運(yùn)行工況對垂直流人工濕地凈化水體污染物影響

謝光濤， 林 靜

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

1 引言

21世紀(jì)以來，地球環(huán)境的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展[1]被確定為全球共同發(fā)展的關(guān)鍵，也是人類環(huán)境共同體發(fā)展的基礎(chǔ)。我國生態(tài)文明的建設(shè)方向也日益凸顯。城市水環(huán)境建設(shè)作為我國生態(tài)文明[2]建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水、農(nóng)業(yè)點(diǎn)源面源污染以及地表徑流對城市水環(huán)境[3]質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。為避免污染水體直接排入收納水系，水資源環(huán)境管理需控制排水水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)后，才能排入自然水體，用作城市河流補(bǔ)水。由于城市污水處理廠技術(shù)工藝[4]與污染水體[5]自身屬性的雙重因素，導(dǎo)致城市污水處理廠出水很難達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，城市污水處理廠尾水須經(jīng)二級或三級深度處理排入自然水體。人工濕地凈水技術(shù)在深度處理污水[6]，提高水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)工藝得到廣泛認(rèn)可，人工濕地具有處理效果好、投資運(yùn)行成本低、運(yùn)行管理簡單、景觀效果好等[7]優(yōu)點(diǎn)，但其濕地微生物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氮素處理效果差、濕地結(jié)構(gòu)氧狀態(tài)等問題，成為人工濕地深度處理技術(shù)難題。

對于上述人工濕地技術(shù)難題，采用垂直流人工濕地模型結(jié)合城市污水處理廠一級A排放尾水標(biāo)準(zhǔn)，模擬垂直流人工濕地凈化水質(zhì)技術(shù)工藝，改變模擬濕地運(yùn)行條件，探討不同運(yùn)行工況下垂直流人工濕地凈化水體污染物的效能差異，整合各運(yùn)行工況條件下的最佳去除效果，為工程實(shí)踐提供理論參考。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1，垂直流人工濕地裝置采用PVC有機(jī)玻璃柱，內(nèi)徑10 cm，高度150 cm，其中填料高度120 cm，裝置填料為不同粒徑碎石、沸石和砂的組合填料，填料初始孔隙率為50%。試驗?zāi)M污水采用繼時器控制開關(guān)和脈沖式進(jìn)水方式，裝置上部進(jìn)水，下部出水，整個試驗過程在實(shí)驗室條件下進(jìn)行。

圖1 垂直流人工濕地試驗裝置

2.2 試驗水質(zhì)

供試污水采用人工模擬污水處理廠尾水濃度配制，水質(zhì)指標(biāo)見表1，分別以KNO3和NH4Cl、KH2PO4、鄰苯二甲酸氫鉀化學(xué)藥品配制試驗污水所需氮素、磷素及COD濃度。試驗過程中所用到的化學(xué)藥品均為分析純。

表1 供試污水水質(zhì)

2.3 試驗方法

采用分段試驗分別分析濕地運(yùn)行工況水力負(fù)荷(Q)、進(jìn)水時間(T0)、間隔時間(Ti)、運(yùn)行周期(YZ)、出水口位置(H)及濕地植物(P)對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的效率，試驗總歷時150 d，各時段運(yùn)行工況如表2所示。

表2 垂直流人工濕地各階段運(yùn)行工況

為改善人工濕地的設(shè)計管理與運(yùn)行維護(hù)，該試驗對TN、TP、NH3+-N、COD 4項指標(biāo)作為人工濕地水質(zhì)凈化能力評價項目，水質(zhì)指標(biāo)的分析均采用國家標(biāo)準(zhǔn)檢測，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計分析處理中，對偏差數(shù)據(jù)修約處理后使用。

3 結(jié)果與分析

3.1 運(yùn)行周期對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響

運(yùn)行周期對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響如圖2所示。

圖2 運(yùn)行周期對垂直流人工濕地水質(zhì)凈化的影響

由圖2可知，在水力負(fù)荷保持不變的條件下，將系統(tǒng)進(jìn)水時間由2 h減小到1 h， TN的去除效率增加約4.5%，但TP、NH3-N、COD去除效率分別下降23%、8%、13.5%，改變進(jìn)水時間，TP去除效率顯著下降。分析認(rèn)為，當(dāng)改變濕地進(jìn)水時間，運(yùn)行周期由3次/d調(diào)整為12次/d，隨運(yùn)行周期增加，濕地系統(tǒng)處于缺氧(短暫厭氧)環(huán)境條件，濕地內(nèi)部無法及時復(fù)氧，故氨氮去除率降低。而缺氧(短暫厭氧)條件下，反硝化細(xì)菌具生長優(yōu)勢，反硝化作用效果增強(qiáng)，TN去除率升高；聚磷菌無法與污水中磷酸鹽有效結(jié)合達(dá)到降低磷濃度的效果。結(jié)果表明，3次/d的運(yùn)行方式更有利于濕地系統(tǒng)凈化水體污染物。

3.2 水力負(fù)荷對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響

水力負(fù)荷對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響如圖3所示。

由圖3可知，在進(jìn)水時間保持不變的情況下，隨著水力負(fù)荷的減小，垂直流人工濕地系統(tǒng)對水體氮素、磷素和有機(jī)物的去除率均有提高效果，其中，TN、TP、NH3-N和COD分別提高了9.25%、5.33%、49.14%和27.35%，分析認(rèn)為，隨水力負(fù)荷的減小，濕地系統(tǒng)承載的污染負(fù)荷也隨之減小，水體各項污染物去除率都明顯提高；其次，NH3-N去除效果提升約50%，也與濕地結(jié)構(gòu)層填料沸石相關(guān)，張曦[8]表明沸石吸附量隨濃度上升趨勢減緩，沸石吸附氨氮最大值為11.5 mg/g。結(jié)果表明，0.95 m3/(m2·d)的水力負(fù)荷運(yùn)行條件更有利于人工濕地系統(tǒng)去除水體污染物。

圖3 水力負(fù)荷對垂直流人工濕地水質(zhì)凈化的影響

3.3 間隔時間對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響

運(yùn)行間隔時間對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響如表3所示。

表3 間隔時間對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響

由表3可知，人工濕地運(yùn)行工況1、 2、 3的間隔時間分別為6 h、1 h、3 h。當(dāng)濕地運(yùn)行工況間隔時間由6h減小到1h時，系統(tǒng)對TN的平均去除率增加了約4.5%，而TP、NH3-N和COD的平均去除率分別下降了23%、7.6%和13.42%；分析認(rèn)為，縮短運(yùn)行間隔時間，會弱化人工濕地復(fù)氧能力，濕地結(jié)構(gòu)溶解氧含量降低，而氨氮的去除過程(硝化作用)是好氧過程，TN的去除主要取決反硝化作用的強(qiáng)弱，故濕地系統(tǒng)NH3-N和TN平均去除率出現(xiàn)此消彼長的影響結(jié)果。當(dāng)濕地運(yùn)行間隔時間由1 h再延長到3 h時，濕地水質(zhì)凈化評價項目的平均去除效率都得到提高，TN、TP、NH3-N和COD的去除率分別提高了9.5%、5%、50%、27%，由此可見，人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行間隔時間對濕地水質(zhì)凈化能力影響明顯，而適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行間隔對濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果能進(jìn)一步提升。結(jié)果表明 ，當(dāng)濕地運(yùn)行間隔時間為3 h，水質(zhì)凈化效果能得到明顯提升。

3.4 垂直流人工濕地出水口高度對凈化水質(zhì)的影響

出水口高度對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響如圖4所示。

圖4 出水口高度對垂直流人工濕地水質(zhì)凈化的影響

由圖4可知，在水力負(fù)荷保持不變的條件下，將模擬人工濕地出水口由底部抬高到濕地結(jié)構(gòu)1 m處出水，試驗發(fā)現(xiàn)，濕地結(jié)構(gòu)抬高出水口，比較于底部出水，TN的去除率提高超過50%，NH3-N的平均去除率下降了45.82%，其中，出水口高度對TP和COD的去除效果影響不大。分析認(rèn)為，抬高出水口，促使人工濕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于缺氧條件，反硝化過程效率增強(qiáng)，使TN去除率提高，從而導(dǎo)致氨氮去除率下降，而氨氮的降解僅靠模擬濕地表層20 cm填料層物理作用和結(jié)構(gòu)微生物作用難以使其出水達(dá)到地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，出水口高度對水質(zhì)氮素去除效果影響顯著，高出水口利于硝態(tài)氮去除，直排式適用于氨氮去除。

3.5 濕地植物對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響

濕地植物對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)的影響如圖5所示。

圖5 濕地植物對垂直流人工濕地水質(zhì)凈化的影響

由圖5可知，垂直流濕地穩(wěn)定運(yùn)行后，試驗比較了濕地植物對濕地系統(tǒng)凈化效果的影響。與未種濕地植物相比(工況4)，種植濕地植物后(工況5)，濕地系統(tǒng)對TN、TP、NH3-N和COD的去除效果都有提升，COD最為顯著，平均去除率提升約14%；相較于工況5的去除效率，工況6(去除濕地植物后)，TN、TP和COD均顯著下降，而NH3-N明顯提升。分析認(rèn)為，濕地系統(tǒng)種植濕地植物后，濕地植物的自身同化作用對其降解污染物有一定的促進(jìn)作用，但影響效果有限，去除濕地植物后，NH3-N去除率增強(qiáng)，可能與濕地結(jié)構(gòu)中沸石填料層有關(guān)。李林峰等[9]表明，有濕地植物的人工濕地處理單元顯著優(yōu)于無濕地植物的處理單元，同時，濕地植物對人工濕地TN、TP總?cè)コ康呢暙I(xiàn)分別<15%和<20%。本次試驗結(jié)果也證明，濕地植物對濕地系統(tǒng)NH3-N去除率貢獻(xiàn)較小，結(jié)果表明，濕地植物對濕地系統(tǒng)凈化水體氮素、磷素污染物去除率的提升貢獻(xiàn)較小。

4 結(jié)論

試驗階段COD平均去除率超過70%，故運(yùn)行工況對該污染物去除影響較小。

濕地運(yùn)行周期和運(yùn)行間隔時間對垂直流人工濕地凈化水質(zhì)污染物影響顯著，隨運(yùn)行周期增加和間隔時間減小，TN的去除效率增加4.5%和13.59%， TP的去除率分別下降23%， 間隔時間由1 h增加到3 h，NH3-N去除率提升49%；水力負(fù)荷由1.91 m3/(m2·d)減小到0.95 m3/(m2·d)，TN、TP、NH3-N和COD分別提高了9.25%、5.33%、49.14%和27.35%；出水口高度的改變，對濕地系統(tǒng)水體凈化污染物氮素的去除影響較大，出水口由0 m提高到1 m，TN去除率提高超過50%，而NH3-N的平均去除率下降了45.82%；濕地植物對濕地系統(tǒng)凈化水體氮素、磷素污染物去除率的提升貢獻(xiàn)較小。

垂直流人工濕地凈化水體污染物的最佳運(yùn)行工況為“水力負(fù)荷0.95 m3/(m2·d)、進(jìn)水1h、間隔時間3h、運(yùn)行周期3次/d、濕地系統(tǒng)出水口設(shè)置0～1 m、配置濕地植物”運(yùn)行，結(jié)合TN、TP、NH3-N和 COD的去除率效果，除TN(NOX--N)污染物外，TP、NH3-N和 COD出水水質(zhì)均達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)。