污染負(fù)荷對(duì)生物炭人工濕地凈化效果的影響

高海威， 李 雙， 徐立榮， 徐祥熙， 王榮震， 徐 晶

(1. 濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院， 山東濟(jì)南 250022； 2. 濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心錦繡川水庫(kù)服務(wù)處， 山東濟(jì)南 250112)

為了解決日益嚴(yán)重的農(nóng)村生活污水污染問(wèn)題， 我國(guó)自20世紀(jì)80年代就開(kāi)始針對(duì)農(nóng)村生活污水的處理開(kāi)發(fā)和研制了許多技術(shù)， 包含厭氧沼氣池處理技術(shù)、 穩(wěn)定塘處理技術(shù)、 人工濕地處理技術(shù)等[1]。 在這些方法中， 人工濕地是一種耗資少、 易管理、 處理水質(zhì)效率高、 生態(tài)環(huán)境友好型的水質(zhì)處理系統(tǒng)[2]； 但是， 傳統(tǒng)人工濕地的抗污染負(fù)荷能力較差， 污染物去除效率較低， 因此需要研究一類性能更優(yōu)的人工濕地[3]。

生物炭是由生物質(zhì)在缺氧或無(wú)氧的密閉環(huán)境中經(jīng)一定溫度熱解得到的富含碳的難溶性固體物質(zhì)[4]，具有孔隙分布合理、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)[5]，并且理化性質(zhì)穩(wěn)定，制備方便，對(duì)各類污染物均具有很強(qiáng)的吸附性，在土壤治理、氣候調(diào)節(jié)和廢水處理方面得到廣泛應(yīng)用[6]。大量研究表明，生物炭人工濕地對(duì)污水的凈化有著明顯的效果[7-9]，其中潛流濕地的污水處理效果受氣候、季節(jié)的影響較小，如果在運(yùn)行過(guò)程中管理得當(dāng)，還可以有效防止蚊蠅滋生和臭味產(chǎn)生，是目前國(guó)內(nèi)外較常采用的一種人工濕地類型[10-12]。目前研究表明，生物炭對(duì)人工濕地中無(wú)機(jī)物的去除具有明顯的效果，如脫氮主要途徑是硝化-反硝化[13]，生物炭可以增強(qiáng)人工濕地的脫氮性能[14-15]。另有研究[16-18]表明，生物炭可以提高無(wú)機(jī)磷的吸附能力。目前，針對(duì)生物炭人工濕地特別是中試尺度生物炭人工濕地的實(shí)驗(yàn)研究尚不多見(jiàn)，本文中基于潛流人工濕地中試實(shí)驗(yàn)，探討不同污染負(fù)荷條件下生物炭潛流人工濕地對(duì)污染物的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 生物炭潛流人工濕地實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的構(gòu)建

6組中試人工濕地均由磚、混凝土壘砌而成，外徑長(zhǎng)寬比為3∶1，其中長(zhǎng)度為5.1 m，寬度為1.7 m，高度為0.8 m，墻體厚度為0.15 m，在池子底部及四周均進(jìn)行防水處理。人工濕地的基質(zhì)為陶粒、沸石、瓜子石、生物炭。除生物炭外，基質(zhì)按照各組分的粒徑大小進(jìn)行排列，從上向下依次為粒徑小于0.4 cm的瓜子石、0.4～0.8 cm的陶粒、0.8～1.6 cm的沸石、3 cm的陶粒。為了研究不同生物炭類型、生物炭不同投放位置以及生物炭不同投放量對(duì)人工濕地處理農(nóng)村生活污水的凈化效果，分別采用椰殼生物炭和果殼生物炭，生物炭投放位置如表1所示。

生物炭投放量均按生物炭與每層其他基質(zhì)的體積比為1∶1投放至各層，其中C、 C1組生物炭的投放量是其他4組的2倍，每層基質(zhì)厚度均為15 cm。植物選擇統(tǒng)一種植黃菖蒲，種植密度為每平方米25 株?；|(zhì)具體鋪設(shè)構(gòu)造如圖1所示。

表1 人工濕地基質(zhì)生物炭類型及其添加位置

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

綜合考慮水力條件對(duì)人工濕地污染物去除的影響，本研究設(shè)定水力停留時(shí)間為36～48 h，水力負(fù)荷為10 cm/d的水力條件[19]。通過(guò)改變進(jìn)水中各種污染物濃度，根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005—2010)要求(見(jiàn)表2)，結(jié)合農(nóng)村生活污水中碳與氮的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱碳氮比)較低的現(xiàn)狀，設(shè)置碳氮比約為3∶1，以模擬農(nóng)村生活污水，設(shè)置高、中、低3個(gè)不同污染物濃度等級(jí)來(lái)確定濕地可承受的污染負(fù)荷，具體參數(shù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用人工配水的方式模擬生活污水中的總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)的濃度，通過(guò)控制進(jìn)、出水口流量使之達(dá)到設(shè)定的水力條件，穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期(36 h)后，在各濕地出水口取100 mL出水水樣，并立刻放入4 ℃保溫箱，以備檢測(cè)各污染物濃度。每種污染負(fù)荷實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，每次取樣后都將人工濕地內(nèi)的水排空，以減少原有水的影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Excel軟件分析人工濕地中各類污染物去除率隨污染負(fù)荷的變化情況；利用Origin軟件繪制各污染物進(jìn)、 出水水質(zhì)與去除效率的柱狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同污染負(fù)荷下生物炭人工濕地進(jìn)出水水質(zhì)

各組人工濕地的進(jìn)、出水中TN、 NH3-N、 TP、 COD的濃度如圖2所示。在水力停留時(shí)間為36～48 h、 水力負(fù)荷為10 cm/d的條件下進(jìn)水，以《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37/3693—2019)中的指標(biāo)(見(jiàn)表4)為限值，對(duì)進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行分析。

(a)生物炭添加在小粒徑陶粒層

(b)生物炭添加在沸石層

(c)生物炭添加在小粒徑陶粒層及沸石層圖1 生物炭人工濕地基質(zhì)構(gòu)造示意圖

表2 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)要求

表3 人工濕地進(jìn)水污染物濃度

(a)總磷(TP)(b)總氮(TN)(c)氨氮(NH3-N)(d)化學(xué)需氧量(COD)圖2 不同濕地進(jìn)、出水中的污染物濃度

表4 農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)

從圖2中可以看出：當(dāng)生物炭人工濕地進(jìn)水污染負(fù)荷為低等級(jí)時(shí)，各組濕地出水水質(zhì)都達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，TN、 NH3-N、 TP、 COD這4類污染物去除效果良好。當(dāng)進(jìn)水污染負(fù)荷增加到中等級(jí)時(shí)，各組濕地中的出水污染物濃度也隨之增加，各組濕地的出水水質(zhì)中除NH3-N外均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)各組情況進(jìn)行對(duì)比可知，在C1濕地中，出水水質(zhì)仍然可以達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其余5組濕地的出水中NH3-N質(zhì)量濃度為8～15 mg/L，達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)人工濕地進(jìn)水污染負(fù)荷增加到高等級(jí)時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)組中TN的質(zhì)量濃度均大于20 mg/L，NH3-N的質(zhì)量濃度均大于15 mg/L，未達(dá)到排放要求； B、 C、 C1濕地的出水中TP濃度可以達(dá)到排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，A、 A1、 B1濕地出水的TP質(zhì)量濃度均大于1.5 mg/L，未達(dá)到排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；A1、 B1濕地的出水中COD質(zhì)量濃度已經(jīng)超過(guò)60 mg/L，不滿足農(nóng)村生活污水排放的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他4組排放達(dá)標(biāo)。綜上所述，生物炭人工濕地對(duì)低等級(jí)污染負(fù)荷到中等級(jí)污染負(fù)荷的水質(zhì)變化有較好的應(yīng)對(duì)能力。

2.2 不同污染負(fù)荷下生物炭人工濕地去除效率

2.2.1 對(duì)COD的去除效率

各組人工濕地在不同污染負(fù)荷下對(duì)COD的去除率如圖3所示。由圖可知，隨著污染負(fù)荷的增加，污染物的去除率逐步降低。在污染負(fù)荷為低等級(jí)的情況下，各組人工濕地的COD去除率接近甚至超過(guò)90%，較低的為A、 A1組，分別為89.2%、 88.6%，最高的為C1組，達(dá)到94.1%；當(dāng)污染負(fù)荷達(dá)到中等級(jí)時(shí)，各組濕地的COD去除率明顯降低，降到了90%以下，最高的為C1組，達(dá)到88.3%，而A組的降低為79.1%，其他組的均在80%以上；當(dāng)污染負(fù)荷增大到高等級(jí)時(shí)，各組濕地COD去除率持續(xù)降低，最高的為C組，達(dá)到81.6%，最低的為B1組，為67.7%，比低等級(jí)污染負(fù)荷時(shí)的降低了24.6%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著污染負(fù)荷增加，各組人工濕地對(duì)COD去除率的差距也在變大，表明濕地基質(zhì)構(gòu)造影響COD的去除，且對(duì)于污染物的抗負(fù)荷能力也不同。本文中對(duì)COD污染有較好抗負(fù)荷能力的為C組，從低等級(jí)污染負(fù)荷到高等級(jí)污染負(fù)荷，去除率僅降低11.8%，說(shuō)明生物炭的用量對(duì)人工濕地對(duì)COD抗負(fù)荷能力有一定的影響，增加生物炭用量可以適當(dāng)提高人工濕地對(duì)COD的凈化效果。

圖3 不同污染負(fù)荷下生物炭 人工濕地對(duì)化學(xué)需氧量(COD)的去除率

2.2.2 對(duì)TN的去除效率

各組人工濕地在不同污染負(fù)荷下對(duì)TN的去除率如圖4所示。由圖可知，隨著污染負(fù)荷的增加，TN的去除率逐步降低。在低等級(jí)污染負(fù)荷時(shí)各組的TN去除率均超過(guò)80%，B、 B1組的去除率較低， 分別為83.5%、 84.7%， C、 C1組的分別達(dá)到92.1%、 92.5%；當(dāng)污染負(fù)荷增大達(dá)到中等級(jí)時(shí)，C、 C1組的TN去除率分別為82.7%、 80.7%，其余各

圖4 不同污染負(fù)荷下生物炭 人工濕地對(duì)總氮(TN)的去除率

組的為70%～80%；當(dāng)污染負(fù)荷增大到高等級(jí)時(shí)，僅C1組的達(dá)到70%以上，為76.3%，最低的為B1組，為64.2%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，C、 C1組濕地對(duì)TN的去除效果明顯優(yōu)于其他4組的，表明生物炭的應(yīng)用有利于人工濕地對(duì)TN的去除。當(dāng)污染負(fù)荷增加時(shí)，生物炭的類型和添加位置不同的各組人工濕地對(duì)TN去除率的差距逐漸減小。

2.2.3 對(duì)NH3-N的去除效率

各組人工濕地在不同污染負(fù)荷下對(duì)NH3-N的去除率如圖5所示。由圖可知，隨著污染負(fù)荷的增加，其污染物的去除率在逐步下降。NH3-N去除表現(xiàn)與TN去除表現(xiàn)相似，在低等級(jí)污染負(fù)荷時(shí)各組人工濕地的去除率均超過(guò)85%，A1、 C、 C1組的去除率分別達(dá)到91.4%、 95.5%、 94.2%；當(dāng)污染負(fù)荷增大達(dá)到中等級(jí)時(shí)，C、 C1組的NH3-N去除率均超過(guò)80%，分別達(dá)到87.7%、 83.2%，B組的最低，為73.5%，A1組的下降幅度最大，超過(guò)15%；當(dāng)污染負(fù)荷增大到高等級(jí)時(shí)，C、 C1組的NH3-N去除率分別為74.1%、79.1%，B1組的最低，為65.4%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與TN去除效果相似，即無(wú)論污染負(fù)荷是否改變，C、 C1組對(duì)NH3-N去除效果明顯優(yōu)于其他4組的，表明生物炭添加量的增加有利于NH3-N的去除， 同時(shí)進(jìn)水污染負(fù)荷越高，去除效果越差。

圖5 不同污染負(fù)荷下生物炭 人工濕地對(duì)氨氮(NH3-N)的去除率

2.2.4 對(duì)TP的去除效率

各組人工濕地在不同污染負(fù)荷下對(duì)TP的去除率如圖6所示。由圖可知，隨著污染負(fù)荷的增加，各組人工濕地對(duì)TP的去除率逐漸降低。在低等級(jí)污染負(fù)荷時(shí)各組的TP去除率超過(guò)80%，A1組的最低，為85.6%，C1組的最高，達(dá)到94.1%；當(dāng)污染負(fù)荷增大達(dá)到中等級(jí)時(shí)，各組的TP去除率降幅在10%左右，C1組的去除率依然最高，為86.4%，A組的最低為79.2%；當(dāng)污染負(fù)荷增大到高等級(jí)時(shí)，各組的TP去除率持續(xù)降低，但是下降并不明顯，僅B1組的下降到75%以下，為73.5%。上述結(jié)果表明，各組生物炭人工濕地對(duì)TP的污染有較好的抗負(fù)荷能力，在高負(fù)荷的情況下仍可以保持較高的去除率。無(wú)論污染負(fù)荷是否改變，C、 C1組對(duì)TP的去除效果明顯優(yōu)于其他4組的，表明生物炭添加量的增加有利于TP的去除，且在中低污染負(fù)荷情況下，沸石層添加的生物炭對(duì)TP的去除效果更好。

圖6 不同污染負(fù)荷下生物炭人工濕地對(duì)總磷(TP)的去除率

3 結(jié)論

在水力停留時(shí)間為36～48 h、 水力負(fù)荷為10 cm/d的水力條件下， 設(shè)計(jì)并實(shí)施了3組不同污染負(fù)荷條件下的中試實(shí)驗(yàn)，分析了污染負(fù)荷變化對(duì)生物炭人工濕地凈化效果的影響，主要結(jié)論如下：

1)生物炭人工濕地對(duì)于農(nóng)村生活污水中TN、 NH3-N、 TP、 COD的去除率隨著進(jìn)水污染負(fù)荷的增大而降低。進(jìn)水污染負(fù)荷較低時(shí)，各組人工濕地對(duì)污染物均具有很好的去除效果，去除率都在80%以上，大部分達(dá)到了90%。當(dāng)進(jìn)水污染負(fù)荷處于高等級(jí)，各組對(duì)污染物的去除率總體維持在70%以上，少部分低于70%但保持在60%以上，對(duì)污染物具有良好的去除效果。

2)對(duì)于TN、 NH3-N這2類污染物來(lái)說(shuō)，生物炭添加量的增加有利于污染物的去除，且隨著污染負(fù)荷的增加，生物炭添加位置對(duì)TN、 NH3-N凈化效果的影響不大；對(duì)于COD，各組濕地對(duì)COD的去除效果差別隨著污染負(fù)荷增加而增大，表明生物炭有助于加強(qiáng)人工濕地對(duì)COD的抗負(fù)荷能力；對(duì)于TP，污染負(fù)荷增加時(shí)，生物炭添加量和添加位置對(duì)TP的去除效果的影響減弱，去除率普遍較高，且對(duì)TP具有較好的抗負(fù)荷能力。

3)在低污染負(fù)荷和中污染負(fù)荷的情況下，各組生物炭人工濕地對(duì)于4類污染物均具有較高的去除率，出水水質(zhì)可以達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37/3693—2019)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此為保證污染物的去除效果，建議生物炭人工濕地的進(jìn)水污染負(fù)荷不宜過(guò)高，特別是對(duì)于TN、 NH3-N污染物，其進(jìn)水質(zhì)量濃度分別不宜超過(guò)85、 82 mg/L。