水平蘆葦濕地有機(jī)物和氨氮去除動(dòng)態(tài)研究

[尼泊爾] K.R.佰斯塔 等

水平蘆葦濕地有機(jī)物和氨氮去除動(dòng)態(tài)研究

[尼泊爾] K.R.佰斯塔 等

尼泊爾一直以來(lái)使用水平和垂直潛流濕地進(jìn)行廢水處理，并依據(jù)其他國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)成果設(shè)計(jì)濕地處理單元。到目前為止，由于處理單元的性能對(duì)微生物的特性、氣候條件和當(dāng)?shù)丨h(huán)境的其他屬性比較敏感，導(dǎo)致已開發(fā)的合理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在一些局限性。其次，目前為此而對(duì)濕地系統(tǒng)特性開展的研究相當(dāng)有限?？紤]到以上因素，確立了主要研究目標(biāo)：①?gòu)挠袡C(jī)物和氨氮去除方面，評(píng)估潛流蘆葦濕地系統(tǒng)的特性；②評(píng)估反應(yīng)速率常數(shù)和有效比表面積；③評(píng)估濕地系統(tǒng)性能與使用年限間的關(guān)系；④探討反應(yīng)速率常數(shù)的動(dòng)態(tài)特征。研究選擇了3個(gè)全尺度和1個(gè)中試規(guī)模的生活污水處理單元，其水平流濕地的使用年限為1～5 a。

蘆葦濕地；動(dòng)態(tài)特征；有機(jī)物和氨氮去除；潛流系統(tǒng)；廢水處理；尼泊爾

1 概 述

發(fā)展中國(guó)家城市化和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致廢水量不斷增長(zhǎng)，而廢水對(duì)地表水和地下水源造成巨大威脅。人們一直在竭盡全力建設(shè)傳統(tǒng)的廢水處理設(shè)施。然而，由于處理設(shè)施建設(shè)成本高、運(yùn)行復(fù)雜和維護(hù)不便，其應(yīng)用受到限制。在天然廢水處理系統(tǒng)中，人工濕地(CW)被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)易且性價(jià)比高的生態(tài)廢水處理技術(shù)。通過(guò)對(duì)植被和系統(tǒng)其他部分進(jìn)行更好的水力控制，可優(yōu)化工藝，克服自然濕地缺點(diǎn)。曾有專家指出，利用水生植物處理廢水的人工濕地已在各個(gè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，如德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、中國(guó)和印度。這些植物對(duì)廢水處理過(guò)程的起到重要的物理作用，包括過(guò)濾、創(chuàng)造生物膜表面、大型植物吸收營(yíng)養(yǎng)鹽和釋放氧氣的新陳代謝。

自從1997年以來(lái)，尼泊爾院校和中小型規(guī)模社區(qū)使用水平流和垂直潛流蘆葦(卡開蘆種)濕地處理廢水，目前，正在運(yùn)行的濕地有10多個(gè)，處理能力為0.5～115 m3/d，根據(jù)其他國(guó)家濕地的經(jīng)驗(yàn)成果進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了判定合理標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)少數(shù)濕地進(jìn)行了系統(tǒng)特性的研究。

在此背景下，本研究將有助于了解蘆葦濕地處理城市污水中有機(jī)物和氨氮的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。研究目標(biāo)主要有：評(píng)估有機(jī)物特性、有機(jī)負(fù)荷(OLR)不同量級(jí)下的氨氮去除率、水平潛流濕地(HFB)運(yùn)行年限；評(píng)估濕地縱向不同橫斷面處理性能；確定反應(yīng)速率常數(shù)和生物膜細(xì)菌利用的基質(zhì)比表面積。

方程(1)為基于一階動(dòng)力學(xué)和平推流模型的推理公式，運(yùn)用于人工濕地的總體設(shè)計(jì)。

Ce=Coe-kt

(1)

式中,Ce表示COD出水濃度，mg/L；Co表示COD進(jìn)水濃度，mg/L；k表示反應(yīng)速率常數(shù)，d-1；t表示水力停留時(shí)間(HRT)，d。

曾有學(xué)者提出用方程(2)評(píng)估反應(yīng)速率常數(shù)：

k=ks+asηsLfkb

(2)

式中，k表示整體反應(yīng)速率系數(shù)，d-1；ks表示細(xì)菌懸浮反應(yīng)速率系數(shù)，d-1；as表示有效比表面積，m2/m3；ηs表示生物膜有效因子；Lf表示生物膜厚度，m；kb表示生物膜反應(yīng)速率常數(shù)，d-1。

眾多學(xué)者先后指出，處于運(yùn)行階段的人工濕地，其有效比表面積本質(zhì)上就是生物膜面積，它有助于基質(zhì)分解或轉(zhuǎn)移，該基質(zhì)為有機(jī)質(zhì)或以氨氮或磷形式存在的營(yíng)養(yǎng)鹽。

為了比較可用生物膜面積不斷變化的各種自然處理系統(tǒng)的有效比表面積，有學(xué)者引進(jìn)一個(gè)面積系數(shù)(δ)，為無(wú)量綱，見方程(3)。

δ=ash

(3)

式中h為系統(tǒng)深度，m。

大型淺水盆地僅將占地面積作為生物膜細(xì)菌可利用的有效表面積，δ值是單一的。曾有學(xué)者提出，如果將挺水植物看作額外的生物膜表面，密集的挺水植物的δ值則約為5，再加上水中的垃圾，能進(jìn)一步提高δ值，δ≈10。

本文也討論了αs、δ的理論值和經(jīng)驗(yàn)值，以及假設(shè)條件下蘆葦濕地早期和成熟期孔隙率。以上參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值可從實(shí)際反應(yīng)速率常數(shù)和使用方程(2)，(3)得到。

表2 濕地廢水進(jìn)水特征匯總

2 材料與方法

2.1 蘆葦濕地簡(jiǎn)介

該研究在3個(gè)全尺度和1個(gè)中試規(guī)模的生活污水處理設(shè)施上進(jìn)行，設(shè)施均包括人工濕地，分別位于尼泊爾加德滿都大學(xué)(KU)、什里克漢德普爾(Shrikhandpur)社區(qū)(SC)、杜里克爾(Dhulikhel)醫(yī)院(DH)及普爾喬克(Pulchowk)工程學(xué)院(PE)。以上設(shè)施已分別運(yùn)行0.8，2，4，5 a。每個(gè)設(shè)施基本情況和運(yùn)行條件見表1。

表1 蘆葦濕地基本情況及運(yùn)行條件匯總

水平潛流蘆葦濕地的橫斷面示意見圖1。

圖1 蘆葦濕地典型橫斷面示意

2.2 采樣與分析

以上4套廢水處理設(shè)施都包括沉淀池和水平流濕地(HFB)。然而，KU和DH處理設(shè)施還包括垂直流濕地(VFB)，HFB處理后的出水為VFB的進(jìn)水。濕地通過(guò)重力作用維持水流的連續(xù)性。為了更好地比較濕地的處理效率，本研究?jī)H分析HFB。對(duì)KU和DH每4 h采一次水樣，連續(xù)3 d進(jìn)行1輪采樣，每套設(shè)施共進(jìn)行4輪采樣。對(duì)PE按連續(xù)1周每天采樣1次，針對(duì)3種流量(8，11，15 m3/d)應(yīng)用相同的采樣方案。而對(duì)SC，連續(xù)3 d每天采樣1次。

KU、DH和SC濕地高程為1 550 m，PE濕地高程為1 324 m。兩處年均雨量分別為1 711 mm和1 430 mm，其中90%以上的降雨發(fā)生在6～8月份。兩處年均氣溫分別為17 ℃和18 ℃。研究在冬季開展，因此未考慮濕地蒸散發(fā)量的損失。根據(jù)“水和廢水分析標(biāo)準(zhǔn)方法”進(jìn)行水樣分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢水特征

表2匯總了蘆葦濕地處理廢水的特征。數(shù)據(jù)表明，KU、PE 和DH濕地進(jìn)水量處于中等強(qiáng)度，而SC濕地進(jìn)水量處于高等強(qiáng)度。

3.2 濕地整體特性

KU蘆葦濕地有機(jī)物和氨氮平均去除率分別為66%和52.0%，PE相應(yīng)為86.6%和54.7%，SC相應(yīng)為80.0%和5%，DH相應(yīng)為63%和6%。試驗(yàn)表明，去除率取決于過(guò)程變量，如HRT和蘆葦濕地的運(yùn)行年限。濕地整體性能見表3。

表3 各蘆葦濕地污染物去除特征匯總

表4 有機(jī)物和氨氮的反應(yīng)速率常數(shù)匯總

3.3 沿河床方向的不同特性

PE濕地各采樣點(diǎn)有機(jī)物和氨氮的去除特征見圖2。從圖2可見，沿河床方向2個(gè)參數(shù)的濃度顯著下降。然而，隨著負(fù)荷的增加，2個(gè)參數(shù)的去除性能減弱。圖2也呈現(xiàn)了分明的分解趨勢(shì)。前一半線性關(guān)系明顯，而后一半則表明污染物去除處于飽和階段。圖2也說(shuō)明了有機(jī)物的分解在河床的前半段完成更快，而氨氮去除發(fā)生在河床的后半段。

圖2 有機(jī)物沿HFB濕地長(zhǎng)度方向去除率變化示意

3.4 反應(yīng)速率常數(shù)

表4匯總了方程(1)使用特征值獲得的反應(yīng)速率常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了進(jìn)水特征和河床特征的變化。Ku的HFB平均反應(yīng)速率常數(shù)k為1.1 d-1，這同基質(zhì)孔隙率為0.25～0.45的潛流CW系統(tǒng)的1.104 d-1建議值相差很小。PE濕地3個(gè)HRT下的反應(yīng)速率常數(shù)分別為0.83-1、1.4 d-1和1.3 d-1，該濕地運(yùn)行了2 a。研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率常數(shù)也取決于河床的使用年限。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在2 a時(shí)間范圍內(nèi)，k值成倍增加。早期的研究反映k值是外部因素和內(nèi)部因素的函數(shù)。1997年卡德萊茨指出，k值與HLR和OLR或濕地HRT關(guān)系密切。與此相似，眾多學(xué)者先后提出k值為可利用生物膜細(xì)菌比表面積的函數(shù)。然而，本研究的調(diào)查結(jié)論強(qiáng)調(diào)了k值的重要性，明確指出人工濕地的運(yùn)行優(yōu)化意味著廢水應(yīng)能到達(dá)濕地所有地方，以充分利用生物膜細(xì)菌。然而，做出這樣的假設(shè)似乎是不現(xiàn)實(shí)的，人工濕地絕不會(huì)存在透水性和有效比表面積最佳值這樣的理想境況。即使能取得這樣的條件，也僅是一個(gè)暫時(shí)現(xiàn)象。

濕地滲透系數(shù)取決于基質(zhì)顆粒直徑、顆粒級(jí)配和形狀、河床孔隙率和顆粒分布。植物根系提高了顆粒大小和顆粒數(shù)量，從而改變了孔隙率，同時(shí)孔隙率在垃圾和顆粒沉積的作用下也會(huì)發(fā)生連續(xù)性變化。滲透系數(shù)特性超出了設(shè)計(jì)人員或是運(yùn)行人員的控制，預(yù)測(cè)也比較困難。與此相似，全面控制外部因素，如負(fù)荷率和HRT，也是不可能的，因?yàn)闈竦剡\(yùn)行中要控制k值是相當(dāng)麻煩的。由表4可見，在上述討論的基礎(chǔ)上，PE濕地得到的k值最高，為1.4 d-1，其他OLR為103 kg/(hm2·d)，HRT為3.5 d，為中間值。這表明，高負(fù)荷率或較短的HRT相應(yīng)低負(fù)荷率或較長(zhǎng)的HRT代表著濕地系統(tǒng)未得到優(yōu)化，或未充分利用可獲得生物膜細(xì)菌的潛在區(qū)域。

3.5 有效比表面積

使用方程(2)和方程(3)，所得結(jié)果見表4，采用卡蒂瓦達(dá)等學(xué)者于1999年提出用ηs、Lf和kb估計(jì)值估算每個(gè)蘆葦濕地的αs和δ值，結(jié)果見表5。結(jié)果表明，濕地河床提供的有效比表面積在27～71 m2/m3范圍內(nèi)變化，這意味著可利用的生物膜面積是濕地河床占地面積的15～42倍。曾有學(xué)者估算出潛流濕地的αs和δ理論值分別為360 m2/m3和162，它假設(shè)濕地河床充填的圓形顆粒直徑為1 cm。與此相似，1999年卡蒂瓦達(dá)等學(xué)者估算出潛流濕地的理論值，假設(shè)河床僅充滿植物根系。本文提出若植物根系直徑為100 μm下，αs和δ理論值分別為24 000 m2/m3和16 800。估算這2個(gè)值的基本假設(shè)為生物模以柱狀形式與植物根部接觸。盡管如此，由于堵塞、死水、滲透系數(shù)小、植物根系相對(duì)龐大或垃圾累積等，可認(rèn)為生物膜應(yīng)與這一平板幾何形狀相吻合。這類表面生成生物膜的概率極低，導(dǎo)致αs和δ值較低。使用表4資料，方程中用卡蒂瓦達(dá)等學(xué)者建議的平板形狀代替柱狀形狀，發(fā)現(xiàn)蘆葦濕地的αs和δ值變化范圍分別僅為10～26 m2/m3和5～15。這些發(fā)現(xiàn)引出一個(gè)重要的推論，即k值較低的濕地河床，其有效比表面積大幅度下降。這一結(jié)論有助于理解早期濕地和成熟濕地河床k值的差異。

表5 比表面積和面積系數(shù)匯總

3.6 動(dòng)態(tài)特征

基質(zhì)出水濃度和HRT間的關(guān)系見圖3。使用方程(1)可得到3類濕地早期的(<1 a)、中間的(1～4 a)和成熟的(>4 a))的出水濃度隨HRT的增加而下降的變化圖形。從圖3可見，當(dāng)濕地成熟以后，在HRT較短情況下，可獲得與HRT較長(zhǎng)情況下相同的處理水平。這可用表5和下列2個(gè)理論關(guān)系加以說(shuō)明。

圖3 濕地動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)特征示意(C0=300 mg/L)

(4)

(5)

式中,θ為河床的孔隙率;dp為顆粒直徑。

當(dāng)濕地河床的反應(yīng)速率常數(shù)和相應(yīng)的有效比表面積隨著時(shí)間的推移而增大時(shí)，2個(gè)參數(shù)的變化必然與植物根系數(shù)量和直徑的增加及河床孔隙率下降有關(guān)。河床孔隙率因植物根系直徑的增加而發(fā)生重大改變，有效比表面積則根據(jù)方程(4)和方程(5)中顯示的關(guān)系相應(yīng)增加。

1996年中國(guó)學(xué)者提供了顆粒大小和形狀間的關(guān)系及相應(yīng)的孔隙率。2003年畢斯塔觀測(cè)到1 a生長(zhǎng)期植物根系體積下，KU濕地的孔隙率下降了3%。盡管如此，由于堵塞、死水、滲透系數(shù)小、植物根系較大或垃圾累積等，預(yù)計(jì)αs值和相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)將增加至臨界值。期望開展進(jìn)一步的研究，找到以上參數(shù)的權(quán)衡值。

4 結(jié) 論

本研究目的是規(guī)范水平流蘆葦濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)屬性。對(duì)3個(gè)全尺度和1個(gè)中試規(guī)模的蘆葦濕地開展了調(diào)查。HRB濕地有機(jī)物去除率在65%～87%范圍內(nèi)變化，氨氮去除率在5%～80%范圍內(nèi)變化。如果考慮絕對(duì)去除率，有機(jī)物去除率高于氨氮。研究結(jié)果清楚表明有機(jī)物分解和氨氮去除的發(fā)生存在先后順序。沿濕地河床方向的實(shí)測(cè)污染物去除率論證了以上事實(shí)。反應(yīng)速率常數(shù)作為HRB設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，有機(jī)物、氨氮與比表面積變化范圍分別為1.1～2.91 d-1，0.09～0.73d-1和27～71 m2/m3，相應(yīng)的面積系數(shù)變化范圍為16～42。以上研究結(jié)果與其他研究人員的研究結(jié)果一致。反應(yīng)速率和相應(yīng)有效生物膜面積隨著濕地的成長(zhǎng)而增加。盡管如此，研究結(jié)果也表明，在濕地退化之后，由于濕地出現(xiàn)堵塞、死水、滲透系數(shù)小、植物根系過(guò)于發(fā)達(dá)或垃圾累積等，出現(xiàn)了臨界值。

邱訓(xùn)平 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)03-0040-04

2016-11-28

X703:S342.2

A