人工濕地對(duì)危險(xiǎn)廢物尾水處理效果評(píng)價(jià)

毛雪慧，易科浪

(深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國(guó)危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生量也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的現(xiàn)狀。而危險(xiǎn)廢物具有易燃性、腐蝕性、化學(xué)反應(yīng)性、毒害性、爆炸性反射性及傳染性等危害特性，并以其特有的性質(zhì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。危害爆發(fā)不僅會(huì)使人畜中毒，引發(fā)燃燒和爆炸事故，還會(huì)污染大氣，并且可以通過(guò)雨雪滲透土壤、地下水，由地表徑流將污染帶入江河湖海，從而造成長(zhǎng)久的、難以恢復(fù)的后果及隱患。

人工濕地是設(shè)計(jì)和構(gòu)建的工程化系統(tǒng)，利用濕地植被、土壤介質(zhì)及其相關(guān)微生物相關(guān)組合的自然功能在受控制的環(huán)境中進(jìn)行廢水處理。由于其具有污染物去除效果好、安裝和維護(hù)成本相對(duì)較低、操作簡(jiǎn)單、水和養(yǎng)分重復(fù)利用潛力大等特點(diǎn)，人工濕地被運(yùn)用于許多類型的廢水，包括工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)徑流、湖水、垃圾滲濾液、暴雨徑流和泥炭提取流出物等。

收集的各企業(yè)產(chǎn)生的高鹽有機(jī)廢水經(jīng)深化處理后的尾水，其組成成分復(fù)雜、具有生物毒性、揮發(fā)性等多種特征，經(jīng)危險(xiǎn)廢物處理站中現(xiàn)有的高鹽廢水處理系統(tǒng)處理后，仍含有一定的CODCr、NH3-N、TP、鹽度，不滿足危險(xiǎn)廢物處理廠區(qū)對(duì)出水水質(zhì)的要求——地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。本研究以危險(xiǎn)廢物處理的尾水為研究對(duì)象，針對(duì)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，采用人工濕地進(jìn)行深度處理該廢水。通過(guò)構(gòu)建活性炭人工濕地、沸石人工濕地、鋸木屑人工濕地和砂石人工濕地，對(duì)比分析不同填料人工濕地對(duì)高鹽有機(jī)廢水的處理效果，為危險(xiǎn)廢物處理的廢水深度處理提供一種可行方案。

2 材料與方法

2.1 工藝流程

本試驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 垂直流人工濕地工藝流程

首先，將前段生化系統(tǒng)出水用潛水泵抽入進(jìn)水儲(chǔ)存水箱，然后，分別自流進(jìn)入不同填料的人工濕地，通過(guò)布水管布水，污水經(jīng)過(guò)人工濕地的凈化處理后，由濕地底部出水排往出水收集箱，最后，抽往危廢站主生化系統(tǒng)繼續(xù)處理。

2.1.1 進(jìn)水存儲(chǔ)水箱

儲(chǔ)存前段工藝處理產(chǎn)生的尾水，采用PE桶，基座底部與濕地頂面平行，數(shù)量2個(gè)，單個(gè)容積2 m3。

2.1.2 人工濕地

人工濕地系統(tǒng)占地面積18 m2，分為對(duì)照組人工濕地、活性炭人工濕地、沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地，共計(jì)四組池子。每組濕地池高度為1.5 m，磚砌結(jié)構(gòu)，均設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)出水管道系統(tǒng)，鋪設(shè)防滲膜。

對(duì)照組面積6 m2，活性炭人工濕地、沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地為特殊填料池，均為4 m2。特殊填料池從上到下填料層分布為砂石層0.4 m，特殊填料層0.4 m，砂石層0.4 m，碎石層0.3 m。而對(duì)照組人工濕地填料從上到下填料層分布為砂石層0.4 m，砂石層0.4 m，砂石層0.4 m，碎石層0.3 m。

在活性炭、沸石、鋸木屑三組特殊填料人工濕地池中，均種植蘆葦、花葉蘆荻、蜘蛛蘭、鳶尾、香根草、紙莎草、千屈菜、風(fēng)車草、水蔥、海桑、白骨壤、秋茄、拉關(guān)木、怪柳14種植物，在對(duì)照組人工濕地中則種植蘆葦、花葉蘆荻、蜘蛛蘭、鳶尾、香根草、紙莎草、千屈菜、風(fēng)車草、水蔥、怪柳10種植物。

2.1.3 出水收集箱

儲(chǔ)存工藝處理產(chǎn)生的尾水，采用PE桶，地上儲(chǔ)存，數(shù)量4個(gè)，容積1 m3。

2.2 進(jìn)出水質(zhì)及運(yùn)行時(shí)間

本試驗(yàn)的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)是《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為流量Q=0.5～2 t/d，COD=80～100 mg/L，NH3-N=3～5 mg/L,TP含量：0.5～1.5 mg/L，pH值：6.0～9.0。

試驗(yàn)分三個(gè)階段，每個(gè)階段運(yùn)行2個(gè)月。第一階段向4組人工濕地進(jìn)水，平均每天進(jìn)水量最小為0.5 m3、最大為2 m3；第二階段向活性炭人工濕地和對(duì)照組人工濕地進(jìn)水，平均每天進(jìn)水2 m3；第三階段向沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地進(jìn)水，平均每天進(jìn)水量最小為0.83 m3，最大為2 m3。為了模擬連續(xù)進(jìn)水條件，通過(guò)設(shè)置時(shí)間控制器控制進(jìn)水時(shí)間和進(jìn)水量。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)采樣及水樣分析

試驗(yàn)期間每3 d進(jìn)行1次采樣，按照工藝流程，采集進(jìn)水、人工濕地出水、對(duì)照人工濕地出水樣，每個(gè)采樣口采集2瓶水樣(檢測(cè)時(shí)均勻混合)。送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)CODCr、氨氮、總磷等指標(biāo)。水樣分析按照《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第4版)進(jìn)行，并做平行樣，其中CODCr按照《水質(zhì) 化學(xué)需氧量 重鉻酸鉀法》(HJ828-2017)測(cè)定，氨氮按照《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ535-2009)測(cè)定，總磷按照《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB11893-89)測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水力負(fù)荷下人工濕地對(duì)污染物的去除能力定量分析

3.1.1 不同水力負(fù)荷下人工濕地對(duì)CODCr去除能力分析

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，分兩個(gè)階段的CODCr進(jìn)水濃度和水力負(fù)荷，分別為：①水力負(fù)荷0.1 m/d(低負(fù)荷)；② 水力負(fù)荷0.2 m/d(高負(fù)荷)；③ CODCr≤30mg/L(低濃度)；④ 30

圖2表明，四種填料人工濕地對(duì)CODCr的去除能力大小排序?yàn)椋夯钚蕴?沸石>砂石>鋸木屑；活性炭和沸石對(duì)CODCr的去除能力最為顯著，其次為砂石，鋸木屑最差，該結(jié)果的主要原因是由基質(zhì)特性導(dǎo)致。沸石中由于帶有金屬離子，可對(duì)極性有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附能力，而活性炭則對(duì)非極性有機(jī)物的吸附能力較強(qiáng)。在低負(fù)荷低濃度第10次采樣前，鋸木屑對(duì)CODCr的去除率均為負(fù)值，使前幾次出水CODCr值高于進(jìn)水，最主要的原因可能是木屑在微生物的作用下不斷分解，釋放出來(lái)的碳源沒(méi)有被及時(shí)消耗掉而隨污水流出。盡管在后期試驗(yàn)中，鋸木屑組對(duì)CODCr也表現(xiàn)出一定的去除率，但鑒于鋸木屑具有釋放碳源的不可控因素，為保證濕地運(yùn)行具有穩(wěn)定去除率，不建議使用鋸木屑作為特殊填料。同時(shí)，研究表明，活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附能力強(qiáng)于沸石，特別是在高濃度進(jìn)水下，這是因?yàn)榉惺谒校瑯O性有機(jī)物難于與水(強(qiáng)極性)的吸附位進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，故對(duì)極性有機(jī)物的吸附能力得不到體現(xiàn)。而活性炭易吸附水中的非極性或弱極性有機(jī)物，體現(xiàn)出對(duì)有機(jī)物的良好吸附能力。

圖2 不同特殊填料人工濕地CODCr去除率比較

3.1.2 不同水力負(fù)荷下人工濕地對(duì)NH3-N去除能力分析

不同水力負(fù)荷下四組人工濕地對(duì)NH3-N的絕對(duì)去除率由圖3所示。低負(fù)荷低進(jìn)水濃度(NH3-N≤5 mg/L)和高NH3-N進(jìn)水濃度(NH3-N>5 mg/L)下，沸石組>活性炭>砂石>鋸木屑；高負(fù)荷低氨氮進(jìn)水濃度和高氨氮進(jìn)水濃度下，活性炭>砂石；高負(fù)荷高氨氮進(jìn)水濃度下，沸石>鋸木屑。同時(shí)比較同一階段內(nèi)，高氨氮進(jìn)水濃度時(shí)人工濕地對(duì)NH3-N的去除率均高于低進(jìn)水濃度。同一組人工濕地，在高水力負(fù)荷下對(duì)氨氮的去除率高于低水力負(fù)荷。

圖3 不同特殊填料人工濕地NH3-N去除率比較

在試驗(yàn)前期，四組人工濕地對(duì)氨氮的去除率均低于后期，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能在于人工濕地運(yùn)行前，并沒(méi)有接受過(guò)含鹽廢水，其中的微生物受到鹽分的沖擊，適應(yīng)性差，導(dǎo)致死亡，造成有機(jī)氮的釋放，另外加上系統(tǒng)中可利用碳源量不足，限制了反硝化過(guò)程。同時(shí)，沸石具有選擇性吸附氨氮的特點(diǎn)，同時(shí)其表面也可形成生物膜而使氨氮的去除能力得到提高。而活性炭主要通過(guò)生物硝化作用去除氨氮，生物生長(zhǎng)存在一定的周期，生物量不可能隨著進(jìn)水濃度的大幅度變化而做出迅速改變，所以其緩沖能力較弱。

3.1.3 不同水力負(fù)荷下人工濕地對(duì)TP去除能力分析

不同水力負(fù)荷、不同進(jìn)水濃度下四種填料人工濕地對(duì)TP的去除率圖4所示。由圖4可知，隨著水力負(fù)荷的增加，砂石、活性炭、鋸木屑填料的人工濕地對(duì)TP的去除率增加，沸石填料的人工濕地對(duì)TP去除率降低；同時(shí)隨著進(jìn)水TP濃度的增加，人工濕地對(duì)TP的去除率也增加。

圖4 不同特殊填料人工濕地TP去除率比較

圖4表明，4種填料人工濕地對(duì)TP的去除能力大小排序?yàn)椋悍惺?砂石>活性炭>鋸木屑，但此排序結(jié)果規(guī)律并不顯著，影響因素包括：水力負(fù)荷、進(jìn)水TP濃度、TP測(cè)定方法等。人工濕地對(duì)磷的去除包括植物吸磷、生物除磷、磷在基質(zhì)中的吸附沉淀等過(guò)程。雖然在進(jìn)水鹽度的抑制下，植物及微生物的吸磷會(huì)受到一定程度的抑制，但是由于人工濕地除磷的主要途徑是通過(guò)使污水中的磷吸附于基質(zhì)并與基質(zhì)中的鐵、鋁、鈣等金屬離子形成磷酸鹽的沉淀而除磷。根據(jù)前人的研究結(jié)論，濕地中磷的去除與填料性能關(guān)系密切，污水中70%～87%的磷是通過(guò)填料的吸附、絡(luò)合、累積作用以及與Ca2+、Fe3+、Al3+和土壤顆粒生成不溶性磷酸鈣從廢水中沉淀下來(lái)。

3.2 不同水力負(fù)荷下人工濕地對(duì)污染物的去除能力定性分析

將1%～10%的去除率賦值1分，10%～20%的去除率賦值2分、20%～30%賦值3分、30%～40%賦值4分，40%～50%賦值5分、50%～60%賦值6分、60%～70%賦值7分、70%～80%賦值8分、80%～90%賦值9分、90%～100%賦值10分。

根據(jù)四組人工濕地對(duì)CODCr、NH3-N、TP的總?cè)コ?，得到如圖5所示去除率得分，其中四組人工濕地對(duì)三種污染物的去除率得分排序?yàn)椋夯钚蕴拷M>砂石組>沸石組>鋸木屑組。得分結(jié)果顯示，活性炭填料人工濕地的污染物去除率最高，鋸木屑最低，沸石和砂石效果居中。作為人工濕地特殊填料的篩選，可選擇活性炭和沸石。同時(shí)由于本試驗(yàn)期間TP去除效果不是很好，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及工程經(jīng)驗(yàn)，可考慮在特殊填料下層添加100 mm石灰石，原理是石灰石主要成分為CaO，CaO溶出鈣離子可以與水中的磷結(jié)合，生成溶解度較小的沉淀物，從而去除污水中的磷。

圖5 四組人工濕地去除率得分

3.3 高鹽廢水中植物的生長(zhǎng)狀況

在低負(fù)荷低濃度時(shí)，鹽度為1.13%～1.38%(平均鹽度1.23%)的四組人工濕地，蜘蛛蘭=蘆葦=香根草=怪柳>花葉蘆荻>水蔥>風(fēng)車草>白骨壤=秋茄>鳶尾>拉關(guān)木>紙莎草=千屈菜=海桑，其中蜘蛛蘭、蘆葦、香根草、怪柳存活率為100%，紙莎草、千屈菜、海桑無(wú)法在人工濕地里生存。

在高負(fù)荷高濃度時(shí)，鹽度為1.14%～1.59%(平均鹽度1.3%)的砂石人工濕地和活性炭人工濕地中，紅樹(shù)類植物、鳶尾、水蔥在兩組人工濕地中均全部枯萎，只剩下蜘蛛蘭、蘆葦、香根草、怪柳、花葉蘆荻和風(fēng)車草6種植物。沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地中，只剩下蘆葦、花葉蘆荻、香根草等3種植物。

在低負(fù)荷低濃度下，沸石人工濕地的植物存活率(64.29%)>鋸木屑(59.64%)>活性炭(50%)。植物無(wú)法在活性炭基質(zhì)中良好生存，原因可能是由于活性炭顆粒大，基質(zhì)無(wú)良好保水性，對(duì)植物的生長(zhǎng)不如顆粒小的沸石、鋸木屑和砂石。濕地加大水力負(fù)荷后，多種植物死亡，比如紅樹(shù)類、鳶尾、水蔥等，最后僅存的幾種耐鹽植物為蘆葦、花葉蘆荻、香根草。本試驗(yàn)14種植物在高鹽度廢水中的生長(zhǎng)狀況分析，不同植物呈現(xiàn)不同的生長(zhǎng)狀況，可能由于不同植物的耐鹽機(jī)理不同，如避鹽、耐鹽性，植物耐鹽機(jī)理較復(fù)雜。

本試驗(yàn)四組人工濕地對(duì)鹽度的去除能力有限，在低負(fù)荷低濃度時(shí)，對(duì)鹽度的平均去除率為13.16%～18.57%；到高負(fù)荷高濃度時(shí)，多種濕地植物無(wú)法生存、枯萎，對(duì)鹽度的去除率急劇下降，很多出水鹽度濃度反而增加。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)本試驗(yàn)中試研究結(jié)果表明垂直流人工濕地對(duì)高鹽廢水中有機(jī)物、氮、磷、重金屬等污染物均有一定的去除效果，說(shuō)明垂直流人工濕地技術(shù)可運(yùn)用于高鹽廢水處理中。

(2)通過(guò)試驗(yàn)篩選高鹽廢水中垂直流人工濕地植物，得出蘆葦、花葉蘆荻和香根草長(zhǎng)勢(shì)最好：蜘蛛蘭、風(fēng)車草、怪柳長(zhǎng)勢(shì)一般；紅樹(shù)林類植物、鳶尾、紙莎草、千屈菜和水蔥長(zhǎng)勢(shì)較差，在試驗(yàn)后期枯萎。在以后工程的應(yīng)用中，可選擇蘆葦、花葉蘆荻和香根草為高鹽廢水濕地植物。

(3)本試驗(yàn)垂直流人工濕地填料從上到下填料結(jié)構(gòu)為砂石層0.4 m、特殊填料層0.4 m、砂石層0.4 m、碎石層0.3 m；特殊填料為活性炭和沸石；為增強(qiáng)特殊填料對(duì)CODCr、NH3-N的去除作用，宜將0.3 m鋪設(shè)在原來(lái)的位置，包裹植物根系，0.1 m鋪設(shè)在上層布水管管溝中。為增加人工濕地對(duì)TP的去除效果，可在碎石層中混合鋪設(shè)0.1 m石灰石。

(4)垂直流人工濕地處理高鹽廢水尾水，當(dāng)濕地進(jìn)水穩(wěn)定在一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，垂直流人工濕地出水能達(dá)到地表水Ⅳ類出水標(biāo)準(zhǔn)，在工程擴(kuò)大應(yīng)用中，為保證出水效果，建議進(jìn)水水力負(fù)荷不大于0.25 m/d。

5)運(yùn)用人工濕地技術(shù)處理危廢高鹽廢水具有重要的意義：尾水相對(duì)于一般污水(廢水)而言處理的難度高很多，該項(xiàng)目的實(shí)施可以提供一種新的有效的尾水深度處理方法，為后期實(shí)際工程的建設(shè)提供指導(dǎo)及依據(jù)。