生物炭基質(zhì)人工濕地處理生活污水效能的實(shí)驗(yàn)研究

潘 宇, 孫彩玉, 盛 濤

(黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

作為一種新穎的污水處理工藝,人工濕地越來越多的應(yīng)用于低濃度污水處理及污水的深度處理中。人工濕地的主要優(yōu)勢在于運(yùn)行簡單、能耗低、景觀性強(qiáng)等[1]。在人工濕地處理系統(tǒng)中,基質(zhì)是極其重要的組成部分,且能夠直接影響濕地的處理效果[2]。在以前的研究中,人工濕地常用基質(zhì)主要包含沸石、白云石、陶粒及礫石。

生物炭是一種高含碳物質(zhì),其比表面積更大且吸附性能強(qiáng),可由秸稈、木屑、糞便等原材料制成[3]。目前,生物炭在含氨氮廢水處理、土壤修復(fù)及蔬菜大棚土壤改良等具有一定的應(yīng)用[4],而有關(guān)生物炭在人工濕地處理污水中的應(yīng)用卻很少。因此,筆者以市政污水處理廠剩余污泥為原料,制備生物炭,并將其作為基質(zhì)建立水平流人工濕地,考察生物炭基質(zhì)人工濕地處理生活污水的各項(xiàng)效能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)底物

本研究用生活污水,取自龍江環(huán)保哈爾濱平房污水處理廠旋流沉砂池出水,并儲(chǔ)存在碳鋼水箱內(nèi)待用。生活污水各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 生活污水水質(zhì)

1.2 基質(zhì)準(zhǔn)備

1.2.1 生物炭制備

生物炭制備原材料用市政污泥取自龍江環(huán)保哈爾濱平房污水處理廠污泥脫水機(jī)房,污泥含水率為80%。收集后的市政污泥先用蒸餾水淘洗三遍,再用孔徑5 mm的不銹鋼篩網(wǎng)進(jìn)行過濾去掉大顆粒物質(zhì)。

過濾后的市政污泥放用馬弗爐進(jìn)行高溫分解,設(shè)定分解終點(diǎn)溫度為500 ℃,溫升速率為100 ℃/h。分解后的污泥經(jīng)自然降溫后,用機(jī)械粉碎機(jī)進(jìn)行破碎,然后用孔徑5 mm的不銹鋼篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。制備后生物炭主要性能如下:堆積密度0.87 g/cm3,表面積0.21 m2/g,平均粒徑6.5 mm,pH值為6.9。

1.2.2 白云石和沸石

白云石和沸石購于宜興市某環(huán)保設(shè)備有限公司。白云石和沸石用蒸餾水清洗三遍,室外自然風(fēng)干,并用孔徑5 mm的不銹鋼篩網(wǎng)進(jìn)行過濾。經(jīng)分析,白云石和沸石的主要性能見表2。

表2 白云石和沸石主要性能

1.3 試驗(yàn)裝置

人工濕地試驗(yàn)裝置共加工3套,單套尺寸為2.1 m×0.7 m×1.2 m,超高0.1 m。裝置內(nèi)部從下往上依次裝設(shè)高100 cm的鵝卵石(粒徑15～20 mm)和700 cm的基質(zhì)(粒徑3～5 mm)和100 cm的石英砂(粒徑2～4 mm)。其中,基質(zhì)分別填充白云石(R1)、沸石(R2)和生物炭(R3)。生活污水采用磁力泵分別輸送至各試驗(yàn)裝置,磁力泵頻率可調(diào)以控制裝置表面水力負(fù)荷為10 cm/d。裝置頂部設(shè)多孔式布水管進(jìn)行布水,底部設(shè)多孔式集水管收集出水。各裝置側(cè)壁在不同高度設(shè)2個(gè)取樣口,以進(jìn)行取樣檢測分析運(yùn)行數(shù)據(jù)。裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為300 d,每天取樣檢測進(jìn)出水各項(xiàng)污染物指標(biāo)。

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地運(yùn)行性能

各組人工濕地在啟動(dòng)運(yùn)行約100 d后,出水各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定,運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。各組人工濕地在穩(wěn)定運(yùn)行期間對COD和BOD5的去除情況見圖1。從圖1中可以看出,R1、R2和R3對COD的平均去除率分別為(65.3±1.2)%、(76.6±0.7)%和(82.3±3.3)%,對BOD5的平均去除率分別為(72.9±0.5)%、(83.1±1.7)%和(87.3±0.9)%。由此可見, R3組(生物炭組)人工濕地對COD和BOD5的去除效率最高。

圖1 3組人工濕地對COD和BOD5的去除情況 Fig.1 Removal of COD and BOD5 by three groups of constructed wetlands

較R1和R2組,R3組對COD的去除率分別提高了26%和8.7%,對BOD5的去除率分別提高了19.8%和5.1%。Kizito[6]研究發(fā)現(xiàn)牛糞生物炭基質(zhì)建立的人工濕地處理生活污水比白云石和陶粒基質(zhì)的人工濕地呈現(xiàn)出更高的污染物去除能力,這與生物炭更大的比表面積有關(guān)。

表3為其他文獻(xiàn)關(guān)于水平流人工濕地處理生活污水的數(shù)據(jù)。由表3可知,本研究生物炭基質(zhì)人工濕地對COD和BOD5的去除率γ與Fountoulakiset[7]和Zhou等[8]的研究結(jié)果接近。他們構(gòu)建的水平流人工濕地對生活污水中COD和BOD5的去除率分別在71%～76%和78%～87%之間。但本研究結(jié)果高于其他類似研究[9-12],這主要與基質(zhì)類型、運(yùn)行參數(shù)及內(nèi)部設(shè)計(jì)等因素有關(guān)。

表3 同類研究水平流人工濕地處理市政生活污水性能

圖2 3組人工濕地對和TN的去除情況Fig.2 Removal of N and TN by three groups of constructed wetlands

人工濕地對TN的去除主要通過微生物反硝化作用來完成[11]。經(jīng)檢測,各組人工濕地溶解氧含量均小于0.05 mg/L。根據(jù)圖2,R3組對TN的去除率較R1組和R2組分別提高了35.2%和24.8%。根據(jù)以前的研究,這是因?yàn)樯锾康母咛继匦阅軌驗(yàn)楫愷B(yǎng)菌提供一定的碳源量,從而提高反硝化效果[6]。

圖3 3組人工濕地對TP的去除情況Fig.3 TP removal by three groups of constructed wetlands

2.2 微生物量差異

各組人工濕地運(yùn)行結(jié)束后,在裝置300 mm和600 mm高度處,對基質(zhì)進(jìn)行取樣并進(jìn)行微生物量分析,分析結(jié)果見表4。由表4可知,在同一高度下,不同基質(zhì)微生物量由高到低為生物炭>沸石>白云石,例如300 mm高度處,基質(zhì)中的微生物量分別為(26.9±1.1)、(20.6±0.8)和(15.3±1.0) mmol/g。這是因?yàn)樯锾烤哂懈叩谋缺砻娣e,能夠?yàn)槲⑸锾峁└蟮拇x空間。

表4 不同基質(zhì)不同高度下的微生物量

然而,在同一基質(zhì)中,300 mm處的微生物量要高于600 mm處,這與溶解氧的擴(kuò)散阻力有關(guān)。在基質(zhì)上部,原水和空氣擴(kuò)散均能為帶進(jìn)一定量的溶解氧,但由于基質(zhì)的阻力溶解氧往下擴(kuò)散較慢,從而導(dǎo)致基質(zhì)上部的溶解氧含量高于下部。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果一致。

2.3 微生物群落分析

3組人工濕地運(yùn)行結(jié)束后對基質(zhì)進(jìn)行取樣,進(jìn)行微生物群落分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,3組人工濕地基質(zhì)中微生物群落種類基本相同,但相對豐富度η差異較大。AeromononsPseudomonos菌群在3組人工濕地的相對豐富度均最高,分別為35.5%(R1)、45.8%(R2)和48.5%(R3),為優(yōu)勢菌群。該類菌群是一種典型的好氧微生物,能夠在新陳代謝過程中消耗溶解氧降解有機(jī)物[13]。R3組AeromononsPseudomonos菌群的相對豐富度要高于R1和R2組,這也是R3組對有機(jī)物去除率更高的原因。Bacillus菌群同樣為好氧菌群,具有去除有機(jī)物的能力,但該菌群相對豐富度較低。R1、R2和R3組的相對豐富度分別為6.2%、9.3%和11.4%,明顯低于AeromononsPseudomonos菌群,因此,有機(jī)物的去除主要以AeromononsPseudomonos菌群的代謝為主。

圖4 各組人工濕地微生物群落及相對豐富度Fig.4 Microbial community and relative abundance of constructed wetlands in each group

Denitrobacter菌群是反硝過程的關(guān)鍵菌群[12],能夠利用水中的碳源將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)?。該類菌群在三組人工濕地的相對豐富度均在8.0%～9.5%之間,差別不大。但在R3組,生物炭基質(zhì)能夠提供部分碳源,導(dǎo)致其TN去除效果要優(yōu)于R1和R2組。

3 結(jié) 論