垂直流人工濕地不同填料長期運(yùn)行效果研究

武俊梅,王 榮,徐 棟,張翔凌,賀 鋒*,吳振斌 (.中國科學(xué)院水生生物研究所,淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室,湖北 武漢 40072；2.中國科學(xué)院研究生院,北京 00049；.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 40070)

當(dāng)前,垂直流人工濕地被廣泛運(yùn)用于處理生活污水[1]和部分行業(yè)廢水[2-3].填料在人工濕地的結(jié)構(gòu)中占有最大體積,是人工濕地區(qū)別于自然濕地的重要方面[4].國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對填料的研究主要集中于不同填料對有機(jī)物、氮和磷污染物的凈化效果研究[5-6]和不同填料對磷素去除機(jī)理的研究[7-8].在眾多對凈化效果的研究中,采用的水力負(fù)荷較低(300～1000mm/d),監(jiān)測時間較短[3,6,9-10].本研究基于適用性、經(jīng)濟(jì)性和易得性選擇 8 種填料為研究對象,填充組成模擬垂直流人工濕地實驗系統(tǒng),研究高水力負(fù)荷長期運(yùn)行條件下不同填料凈化能力的差異以及填料凈化能力隨時間的變化趨勢,為選擇合適的填料從而減小人工濕地占地面積和延長人工濕地使用年限提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置構(gòu)建

實驗系統(tǒng)裝置(圖 1)采用內(nèi)徑 250mm的PVC管實驗柱共8根,高度均為1000mm,其中填料高度為900mm,管頂預(yù)留有100mm的保護(hù)層.混合調(diào)節(jié)池中的混合污水利用蠕動泵(PULSAFEEDER計量泵 DC3B)提升,通過轉(zhuǎn)子流量計(紅旗LZB-10)調(diào)節(jié)水量,然后由管頂?shù)沫h(huán)形穿孔布水管進(jìn)入,由管底出水.考慮到溫度和降水的影響,該系統(tǒng)建于溫室內(nèi).

供試填料依次為沸石、無煙煤、頁巖、蛭石、陶瓷濾料、礫石、鋼渣和生物陶粒.其中沸石和無煙煤取自河南鞏義華龍濾料廠,頁巖取自湖北宜昌光大陶粒制品有限責(zé)任公司,蛭石取自遼寧大連中德珍珠巖廠,陶瓷濾料取自山東淄博鋁業(yè)公司,礫石取自湖北武漢建材市場,鋼渣取自武漢鋼鐵公司冶金渣分公司,生物陶粒取自江西萍鄉(xiāng)三和輕化有限公司.所有填料均為顆粒狀并經(jīng)過粗篩,粒徑8～12mm,各填料主要成分見表1[11].

1.2 實驗系統(tǒng)運(yùn)行管理

實驗系統(tǒng)每周運(yùn)行2次,每次連續(xù)運(yùn)行8h后采樣進(jìn)行水質(zhì)分析,間歇時保持飽水狀態(tài),液面略低于填料表面.每根實驗柱水力負(fù)荷控制在2400～3400mm/d,其COD、TN和TP負(fù)荷分別為175～250,26～36,2.3～3.3g/(m2·d).實驗周期為 2006年4月至2008年5月,共歷時25個月.為便于比較不同填料凈化能力隨時間的變化趨勢,根據(jù)運(yùn)行時間將實驗周期平分為 5個階段,鋼渣和生物陶粒實驗柱從第2階段開始運(yùn)行.

圖1 實驗裝置系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 各填料主要化學(xué)成分(%)Table 1 Main chemical composition of the tested substrates (%)

1.3 供試污水特性

供試污水采用湖水和生活污水在混合調(diào)節(jié)池攪拌后的混合水,其中湖水取自武漢東湖茶港雨水排污口,生活污水取自中國科學(xué)院水生生物研究所辦公樓前化糞池,混合調(diào)節(jié)池中供試污水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果如表2所示.

表2 供試污水水質(zhì)Table 2 Concentrations of pollutants in the influent

1.4 分析指標(biāo)及方法

溫度和 pH值采用在線測定儀(Thermo ORION 5-STAR)測定;COD采用重鉻酸鉀消解哈希儀(HACH-DR/2400)測定,其他指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法[12].數(shù)據(jù)采用SPSS13.0進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)進(jìn)出水pH值變化

進(jìn)水和各實驗柱出水各階段pH值如圖2所示.對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析表明,無煙煤、鋼渣和生物陶粒實驗柱出水與進(jìn)水pH值存在顯著差異,其中無煙煤實驗柱出水pH值低于進(jìn)水,平均值僅為7.00,特別在第2階段pH值最低時為3.36;鋼渣實驗柱出水為強(qiáng)堿性,平均 pH值為 11.45;生物陶粒實驗柱出水 pH值略高于進(jìn)水,平均值為8.12;其他各實驗柱出水pH值均略低于進(jìn)水.

2.2 不同填料對污水中COD的凈化能力

方差分析結(jié)果表明(表 3),頁巖和鋼渣對COD的凈化能力與生物陶粒存在顯著差異.生物陶粒和無煙煤對 COD的凈化效果最好,平均去除率分別為60.36%和54.40%.由圖3可見,各填料對COD的去除率隨運(yùn)行時間的延長呈上升趨勢,第5階段各填料對COD的凈化效果均較好,其平均去除率在48%～66%之間.

圖2 進(jìn)水和各實驗柱出水各階段pH值Fig.2 Average pH of the influent and the effluents in five periods

圖3 各階段各種填料對COD的平均去除率Fig.3 Average COD removal rates in the columns with different substrates in five periods

2.3 不同填料對污水中氮素的凈化能力

8種填料對污水中的TN和NH4+-N凈化效果存在顯著性差異(圖4,圖5,表3).其中沸石對污水中氮素的處理效果最好且穩(wěn)定,對 TN和NH4+-N 的平均去除率分別高達(dá) 82.03%和91.32%,陶瓷濾料和蛭石次之,其他填料對氮素平均去除率較低,其中鋼渣對 NH4+-N的去除率在整個實驗過程中表現(xiàn)為負(fù)值.

圖4 各階段各種填料對TN的平均去除率Fig.4 Average TN removal rates in the columns with different substrates in five periods

圖5 各階段各種填料對NH4+-N的平均去除率Fig.5 Average NH4+-N removal rates in the columns with different substrates in five periods

2.4 不同填料對污水中磷素的凈化能力

8種填料對污水中的TP和SRP凈化效果存在顯著性差異(圖6,圖7,表3).其中無煙煤從第3階段開始對TP的去除率至少達(dá)到85.38%,從第2階段開始對SRP的去除率至少達(dá)到91.65%;鋼渣在整個系統(tǒng)運(yùn)行階段對TP和SRP的平均去除率分別高達(dá)89.61%和96.77%,且凈化效果非常穩(wěn)定;2者對SRP的去除率高于TP.沸石、頁巖、蛭石、陶瓷濾料和礫石對TP的平均去除率均較低,對SRP的平均去除率均表現(xiàn)為負(fù)值,且波動性較大,對磷素的凈化能力隨實驗階段總體為下降趨勢.

圖6 各階段各種填料對TP的平均去除率Fig.6 Average TP removal rates in the columns with different substrates in five periods

圖7 各階段各種填料對SRP的平均去除率Fig.7 Average SRP removal rates in the columns with different substrates in five periods

3 討論

3.1 供試填料對有機(jī)物的凈化效果的變化趨勢

隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的延長,填料表面逐漸生成比較穩(wěn)定的生物膜,填料對COD的去除率均有不同程度的提高,第5階段各實驗柱出水均達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[13]一級 A標(biāo)準(zhǔn).李懷正等[6]指出填料隨著表面生物膜的形成,對有機(jī)物的去除率得到了提升,但鋼渣對有機(jī)物的去除率略有降低.與之不同的是,本研究中鋼渣對COD的去除率有一定程度的提高.付國楷等[14]的研究也表明頁巖和鋼渣對COD的去除效果隨實驗進(jìn)行呈上升趨勢.

表3 不同填料對各污染物去除效果的方差分析(%)Table 3 ANOVA analysis of removal rates of COD、N and P in the columns with different substrates(%)

3.2 供試填料對氮的凈化效果的變化趨勢

本實驗中沸石對污水中氮素的處理效果最好且穩(wěn)定,且對 NH4+-N的去除率高于 TN,與張曦[15]等的研究結(jié)論一致,這是由沸石填料特性決定的,沸石對 NH4+有著很強(qiáng)的選擇吸附功能,吸附容量可達(dá) 11.15mg/g[16].在無植物栽種的實驗柱中,去除氮素的主要機(jī)制是物理化學(xué)吸附和填料表面微生物的作用.沸石內(nèi)部具有發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu),為微生物的生長提供了良好的場所,沸石吸附的 NH4+在硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為 NO3-,使沸石表面吸附位點(diǎn)恢復(fù)再生[17].隨著系統(tǒng)的運(yùn)行,沸石對污水中 NH4+-N的處理效果基本保持在運(yùn)行初期的水平,而隨著生物膜的形成及穩(wěn)定,沸石對污水中 TN的凈化效率有所上升.鋼渣對NH4+-N的去除率均為負(fù)值,可能是水的pH值較高不利于氨氧化細(xì)菌的生長[6,18].8種填料出水中NO2--N和 NO3--N含量均較低,平均值分別在0.012～0.123mg/L和 0.047～0.261mg/L之間,與Huang等[19]的結(jié)論一致.

3.3 供試填料對磷的凈化效果的變化趨勢

人工濕地中磷素的去除或固定機(jī)制中填料吸附和沉淀可能發(fā)揮著最重要的作用,同時也是最容易控制的因素[7].比較填料在相同實驗條件下進(jìn)行等溫吸附實驗所得到的數(shù)據(jù),理論最大吸附容量為:鋼渣(2500.00mg/kg)＞頁巖(666.67mg/ kg)＞礫石(0.54mg/kg)[20];頁巖(0.65±0.07g/kg)＞沸石(0.46±0.08g/kg)[7];蛭石(3473mg/kg)＞沸石(813.7mg/kg)[21];陶粒(71mg/kg)＞沸石(39mg/ kg)[22],其大小關(guān)系與本實驗中填料對 SRP的去除效果吻合,因此填料對磷的理論飽和吸附量可以用于除磷填料的篩選.而根據(jù)進(jìn)出水濃度估算實驗柱中吸附的磷,去除率出現(xiàn)負(fù)值的 5種填料還未達(dá)到吸附飽和,因為在高負(fù)荷水力條件下,污水中的磷不能與填料進(jìn)行充分的接觸,填料表面的活性吸附位得不到充分利用,因此填料對磷的理論飽和吸附量過高地估計了相應(yīng)系統(tǒng)對磷的去除能力,這與Richardson[23]的結(jié)論一致.同時實驗系統(tǒng)中填料在某種程度上是作為一個“磷緩沖器”來調(diào)節(jié)進(jìn)出污水中磷濃度的,那些吸附磷較少的填料也最容易釋放磷[24].由于進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定,較高濃度的含磷污水能導(dǎo)致磷的去除,而低濃度的進(jìn)水則易導(dǎo)致填料中磷的釋放[25],所以吸附能力較差的填料對磷的去除波動性較大.鋼渣主要成分中CaO占36.13%,在適宜的pH條件下,生成大量穩(wěn)定的羥基磷酸鈣沉淀,Al和Mg氧化物含量也較大,也會與磷酸根形成沉淀.鋼渣表面的金屬氧化物、氫氧化物與磷酸根離子的吸持(表面絡(luò)合配位反應(yīng))是出水pH值增加呈強(qiáng)堿性的原因[26].第 2階段實驗后無煙煤主要成分中CO3和SO3分別降低到67.14%和5.28%[11],其溶出可能是無煙煤出水呈酸性的原因,機(jī)理有待進(jìn)一步研究.鋼渣和無煙煤對 TP的高效去除主要在于其對SRP吸附能力強(qiáng),其他填料雖然吸附能力較差,但是各種填料均對顆粒態(tài)磷有不同程度的截留作用,所以對TP的去除率高于SRP.

4 建議

在高負(fù)荷垂直流人工濕地中,針對水質(zhì)特性選擇穩(wěn)定長效安全的填料,可減小人工濕地占地面積和延長人工濕地使用年限.當(dāng)特征污染物分別為有機(jī)物、氮和磷時,可對應(yīng)選用生物陶粒、沸石和無煙煤;當(dāng)所處理污水為含有有機(jī)物、氮和磷的綜合污水時,可選用3者的組合;鋼渣單獨(dú)使用時出水呈強(qiáng)堿性,不宜直接排放,可按一定比例摻加到其他填料中用于提高對磷的處理效果.

5 結(jié)論

5.1 實驗系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后逐漸成熟,各填料對COD的去除率較運(yùn)行初期有不同程度的提高,在第5階段均具有較好去除有機(jī)物的能力,其中生物陶粒去除效果最好.

5.2 沸石對污水中氮素的去除率顯著性高于其他填料,并且處理效果穩(wěn)定,陶瓷濾料和蛭石次之,其他填料對氮素平均去除率較低,且隨著系統(tǒng)的運(yùn)行均有一定程度的降低.

5.3 鋼渣和無煙煤具有長期去除磷素的能力,生物陶粒次之,而其他填料對 TP的去除率較低,且均有不同程度的SRP釋放.

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