多級雙層跌水充氧垂直流人工濕地處理農(nóng)村生活污水

摘 要：本研究開發(fā)了一種新型的配置跌水充氧裝置的垂直流人工濕地（Vertical Flow Constructed Wetland，VFCW）。實驗設(shè)置了兩種不同基質(zhì)的垂直流人工濕地，其中一種人工濕地（命名為CW1）的基質(zhì)主體是沸石+白云石混合物（質(zhì)量比為1：1），另一種人工濕地（命名為CW2）的基質(zhì)主體則全部是沸石，本文研究了多級雙層跌水充氧裝置的氧傳輸容量和兩種人工濕地（CW1、CW2）有機(jī)物的去除效果。實驗結(jié)果表明，相較于直接跌水充氧工藝，多級雙層跌水充氧裝置每米跌水高程能多提供2～6mg/L溶解氧；在安裝了多級雙層跌水充氧裝置后，CW1的BOD5的去除負(fù)荷從8.1g/（m2·d）提高到14.2g/（m2·d）。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村污水處理；垂直流人工濕地；跌水充氧；沸石；白云石

中圖分類號：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）27-0378-02

1 引 言

現(xiàn)在，農(nóng)村水污染問題日趨嚴(yán)重，因為在大約96%的農(nóng)村，生活污水未經(jīng)處理直接排放至受納水體中。為了保護(hù)湖泊、河流以及其他水體免受污染，中國政府已經(jīng)出臺了相應(yīng)的法律、規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)。目前，中國農(nóng)村地區(qū)的污水處理正受到廣泛的關(guān)注。但是，由于農(nóng)村地區(qū)缺乏經(jīng)濟(jì)資源和專業(yè)人員，人工濕地（Constructed Wetlands，CWs）由于其低成本，低功耗，運行更簡便的特點，作為生活污水的二級或三級處理在全球正變得越來越流行，其可成為處理農(nóng)村生活污水一種可替代的有效的污水處理系統(tǒng)。

人工濕地主要分為兩類：水平流（Horizontal Flow，HF）系統(tǒng)和垂直流（VerticalFlow，VF）系統(tǒng)。相比水平流系統(tǒng)，垂直流系統(tǒng)的土地需求較小，氧傳輸性能更高，水力流態(tài)更簡單。

本文設(shè)置了兩種面積均為0.75m2的垂直流人工濕地系統(tǒng)（CW1和CW2），用來測定系統(tǒng)降低污染濃度的效率。垂直流人工濕地的氧氣由一種新型的多級雙層跌水充氧裝置提供。本文研究了多級雙層跌水充氧裝置的氧傳輸性能和垂直流人工濕地在充氧裝置安裝前后的污染物去除效率。

2 材料和方法

2.1 多級雙層跌水充氧裝置描述

圖1（上）展示了直接跌水充氧工藝（DDAP）和多級雙層跌水充氧裝置（MTDAD）。DDAP包含6個不同高度的集水池（DDAC），垂直間距為0.3m。MTDAD則有6個雙層跌水充氧單元（TDAU）。雙層跌水充氧單元的橫截面是三角形，平行兩單元垂直間距為0.3m。厭氧進(jìn)水流入密封水箱，流量經(jīng)由流量計調(diào)節(jié)后落入DDAC或是TDAU。本文分別測量了DDAP和MTDAD在不同高度（0.3m，0.6m，0.9m，1.2m，1.5m，1.8m）污水中的溶解氧濃度。

2.2 垂直流人工濕地描述

本文采用矩形聚乙烯容器建造了兩個面積均為0.75m2（1.5m×0.5m）的垂直流人工濕地（CW1和CW2），如圖1（下）所示?；|(zhì)層高度為50cm，自由水面高度為20cm?；|(zhì)層底層（高度為15cm）作為排水層，由直徑6～25mm的河床砂礫石組成。CW1的基質(zhì)層主體（高度為35cm）由沸石+白云石混合物（質(zhì)量比為1：1，直徑均為4～8mm）組成，CW2的基質(zhì)層主體（高度為35cm）則全部由沸石（直徑為4～8mm）組成。

為了防止基床阻塞，CW1和CW2的進(jìn)水均為厭氧反應(yīng)器的出水。進(jìn)水流量均為144L/d，相當(dāng)于水力負(fù)荷（HLR）為0.192m3/（m2·day）。

實驗分為兩個階段，第一階段，厭氧反應(yīng)器排水直接通過穿孔管進(jìn)入人工濕地（CW1和CW2），歷時11個月。

第二階段，在人工濕地（CW1和CW2）的上方安裝六級雙層跌水充氧裝置，總跌水高度為0.9m，厭氧反應(yīng)器排水經(jīng)跌水充氧后進(jìn)入人工濕地，歷時11個月。

2.3 采樣與分析

在CW1和CW2的進(jìn)出水口處分別采樣，實驗第一、二階段的采樣周期均為一個月1次。根據(jù)每個處理單元的水力停留時間，在進(jìn)水口水樣采集的幾天后再采集出水口水樣。

在不同實驗階段，用水平采樣管在濕地基質(zhì)不同位置和不同深度分別采樣（采樣管分別位于基質(zhì)表面以下20mm、150mm、360mm，長度方向大概20%、50%、80%的位置，如圖1（下）所示）。

3 結(jié)果與討論

3.1 多級雙層跌水充氧裝置的氧傳輸性能

實驗分別測試了多級雙層跌水充氧裝置（MTDAD）和直接跌水充氧工藝（DDAP）的氧傳輸性能。結(jié)果表明，多級雙層跌水充氧裝置比直接跌水充氧工藝的氧傳輸性能更高效，平均每米跌水高程溶解氧高出2～6mg/L（如圖2（上）所示）。

從圖2（上）中可以看出，在MTDAD中，隨著流量減少，溶解氧增加。在跌水高度小于1.2m時，溶解氧隨著高度快速增長；跌水高度大于1.2m時，溶解氧增長緩慢。

在本文中，流量為100～300mL/min，跌水高度為1.8m時，通過MTDAD污水中的溶解氧增加至9.60～10.04mg/L。

3.2 垂直流人工濕地安裝MTDAD前后BOD5去除

CW1和CW2在安裝MTDAD前（即第一階段）和安裝MTDAD后（即第二階段）的BOD5如圖2（下）所示。

實驗數(shù)據(jù)表明，CW1和CW2在安裝MTDAD后，有機(jī)物去除率有了大幅的提高。其中，CW1的BOD5去除負(fù)荷從8.1g/（m2·d）提高到14.2g/（m2·d）；CW2的BOD5去除負(fù)荷從9.1g/（m2·d）提高到3.6g/（m2·d）。這證明，垂直流人工濕地安裝MTDAD有更高的有機(jī)物去除率。

CW1和CW2在安裝MTDAD后，在平均有機(jī)負(fù)荷0.016kgBOD5/（m2·d）和高水力負(fù)荷0.192m3/（m2·d）條件下，BOD5的平均去除率分別高達(dá)93%和90%。

4 結(jié) 論

對于農(nóng)村地區(qū)特別是山地的生活污水處理，配置MTDAD的垂直流人工濕地是一種合適的工藝選擇，其有著諸多優(yōu)點：低投資運行成本、無能量消耗、便于維修、較高的水力負(fù)荷、較高的污染物去除率和無阻塞發(fā)生。

相比直接跌水充氧工藝（DDAP），多級雙層跌水充氧裝置（MTDAD）的氧傳輸性能平均每米跌水高程溶解氧高出2～6mg/L。因此，在垂直流人工濕地上方安裝六級雙層跌水充氧裝置，總跌水高度為0.9m，運行結(jié)果顯示，MTDAD的BOD5去除效果比DDAP更顯著，CW1的BOD5去除負(fù)荷從8.1g/（m2·day）提高到14.2g/（m2·day）。CW1和CW2在安裝MTDAD后，在平均有機(jī)負(fù)荷0.016kgBOD5/（m2·d）和高水力負(fù)荷0.192m3/（m2·d）條件下，BOD5的平均去除率分別高達(dá)93%和90%。

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收稿日期：2018-8-14