劉利,邢芳芳,趙文博,王儉*
1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院 2.遼寧省本溪市城市新區(qū)開發(fā)建設(shè)管理辦公室
人工濕地是20世紀(jì)70年代后逐漸發(fā)展起來的污水處理工藝,主要依靠基質(zhì)、植物及微生物間發(fā)生的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同效應(yīng)去除污染物[1]。人工濕地對(duì)污染物去除效果良好,運(yùn)行成本低,管理方便,廣泛用于富營養(yǎng)化水體治理、生活污水深度凈化以及農(nóng)業(yè)面源污染控制中[2-4]。人工濕地按照不同的工程設(shè)計(jì)和水流方式,分為表面流和潛流型人工濕地,而潛流型人工濕地又包括水平潛流和垂直潛流[2]。復(fù)合垂直流人工濕地于“九五”期間由中國科學(xué)院水生生物研究所聯(lián)合科隆大學(xué)及維也納農(nóng)業(yè)大學(xué)在垂直流人工濕地基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)得到,主要用于生活污水處理,其由垂直下行池和垂直上行池組成,兩池中分別填充不同粒徑的砂和礫石,并種植不同種類的水生或濕生植物[5-6]。在實(shí)際運(yùn)行過程中,復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果受基質(zhì)種類、植物種類、微生物種類、水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間及濕地內(nèi)部水流方式等[5,7-12]多種因素的影響,其中水力負(fù)荷和水流方式對(duì)污染物去除效率影響較大[13-16]。復(fù)合垂直流人工濕地由2個(gè)池體組成,工程造價(jià)稍高。由于淹水時(shí)間長,復(fù)合垂直流濕地長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)基質(zhì)堵塞現(xiàn)象,在下行流池表面形成積水層,阻礙空氣中氧氣進(jìn)入基質(zhì)層,使?jié)竦刂泻醚跷⑸锘钚韵陆礫17]。目前國內(nèi)外已有研究主要針對(duì)傳統(tǒng)的復(fù)合垂直流人工濕地,通過改變水力負(fù)荷和水流方式探討污染物的最佳處理效果[14-18],但對(duì)改良優(yōu)化的復(fù)合垂直流人工濕地的研究較為鮮見。筆者采用新型復(fù)合垂直流人工濕地模擬系統(tǒng),通過改變進(jìn)出水孔的位置,進(jìn)行垂直下行池與垂直上行池之間的變換和空間疊加,從而改變?nèi)斯竦仡愋?,綜合不同類型人工濕地的優(yōu)點(diǎn),減少投資,并節(jié)省成本。通過改變新型復(fù)合垂直流人工濕地模擬系統(tǒng)的水力負(fù)荷及水流方式,對(duì)模擬污水處理廠GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水進(jìn)行強(qiáng)化處理,分析人工濕地模擬系統(tǒng)進(jìn)、出水污染物濃度變化,探討人工濕地模擬系統(tǒng)的最佳水力負(fù)荷與水流方式,以期為復(fù)合垂直流人工濕地深度處理污水處理廠尾水的高效運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。
新型復(fù)合垂直流人工濕地小試模擬系統(tǒng)(簡稱濕地系統(tǒng))如圖1所示,該濕地系統(tǒng)由厚度為10 mm的有機(jī)玻璃板制成,尺寸為2.0 m×1.0 m×1.0 m,在缸體左側(cè)高度為30、60 cm處分別有一個(gè)進(jìn)、出水孔(S1和S2),在缸體右側(cè)高度為0、40 cm處分別有一個(gè)進(jìn)、出水孔(S3和S4)。該濕地系統(tǒng)可達(dá)到3種水流方式:1)垂直下行式(DVCW),即S1進(jìn)水、S4出水,其與傳統(tǒng)垂直流人工濕地中的垂直下行池功能相同,利于基質(zhì)吸附和反硝化反應(yīng);2)垂直上行式(UVCW),即S4進(jìn)水、S1出水,其與傳統(tǒng)垂直流人工濕地中的垂直上行池功能相同,利于松動(dòng)基質(zhì)防止堵塞和硝化反應(yīng);3)復(fù)合垂直流(IVCW),即S1、S4分別作為進(jìn)、出水口且一天一換,其將垂直上行池和垂直下行池疊加在同一缸體內(nèi),每天改變水流方式,以充分利用垂直流人工濕地的功能。
圖1 不同水流方式的新型復(fù)合垂直流人工濕地模擬系統(tǒng)Fig.1 Innovative integrated vertical flow constructed wetland simulation system with different water flow modes
濕地系統(tǒng)從下至上分別用粒徑為20~40 mm的粗礫石填料和10~15 mm的小石子填料填充,填料層的平均孔隙率為42%。濕地系統(tǒng)的進(jìn)、出水管均采用公稱直徑(DN)為70的穿孔管,管徑上的開孔處表面覆蓋尼龍網(wǎng),以防堵塞。將進(jìn)水口和出水口用內(nèi)徑為10 mm的軟管連接,依靠蠕動(dòng)泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制流量,使其形成一個(gè)循環(huán)通路。
通過文獻(xiàn)[19-21]分析、實(shí)地調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室預(yù)試驗(yàn),選擇耐污能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、本土優(yōu)勢(shì)生長的挺水植物蘆葦〔Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud〕和適應(yīng)能力強(qiáng)、生物量大、具備美觀和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的浮水植物水葫蘆〔Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms〕搭配種植在該濕地系統(tǒng)中,參考HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》,蘆葦和水葫蘆的種植密度分別為20和6株m2。蘆葦和水葫蘆先栽種于裝有人工污水的水池中30 d,待生長穩(wěn)定后移栽至濕地系統(tǒng)中。
表1 人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)
Table 1 Characteristics of influent water in constructed wetland simulation system mgL
表1 人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)
項(xiàng)目CODNH+4-N濃度TN濃度TP濃度范圍47.3~51.54.0~6.613.8~15.60.39~0.64平均值50.04.614.90.50
濕地系統(tǒng)設(shè)置在遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)踐基地(123°40′E,41°41′N)室外環(huán)境中,于2019年4月建成,5月進(jìn)行填料鋪設(shè)、密閉性檢測(cè)及試運(yùn)行。于2019年6月1日—8月30日進(jìn)行試驗(yàn),期間室外溫度為16~29 ℃,相對(duì)濕度為64%~72%,降水量為40.7~139.0 mm。為考察濕地系統(tǒng)運(yùn)行的最佳水力負(fù)荷、水流方式及植物種植時(shí)的運(yùn)行效果,共設(shè)3部分試驗(yàn):1)濕地系統(tǒng)設(shè)置為UVCW水流方式,分別在0.28、0.36、0.72 m3(m2·d) 3個(gè)水力負(fù)荷下運(yùn)行10 d;2)設(shè)置水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d),濕地系統(tǒng)分別在UVCW、DVCW和IVCW 3種水流方式下運(yùn)行10 d;3)在最佳水力負(fù)荷和水流方式下,濕地系統(tǒng)分別在有植物(蘆葦和水葫蘆組合)種植、無植物種植時(shí)運(yùn)行10 d。將每種條件下運(yùn)行的10 d設(shè)定為1個(gè)周期,每個(gè)周期一次性向人工濕地系統(tǒng)內(nèi)注入人工污水至缸體的90 cm刻度處,以間歇方式運(yùn)行,每天連續(xù)運(yùn)行12 h,每個(gè)周期結(jié)束后將水排干,用自來水進(jìn)行沖洗,空置1 d再進(jìn)行下一個(gè)周期試驗(yàn),共進(jìn)行8個(gè)周期。
2.1.1對(duì)COD的去除效果
圖2 不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水COD變化Fig.2 Variations of COD in wetland effluent under different hydraulic loads
10 d運(yùn)行周期內(nèi),不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水COD變化如圖2所示。由圖2可知,濕地系統(tǒng)運(yùn)行前2 d,出水COD明顯下降,第2~8天波動(dòng)下降,第8~10天快速下降,第10天達(dá)到最大去除率。3個(gè)水力負(fù)荷下,濕地系統(tǒng)COD去除率為38.10%~61.12%,出水COD為19.44~30.95 mgL。隨水力負(fù)荷的升高,COD去除率總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),水力負(fù)荷為0.28和0.72 m3(m2·d)時(shí),濕地對(duì)COD去除能力均低于水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d)時(shí)。3個(gè)水力負(fù)荷下的T檢驗(yàn)分析表明,不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果存在顯著差異(P<0.05),水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)COD去除效果最佳,運(yùn)行10 d后COD去除率達(dá)61.12%。
圖3 不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水濃度變化Fig.3 Variations of concentration in wetland effluent under different hydraulic loads
濕地系統(tǒng)主要依靠基質(zhì)的吸附和微生物的吸收作用過濾截留不溶性有機(jī)物和分解代謝可溶性有機(jī)物[23]。由于試驗(yàn)處于濕地系統(tǒng)的啟動(dòng)期,在試驗(yàn)開始的前6 d,濕地系統(tǒng)主要通過基質(zhì)的吸附作用去除水中COD,基質(zhì)吸附一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到飽和,因此第2~6天COD波動(dòng)變化;第6~10天,濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物適應(yīng)良好,可穩(wěn)定發(fā)揮較好的吸收分解作用,使COD下降并在第10天達(dá)到最高去除率,該結(jié)果與尚興寶[24]的研究結(jié)果相似。褚其英等[25]的研究表明,水力負(fù)荷對(duì)COD去除有較大影響,水力負(fù)荷過小時(shí)人工濕地不能充分發(fā)揮作用,隨水力負(fù)荷增大COD去除率會(huì)提高,但水力負(fù)荷過大又會(huì)導(dǎo)致水力停留時(shí)間較短,污水未經(jīng)微生物充分分解就流出系統(tǒng),從而不利于COD的去除,該結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致。
2.1.3對(duì)TN的去除效果
不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化如圖4所示。由圖4可知,濕地系統(tǒng)運(yùn)行前2 d,出水TN濃度快速下降,第2~8天平穩(wěn)下降,第8~10天基本穩(wěn)定。水力負(fù)荷為0.28、0.36 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)均在第8天達(dá)到最大去除率;而水力負(fù)荷為0.72 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)在第10天達(dá)到最大去除率。3個(gè)水力負(fù)荷下,濕地系統(tǒng)的TN去除率達(dá)32.19%~56.95%,出水TN濃度為6.46~10.17 mgL。隨著水力負(fù)荷的升高,TN的去除率總體呈先升高后下降趨勢(shì),水力負(fù)荷為0.28和0.72 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)TN去除能力均低于水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d)時(shí)。T檢驗(yàn)分析表明,不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果存在顯著差異(P<0.05),水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)TN去除效果最佳,運(yùn)行10 d后TN去除率達(dá)56.95%。
圖4 不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化Fig.4 Variations of TN concentrations in wetland effluent under different hydraulic loads
2.1.4對(duì)TP的去除效果
不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化如圖5所示。由圖5可知,水力負(fù)荷為0.28、0.36 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)出水TP濃度在第2~4天基本穩(wěn)定達(dá)到最大去除率,第4天之后出水TP濃度則緩慢升高;而水力負(fù)荷為0.72 m3(m2·d)時(shí),出水TP在第8天達(dá)到最大去除率,第8~10天則有所降低。3個(gè)水力負(fù)荷下,濕地系統(tǒng)的TP去除率可達(dá)46.00%~62.00%,出水TP濃度為0.19 ~0.27 mgL。隨著水力負(fù)荷的升高,TP去除率總體呈先升高后下降的趨勢(shì),水力負(fù)荷為0.28和0.72 m3(m2·d)時(shí),濕地對(duì)TP去除能力均低于水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d)時(shí)。T檢驗(yàn)分析表明,不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果存在顯著差異(P<0.05),水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)TP去除效果最佳,處理10 d后TP去除率達(dá)62.00%。
圖5 不同水力負(fù)荷下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化Fig.5 Variations of TP concentration in wetland effluent under different hydraulic loads
人工濕地對(duì)磷的去除主要通過填料的吸附及微生物同化吸收作用,填料吸附除磷在TP去除中占據(jù)最重要地位[32]。水力負(fù)荷為0.28和0.36 m3(m2·d)時(shí),濕地系統(tǒng)在2~4 d就能達(dá)到對(duì)TP的最佳去除效果,這與基質(zhì)的吸附作用是除磷的主要方式有關(guān)。可見,利用人工濕地除磷時(shí),要選取吸附能力較強(qiáng)、比表面積較大的基質(zhì)材料。第4天后濕地系統(tǒng)出水TP濃度上升可能是由于出現(xiàn)了基質(zhì)的磷解吸現(xiàn)象,或是部分被微生物吸收的磷釋放到系統(tǒng)內(nèi)所致。祝志超等[33]研究發(fā)現(xiàn),在垂直流人工濕地上部有氧區(qū)域聚磷菌吸收磷,在下層缺氧區(qū)釋放磷,造成垂直流人工濕地出水中TP濃度先降低后升高。水力負(fù)荷對(duì)濕地系統(tǒng)中TP去除效果有較大影響,水力負(fù)荷過高會(huì)減少污水停留時(shí)間,使磷未被完全吸附轉(zhuǎn)化就排出系統(tǒng),還有可能會(huì)沖擊基質(zhì)使已吸附的磷再次釋放到系統(tǒng)中[24],導(dǎo)致TP去除率下降。
2.2.1對(duì)COD的去除效果
不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水COD變化如圖6所示。由圖6可知,前6 d,濕地系統(tǒng)出水COD呈先下降后升高趨勢(shì),第6天后迅速下降,在第10天達(dá)到最大去除率。3種水流方式下,濕地系統(tǒng)COD去除率可達(dá)38.10%~63.73%,出水COD可達(dá)18.50~34.02 mgL。水流方式為UVCW和IVCW時(shí),濕地系統(tǒng)出水COD變化規(guī)律相似,水流方式為DVCW時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除能力低于UVCW和IVCW。T檢驗(yàn)分析表明,不同水流方式下濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果存在顯著差異(P<0.05),水流方式為UVCW時(shí),系統(tǒng)對(duì)COD去除效果最佳,處理10 d后COD去除率達(dá)63.73%。
圖6 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水COD變化Fig.6 Variations of COD in wetland effluent under different water flow modes
濕地系統(tǒng)運(yùn)行的第2~6天,對(duì)污水中COD起主要作用的是基質(zhì)吸附,第6~10天濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物發(fā)揮主要作用,因此在第10天COD達(dá)到最高去除率,該研究結(jié)果與尚興寶[24]的研究結(jié)果相似。水流方式為UVCW和IVCW時(shí),濕地系統(tǒng)的水流由下到上,便于松動(dòng)基質(zhì),防止堵塞,由于試驗(yàn)使用的是循環(huán)回流裝置,可以將系統(tǒng)上部水中的溶解氧直接輸送至底部,改善濕地系統(tǒng)整體溶解氧狀態(tài),有利于好氧微生物對(duì)COD的去除。
圖7 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水濃度變化Fig.7 Variations of content in wetland effluent under different water flow modes
2.2.3對(duì)TN的去除效果
不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化如圖8所示。由圖8可知,隨濕地系統(tǒng)的運(yùn)行,出水TN濃度逐漸降低,DVCW、IVCW水流方式濕地系統(tǒng)在第10天達(dá)到最高去除率;而UVCW水流方式濕地系統(tǒng)在第8天達(dá)到最高去除率,之后TN濃度有所上升。3種水流方式下濕地系統(tǒng)的TN去除率可達(dá)26.73%~57.59%,出水TN濃度為6.34~10.99 mgL。水流方式為DVCW和IVCW時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除能力均低于水流方式為UVCW時(shí)。T檢驗(yàn)分析表明,不同水流方式下濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果存在顯著差異(P<0.05),水流方式為UVCW時(shí),系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果最佳,處理10 d后TN去除率達(dá)57.59%。
圖8 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化Fig.8 Variations of TN concentration in wetland effluent under different water flow modes
2.2.4對(duì)TP的去除效果
不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化如圖9所示。由圖9可知,UVCW和DVCW水流方式下,濕地系統(tǒng)均在第2~4天達(dá)到TP最高去除率;IVCW水流方式下,濕地系統(tǒng)出水TP濃度在第6天基本達(dá)到穩(wěn)定。3種水流方式下,濕地系統(tǒng)的TP去除率可達(dá)26.00%~65.38%,出水TP濃度為0.18~0.37 mgL。水流方式為DVCW和IVCW時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除能力均低于水流方式為UVCW時(shí)。T檢驗(yàn)分析表明,不同水流方式下濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果存在顯著差異(P<0.05),水流方式為UVCW時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果最佳,處理10 d后TP去除率達(dá)65.38%。
圖9 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化Fig.9 Variations of TP content in wetland effluent under different water flow modes
濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除主要依靠基質(zhì)吸附作用,當(dāng)基質(zhì)吸附能力降低時(shí),TP去除效果會(huì)逐漸變差[34]。試驗(yàn)后期濕地系統(tǒng)出水TP濃度略有增加,可能與基質(zhì)對(duì)磷的解吸和微生物在缺氧區(qū)釋放磷有關(guān),這與祝志超等[33]的研究結(jié)果一致。水流方式為UVCW的濕地系統(tǒng)具有垂直向上循環(huán)回流的水流,能充分利用基質(zhì)的吸附作用,有利于TP的去除,因此去除效果較好。
由2.1節(jié)和2.2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果,將水力負(fù)荷設(shè)為0.36 m3(m2·d),水流方式設(shè)為UVCW,分別考察有、無植物種植時(shí),濕地系統(tǒng)對(duì)主要污染物的去除效果,結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,與無植物種植時(shí)相比較,有植物種植時(shí)濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化效果明顯提高,經(jīng)過10 d運(yùn)行,濕地系統(tǒng)對(duì)去除率分別達(dá)72.20%、72.00%、81.13%和75.01%,分別比無植物種植時(shí)提高了13.2個(gè)、9.5個(gè)、26.0個(gè)和15.9個(gè)百分點(diǎn),且出水COD與濃度均低于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),TN濃度略高于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。單因素ANOVA分析發(fā)現(xiàn),有、無植物種植的濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除率差異顯著(P<0.05)。
圖10 有、無植物種植時(shí)濕地系統(tǒng)對(duì)污染物去除率的比較Fig.10 Comparison of pollutants removal rates of constructed wetlands with and without plant planting
研究發(fā)現(xiàn),在濕地系統(tǒng)中種植植物對(duì)去除污染物具有積極作用,可明顯提高污染物的去除率,這與梁奇奇等[35]的研究結(jié)果一致。植物通過根系輸氧能改善水體中的溶解氧狀態(tài),有利于微生物的生長繁殖;根系還會(huì)分泌出酶、氨基酸等活性物質(zhì),有利于提高根際微生物活性,從而改善污染物去除效果[36]。陳進(jìn)軍等[37]研究發(fā)現(xiàn),蘆葦、水葫蘆、苦草〔Vallisnerianatans(Lour.) Hara〕的搭配種植,顯著提高了人工濕地對(duì)污染物的去除效果,本研究濕地系統(tǒng)中搭配種植蘆葦和水葫蘆不僅顯著提高了污染物去除率,同時(shí)還能較好地利用濕地表面積,并結(jié)合挺水植物和浮水植物各自的優(yōu)點(diǎn),呈現(xiàn)良好的景觀效果。
(1)采用新型復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)模擬的城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)出水進(jìn)行強(qiáng)化處理,在水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d),水流方式為UVCW時(shí),對(duì)污染物去除效果最好,出水TP濃度、COD均達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)在水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d),水流方式為UVCW時(shí),有植物種植的新型復(fù)合垂直流人工濕地出水濃度與COD均達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),TN濃度略高于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。新型復(fù)合垂直流人工濕地在實(shí)際運(yùn)行時(shí),可考慮種植適宜的植物,既提高對(duì)污染物的去除效果,又具有一定的景觀價(jià)值。
(3)新型復(fù)合垂直流人工濕地在水力負(fù)荷為0.36 m3(m2·d),水流方式為UVCW,以間歇方式運(yùn)行時(shí),可以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),且對(duì)污染物去除效果明顯,還能有效防止堵塞現(xiàn)象,應(yīng)用于污水處理廠尾水深度處理可達(dá)到減少投資、節(jié)省成本的目的。