工濕地，采用半地下式，有效尺寸13m×2.3m×0.9m，填料層厚度為0.6m，有效容積約為18m3。中試濕地以粒徑為5～15mm礫石和8～16mm錳砂為填料，其中礫石為主要填料，在濕地2/3段位置處設(shè)置一段長(zhǎng)0.5m的錳砂填料段，約占總?cè)莘e的4%。為便于植物的種植和生長(zhǎng)，在潛流人工濕地石質(zhì)填料層上覆蓋了15 cm厚度的土壤，采用香蒲、鳶尾、蘆葦間種的植物布置方案。人工濕地的構(gòu)造如圖1所示。

圖1　人工濕地結(jié)構(gòu)

濕地于4月開始全面進(jìn)水，水深控制在0.6m左右，完全淹沒填料層。啟動(dòng)時(shí)水力停留時(shí)間（HRT）為5 d，隨后在保證濕地運(yùn)行效果的情況下，根據(jù)水質(zhì)處理情況和季節(jié)變化，逐步調(diào)整其HRT，依次經(jīng)歷了0.5、1、2、3、5、7 d，以考察人工濕地在不同季節(jié)和HRT條件下對(duì)冷軋廢水的處理效果。

1.3指標(biāo)分析方法

高校內(nèi)部控制并非“一次性建設(shè)“，而是循環(huán)往復(fù)的閉環(huán)式建設(shè)過程。植根于互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)時(shí)代的充分有效的內(nèi)部控制建設(shè)，通過建立制度保障體系，完善高校內(nèi)部治理結(jié)構(gòu)，理順內(nèi)部工作機(jī)制，不斷規(guī)范權(quán)力運(yùn)行，提高風(fēng)險(xiǎn)防控能力，逐步實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和智能管控，為新時(shí)代高?？茖W(xué)可持續(xù)發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)保駕護(hù)航。

主要水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法及國(guó)家環(huán)保局組織編寫的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第4版）所規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。水溫、pH、濁度分別由溫度計(jì)、PHB-2型便攜式pH計(jì)、2100P型便攜式濁度儀測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

2.1濁度的處理效果

試驗(yàn)期間，中試人工濕地對(duì)濁度具有穩(wěn)定高效的去除效果。盡管濕地進(jìn)水濁度波動(dòng)較大，在0.57～19.40NTU范圍內(nèi)變化，平均濁度達(dá)到6.5NTU，但經(jīng)過中試濕地處理后，出水濁度穩(wěn)定，基本小于3NTU，濁度去除率達(dá)到80%以上，滿足回用水質(zhì)要求。

2.2COD的處理效果

試驗(yàn)期間，中試人工濕地對(duì)COD的去除效果如圖2所示。

圖2　人工濕地對(duì)冷軋廢水COD的去除效果

由圖2可見，人工濕地中試裝置COD的去除效果與季節(jié)密切相關(guān)。夏季運(yùn)行期間，由于濕地植物香蒲、黃花鳶尾長(zhǎng)勢(shì)良好、微生物生化反應(yīng)明顯，在HRT=0.5 d的情況下，人工濕地的平均去除率達(dá)48.1%。進(jìn)入秋季運(yùn)行期間，溫度逐漸下降，蘆葦表現(xiàn)了一定的耐寒能力，但香蒲、黃花鳶尾開始枯萎，微生物反應(yīng)緩慢，為了提高運(yùn)行效果，適當(dāng)延長(zhǎng)HRT，在HRT=3 d的情況下，COD的平均去除率可達(dá)26.0%左右。冬季運(yùn)行期間，COD的去除率進(jìn)一步下降，穩(wěn)定在10%左右。裝置運(yùn)行期間，出水COD低于30mg/L，滿足回用水質(zhì)要求。

2.3TP的處理效果

由圖3可見，人工濕地對(duì)于磷的去除主要取決于填料的截留作用〔5〕，因此，試驗(yàn)期間人工濕地中試裝置TP的去除效果與停留時(shí)間密切相關(guān)。夏季運(yùn)行階段，停留時(shí)間較短，TP去除率在20%左右。秋季以及冬季運(yùn)行階段，總體的停留時(shí)間較長(zhǎng)，截留效果增強(qiáng)，TP去除率提高到40%以上，出水TP穩(wěn)定在0.1mg/L以下，達(dá)到回用要求，總體處理效果良好。

圖3　人工濕地對(duì)冷軋廢水TP的去除效果

2.4含氮污染物的轉(zhuǎn)化過程

試驗(yàn)期間，不同HRT下，進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)的冷軋廢水含氮污染物組成情況如圖4所示。

圖4　冷軋廢水含氮污染物組分

由圖4可見，冷軋廢水中的含氮污染物組分復(fù)雜，主要包括氨氮、硝態(tài)氮以及有機(jī)氮。人工濕地對(duì)于氮的去除過程主要包括植物的吸收和微生物氨化、硝化、反硝化作用〔6〕。冷軋廢水中氨氮含量較高，約占總氮的40%，因此氨氮的轉(zhuǎn)化情況對(duì)于氮的整體去除情況有重要影響。

試驗(yàn)期間，人工濕地對(duì)冷軋廢水氨氮的處理情況如圖5所示。

由圖5可見，人工濕地對(duì)于氨氮的去除主要通過微生物的硝化作用。夏季運(yùn)行期間，微生物硝化作用明顯，在HRT=1 d的情況下，氨氮平均去除率為16.1%。進(jìn)入秋、冬季運(yùn)行期間，微生物硝化作用逐漸減弱，隨著HRT的逐步提高，氨化效果逐漸體現(xiàn)，水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，導(dǎo)致出水氨氮累積，在HRT達(dá)到3、5、7 d時(shí)，出水氨氮高于進(jìn)水氨氮。

由于多種含氮污染物的存在，在夏季、秋季以及冬季運(yùn)行期間，中試人工濕地對(duì)TN的去除情況比較復(fù)雜，人工濕地對(duì)含氮污染物處理情況如圖6所示。

圖5　人工濕地對(duì)冷軋廢水氨氮的處理情況

圖6　人工濕地對(duì)含氮污染物的處理效果

由圖6可見，試驗(yàn)運(yùn)行期間，微生物的氨化作用明顯，人工濕地對(duì)有機(jī)氮的去除效果良好，有機(jī)氮去除率達(dá)70%以上。有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成為氨氮后，一部分被濕地植物吸收，另一部分通過微生物硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。由于試驗(yàn)用水中的有機(jī)碳源較低，無法提供足夠電子，因此微生物的反硝化程度較低，硝酸鹽轉(zhuǎn)化效率較低，通過此過程的TN去除效果微弱〔7〕。

夏季運(yùn)行期間，植物長(zhǎng)勢(shì)良好，TN主要通過微生物氨化作用、硝化作用、植物攝取及收割過程去除，在HRT=1 d的情況下，TN平均去除率達(dá)49.0%，出水主要以氨氮和硝態(tài)氮為主。進(jìn)入秋、冬季運(yùn)行期間，植物枯萎、反硝化作用微弱，出水硝態(tài)氮累積，TN去除率較夏季運(yùn)行有所降低。在HRT=7 d的情況下，TN平均去除率達(dá)14.9%，濕地出水TN低于6 mg/L，滿足回用要求。

人工濕地對(duì)含氮污染物的微生物作用主要包括有機(jī)氮氨化、氨氮硝化、硝態(tài)氮反硝化過程。其中，人工濕地在有機(jī)氮氨化過程中有良好的處理效果，冷軋廢水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮，進(jìn)一步發(fā)生硝化反應(yīng)，形成硝態(tài)氮。而硝態(tài)氮的去除則成為脫氮反應(yīng)系統(tǒng)的主要問題：硝態(tài)氮主要通過植物吸收去除，秋、冬季運(yùn)行階段處理效果不佳；且由于微生物反硝化過程缺少足夠電子，導(dǎo)致出水中的氮以硝酸鹽形式累積，無法從水中脫除，TN去除率難以提高。因此，為進(jìn)一步優(yōu)化人工濕地的脫氮效果，可以通過改善進(jìn)水碳源或濕地填料獲得足夠的電子供體強(qiáng)化反硝化過程，將出水中累積的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴南到y(tǒng)中脫除。

3　結(jié)論

（1）利用人工濕地深度處理某大型鋼鐵企業(yè)冷軋廢水，處理效果良好，濁度、COD、TP、TN等出水指標(biāo)均達(dá)到企業(yè)回用要求，可回用于鋼鐵生產(chǎn)過程。

（2）通過植物的攝取作用可以去除水體中的部分氮、COD等污染物。濕地植物香蒲、黃花鳶尾在夏季有良好的生長(zhǎng)、恢復(fù)能力，而蘆葦則對(duì)低溫環(huán)境有較高的適應(yīng)能力，因此，間種香蒲、黃花鳶尾、蘆葦可以使人工濕地獲得良好的處理效果。

（3）人工濕地對(duì)含氮污染物的微生物作用主要包括有機(jī)氮氨化、氨氮硝化、硝態(tài)氮反硝化過程。由于試驗(yàn)用水中的有機(jī)碳源不足，需要優(yōu)化電子供體，以提高人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

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Experimental research on the advanced treatmentofcold rolling wastewaterusing horizontalsubsurface flow constructed wetland

Zhao Gang1，Guo Haobo1，Huang Xiangfeng1，YeQian2，Zhu Rongjian2，Zhang Yimei2
（1.Key Laboratory of Yangtze RiverWater EnvironmentofEducation Ministry，College of Environmental Scienceand Engineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.DepartmentofEnergy and Environmental Protection Baoshan Iron&SteelCo.，Ltd.，Shanghai201900，China）

Aiming at the further need for recycling after the advanced treatmentof cold rollingwastewater，pilot tests of the constructed wetland system have been applied to accomplishing the advanced regenerating treatment for the secondarily treated wastewater，and to reducing the concentration ofpollutants，soas tomake itbe reused in production processes.The experimental results indicate that constructed wetland has significant removing effects on turbidity，COD，TP，TN，and the effluent can meet the requirements for recycle water quality in iron&steel works.The transformation ruleofnitrogen-containing pollutantsandmechanismsof removalare analyzed emphatically providing basis for improving the denitrification effectof constructed wetland systems.

cold rollingwastewater；constructed wetland；advanced treatment

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0069-04

趙剛（1990—），博士。E-mail：zg13409222@163.com。通訊聯(lián)系人：黃翔峰，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：hxf@ #edu.cn。

2016-06-10（修改稿）

上海寶鋼集團(tuán)有限公司科研基金項(xiàng)目