河道護(hù)坡濕地類型對(duì)雨天溢流污染物去除特性

祝超逸,李懷正

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

目前,城市河道旱天水質(zhì)得到顯著改善,但仍然面臨雨天反復(fù)污染問(wèn)題[1]。合流制系統(tǒng)溢流污染和分流制系統(tǒng)混接雨水管網(wǎng)初期雨水排放是城市河道雨天反復(fù)污染的重要成因[2]。雨天時(shí),雨水會(huì)沖刷并攜帶地面和管道中沉積的污染物,在雨水泵站匯集之后統(tǒng)一排澇,導(dǎo)致大量污染負(fù)荷排入受納水體,影響河道水質(zhì)。城區(qū)泵站雨天溢流已凸顯為影響城市河流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的主要問(wèn)題[3]。因此,亟待研究雨天溢流污染控制技術(shù),為改善城市雨天河道污染情況提供技術(shù)支撐。

雨天溢流污染存在排放流量大、污染負(fù)荷高等特點(diǎn),且受降雨特征影響大,在末端處理中多采用截留和調(diào)蓄設(shè)施,或增設(shè)溢流污染削減治理設(shè)施[4]。牟晉銘[5]通過(guò)設(shè)置調(diào)蓄池,使泵站溢流次數(shù)由28次削減為6次,溢流污染削減率為41%,全年削減CODCr達(dá)278.35 t。顧建[6]在上海市中心城區(qū)某雨水泵站設(shè)置高效組合澄清系統(tǒng),對(duì)CODCr的去除率為50%～80%,對(duì)SS的去除率達(dá)80%以上。

在當(dāng)前的研究與應(yīng)用中,調(diào)蓄池需要較大占地面積,多數(shù)雨天溢流污染削減治理設(shè)施在不同降雨條件下的適用性有限,缺乏對(duì)快速有效、適應(yīng)不同降雨條件、合理利用占地且兼具調(diào)蓄和凈化功能的處理設(shè)施的相關(guān)研究與應(yīng)用。因此,本研究通過(guò)利用河道兩邊的護(hù)坡與潛流人工濕地相結(jié)合,因地制宜地構(gòu)造護(hù)坡濕地,在不同降雨條件下利用基質(zhì)和微生物的物理、化學(xué)、生物耦合作用去除溢流污染物,就近實(shí)現(xiàn)雨天溢流污染的有效削減,對(duì)控制雨天溢流污染、改善城市雨天河道水質(zhì)具有重大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

護(hù)坡濕地試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置使用聚氯乙烯(PVC)板與鋼架構(gòu)建濕地框架,以模擬實(shí)際護(hù)坡環(huán)境。其單位床體總長(zhǎng)為4.4 m,寬為1 m,高為1 m,坡度為15°,共4組試驗(yàn)單元。進(jìn)出水兩端設(shè)置配水區(qū),配水區(qū)寬為0.2 m,高為1 m,填充10～20 mm礫石,采用PVC穿孔板與基質(zhì)隔開(kāi)。裝置兩側(cè)設(shè)置大氣復(fù)氧廊道,廊道填充10～20 mm礫石,寬為0.15 m,下部與出水高度齊平,上部與外界空氣連通便于復(fù)氧。綜合考慮基質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性與處理效果,裝置內(nèi)部分層填充5～10 mm瓜子片、6～10 mm沸石、6～10 mm高爐渣、3～8 mm硫鐵礦作為基質(zhì),基質(zhì)上部覆蓋沙土便于配水和種植植物,沙土由耕作土和1～2 mm細(xì)沙按1∶1的比例混合而成。護(hù)坡濕地試驗(yàn)裝置設(shè)置在馬鞍山市某排澇泵站旁,進(jìn)水來(lái)源為泵站前池雨污水,出水就近排入受納水體。

如圖2所示,試驗(yàn)裝置設(shè)置垂直流和水平流兩種進(jìn)水方式,以適應(yīng)不同條件下的處理需求。垂直流工況主要適用于旱天或降雨量較小時(shí)泵站未溢流的情況,可實(shí)現(xiàn)將溢流前污水處理至水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)并增加泵站的調(diào)蓄容積。水平流工況主要適用于泵站溢流時(shí)處理流量較大的情況,可實(shí)現(xiàn)最大程度削減溢流污染負(fù)荷。垂直流進(jìn)水模式下,在砂土層中間設(shè)置垂直流穿孔配水管,出水區(qū)底部設(shè)置集水管,上部設(shè)置出水管,形成淹沒(méi)區(qū)。污水通過(guò)上部穿孔配水管進(jìn)入裝置主體,與裝置內(nèi)水面上的基質(zhì)及其附著生物膜充分接觸,主要利用好氧生物作用去除氨氮和有機(jī)污染物。氧氣不易通過(guò)水面與淹沒(méi)區(qū)中的基質(zhì)接觸,因此,水面下可形成缺氧環(huán)境,為反硝化脫氮提供一定的條件。水平流進(jìn)水模式下,在進(jìn)水區(qū)設(shè)置水平流穿孔配水管,出水區(qū)設(shè)置上部或底部集水,上部出水。污水通過(guò)水平流配水管進(jìn)入裝置主體,與基質(zhì)充分接觸,主要通過(guò)攔截、吸附等物理化學(xué)作用去除污染物。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 垂直流工況下不同進(jìn)出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果

垂直流工況下的護(hù)坡濕地主要適用于未降雨和小雨量的情況,在保證排澇泵站不直接溢流的同時(shí),增加泵站的調(diào)蓄容量,將未溢流的污水處理至一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后排入受納水體。垂直流進(jìn)水工況下,濕地主要利用硝化反硝化等微生物作用和攔截吸附等物理化學(xué)作用去除污染物,因此,不同進(jìn)出水構(gòu)造會(huì)對(duì)影響護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果。如表1所示,本研究共設(shè)1#、2#、3#、4#這4組進(jìn)出水構(gòu)造試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比分析不同進(jìn)出水管設(shè)置對(duì)污染物的去除效果及作用機(jī)制,以期獲得最佳進(jìn)出水構(gòu)造參數(shù)。本研究中裝置采用間歇進(jìn)水,便于濕地復(fù)氧和增加水力停留時(shí)間,水力負(fù)荷為0.8 m3/(m2·d),每日進(jìn)水12次,單個(gè)濕地單元流量為800 L/h,單次進(jìn)水歷時(shí)20 min,連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月,穩(wěn)定后考察進(jìn)出水水質(zhì)。試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)濃度如表2所示。

注:數(shù)值單位為mm。圖1 護(hù)坡濕地裝置Fig.1 Revetment Wetland Device

1.2.2 水平流工況下不同出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果

水平流工況下的護(hù)坡濕地主要適用于降雨量較大的情況,在盡可能控制直接溢流量的同時(shí),最大程度地削減排入受納水體的污染負(fù)荷。水平流進(jìn)水工況與垂直流工況相比,濕地主要利用攔截、吸附等物理化學(xué)作用去除污染物,污水在裝置內(nèi)部的路徑更長(zhǎng),而不同出水構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致污水與裝置內(nèi)部基質(zhì)的接觸情況有所差異,從而影響護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果。如表3所示,本研究共設(shè)1#、2#、3#這3組進(jìn)出水構(gòu)造試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比分析不同出水管設(shè)置對(duì)污染物的去除效果及作用機(jī)制,以期獲得水平流工況下的最佳進(jìn)出水構(gòu)造參數(shù)。本研究中裝置采用連續(xù)進(jìn)水,水力負(fù)荷為6.0 m3/(m2·d),單個(gè)濕地單元流量為1 000 L/h,工況轉(zhuǎn)換前保持各組試驗(yàn)出水水質(zhì)相近且穩(wěn)定。試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)濃度如表4所示。

圖2 進(jìn)水模式Fig.2 Inflow Mode

表1 垂直流工況下不同進(jìn)出水構(gòu)造試驗(yàn)Tab.1 Experiment of Different Inflow and Outflow Structures under Vertical Flow Condition

表2 垂直流工況試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Water Quality of Inflow during Vertical Flow Experiment

表3 水平流工況下不同出水構(gòu)造試驗(yàn)Tab.3 Experiment of Different Outflow Structures under Horizontal Flow Condition

表4 水平流工況試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)Tab.4 Water Quality of Inflow during Horizontal Flow Experiment

1.3 水樣采集與分析

1.3.1 水樣采集方法

垂直流工況試驗(yàn)中,試驗(yàn)裝置在穩(wěn)定運(yùn)行且生物系統(tǒng)構(gòu)建完畢后連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月,穩(wěn)定后連續(xù)一周采樣檢測(cè)裝置進(jìn)出水水質(zhì)。水平流工況試驗(yàn)中,采樣檢測(cè)裝置進(jìn)出水水質(zhì),工況轉(zhuǎn)換前保持各組試驗(yàn)條件一致且出水水質(zhì)穩(wěn)定相近,轉(zhuǎn)換工況后每1 h采樣一次,共6 h,進(jìn)水比出水采樣提前0.5 h。

1.3.2 水樣分析方法

本試驗(yàn)的主要分析指標(biāo)為CODCr、氨氮、TN、TP,其中CODCr采用《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》(HJ 828—2017)測(cè)定,氨氮采用《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測(cè)定,TN采用《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測(cè)定,TP采用《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 垂直流工況下不同進(jìn)出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果

表5和圖3顯示了垂直流進(jìn)水工況下不同進(jìn)出水構(gòu)造條件的護(hù)坡濕地對(duì)污染物去除效果的多組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。CODCr、氨氮、TN、TP在1#～4#組間差異顯著性分別為0.284、0.281、0.000、0.011。

表5 垂直流工況下不同進(jìn)出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果Tab.5 Pollutants Removal by Revetment Wetland with Different Inflow and Outflow Structures under Vertical Flow Condition

圖3 垂直流工況下不同進(jìn)出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果Fig.3 Pollutants Removal by Revetment Wetland with Different Inflow and Outflow Structures under Vertical Flow Condition

由圖3(a)及表5中CODCr的去除情況可知,在出水管高度不變(1#、2#、3#)時(shí),隨著進(jìn)水管長(zhǎng)度的增大,出水水質(zhì)呈現(xiàn)向好的趨勢(shì),去除率逐漸升高,最高可達(dá)45%,當(dāng)平均進(jìn)水水質(zhì)質(zhì)量濃度約為61.3 mg/L時(shí),最佳工況(1#)的出水水質(zhì)質(zhì)量濃度可達(dá)33.7 mg/L(略高于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值)。在保證進(jìn)水管長(zhǎng)一致的條件下,不同出水高度的試驗(yàn)(2#、4#)中,出水管高的試驗(yàn)組對(duì)CODCr的去除率高于出水管設(shè)置較低的。這是進(jìn)水管長(zhǎng)度增加時(shí),裝置內(nèi)部有效體積增加,水面上方更多的基質(zhì)能夠與污水接觸,好氧區(qū)有效體積增加,CODCr的去除率升高;而當(dāng)出水高度降低,整體有效體積減小,雖然好氧區(qū)體積有所增加,但增加的體積較小,對(duì)CODCr的去除作用很小,而且缺氧區(qū)體積顯著減小,反硝化作用對(duì)CODCr的利用率減小,因此,CODCr的去除率降低。整體上,垂直流工況下不同進(jìn)水管長(zhǎng)度和出水管高度對(duì)CODCr去除效果有一定的影響,但并不顯著(p>0.05)。

根據(jù)圖3(b)及表5中氨氮的去除情況,在出水管高度不變(1#、2#、3#)時(shí),隨著進(jìn)水管長(zhǎng)度的增加,氨氮出水濃度逐漸減小,但去除率均保持在90%左右,當(dāng)進(jìn)水平均質(zhì)量濃度為11 mg/L時(shí),出水平均質(zhì)量濃度可達(dá)約1 mg/L(Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值),說(shuō)明該濕地在垂直流工況下對(duì)氨氮的去除效果很好,且進(jìn)水管長(zhǎng)度差異對(duì)于氨氮去除的影響較小。在保證相同進(jìn)水管長(zhǎng)度不變時(shí),不同出水高度的試驗(yàn)(2#、4#)中,兩組濕地對(duì)氨氮的去除率基本一致,不同出水管高度對(duì)氨氮去除影響不大。護(hù)坡濕地在構(gòu)造上設(shè)置了大氣復(fù)氧廊道,在該工況條件下,復(fù)氧充足,對(duì)氨氮的去除效果很好,進(jìn)出水構(gòu)造的調(diào)整對(duì)好氧效率的影響較小(p>0.05)。

由圖3(c)及表5中濕地對(duì)TN的去除情況可知,在不同進(jìn)出水管構(gòu)造條件下,各組濕地對(duì)TN的去除效果差異顯著(p<0.05)。出水管高度不變(1#、2#、3#)時(shí),進(jìn)水管長(zhǎng)度增加,TN去除率增大。當(dāng)進(jìn)水管長(zhǎng)度為3.6 m時(shí),TN去除率可達(dá)43%。進(jìn)水管長(zhǎng)度不變(2#、4#)時(shí),出水管較高的試驗(yàn)組對(duì)TN的去除率大。由于垂直流工況下TN主要通過(guò)反硝化作用去除,在保證較高的硝化效率時(shí),增加出水管高度可以顯著增大缺氧飽和區(qū)體積,增大反硝化作用效率,這與已有研究結(jié)果相一致[7];而當(dāng)進(jìn)水管長(zhǎng)度增加時(shí),缺氧區(qū)上方消耗的氧氣增加,有利于營(yíng)造缺氧環(huán)境,一定程度上增加缺氧反硝化作用的有效體積。

根據(jù)圖3(d)及表5中TP的去除情況,1#對(duì)TP的去除率最高,達(dá)44.3%,能夠?qū)⒘覸類污水處理至Ⅳ類。在不同進(jìn)出水管構(gòu)造條件下,各組濕地對(duì)TP去除效果差異顯著(p<0.05)。當(dāng)出水管高度不變時(shí),進(jìn)水管長(zhǎng)度增加,TP去除率增大;進(jìn)水管長(zhǎng)度不變時(shí),出水管高度較大與較小的試驗(yàn)組對(duì)TP去除率基本一致。人工濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除主要依靠基質(zhì)攔截、吸附等物化作用[8],因此,當(dāng)保證均勻配水時(shí)進(jìn)水管長(zhǎng)度的增加能顯著增大污水與基質(zhì)的有效接觸體積,從而促進(jìn)對(duì)磷的去除。

2.2 水平流工況下不同出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果

根據(jù)表6所示數(shù)據(jù),水平流工況下不同出水構(gòu)造的濕地CODCr平均出水濃度相近,在進(jìn)水質(zhì)量濃度為56.50 mg/L時(shí),出水平均濃度可達(dá)到接近V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值,對(duì)CODCr的去除率約為30%,說(shuō)明在該工況條件下出水構(gòu)造對(duì)CODCr去除的影響較小。同時(shí)如圖4(a)所示,護(hù)坡濕地的出水CODCr濃度隨時(shí)間呈逐漸上升的趨勢(shì),而轉(zhuǎn)換為水平流工況后的前3 h,各組濕地對(duì)CODCr的去除率基本保持在35%左右,第4 h和第5 h的去除率顯著降低,去除率降至約20%后保持不變。這是在該工況下濕地主要利用物化作用和好氧分解去除污水中有機(jī)物,因此,在轉(zhuǎn)換為水平流工況后,在開(kāi)始階段濕地內(nèi)基質(zhì)的吸附能力和氧含量處于較好的階段,去除率基本保持不變,而在3 h后,基質(zhì)的吸附能力和濕地內(nèi)的氧含量降低,基質(zhì)對(duì)CODCr的去除能力顯著下降且在5 h后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。CODCr、氨氮、TN、TP在1#～3#組間差異顯著性分別為0.896、0.053、0.000、0.004。

表6 水平流工況下不同出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果Tab.6 Pollutants Removal by Revetment Wetland with Different Outflow Structures under Horizontal Flow Condition

由圖4(b)和表6中氨氮的去除情況可知,設(shè)置底部和出水高度處集水的濕地(2#)對(duì)氨氮的去除效果總是保持最佳,僅設(shè)置出水高度處集水的試驗(yàn)組(3#)次之,水平流工況下不同出水構(gòu)造對(duì)氨氮的去除效果影響顯著(p≈0.05)。氨氮的出水濃度隨時(shí)間增加而逐漸增大,在該時(shí)間段內(nèi)最佳工況的平均出水濃度可達(dá)Ⅳ類,去除率則相反,從90%左右逐漸減小至80%以下,最佳工況的平均去除率可達(dá)86%。在水平連續(xù)流工況條件下,氨氮的去除效果由好氧硝化作用和基質(zhì)的吸附作用共同影響。而氨氮的去除負(fù)荷大于TN的去除負(fù)荷,說(shuō)明氨氮更多地通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而得以去除。設(shè)置出水高度處集水可以使污水更多與裝置上方好氧區(qū)的基質(zhì)接觸,但僅設(shè)置上部集水會(huì)導(dǎo)致出水高度以下存在大片死水區(qū),基質(zhì)的吸附作用降低,從而使氨氮的去除率降低。

由表6中TN的去除情況可知,水平流工況下不同出水構(gòu)造對(duì)TN去除效果的影響顯著(p<0.05),去除率排序:2#(底部+出水高度處集水)>1#(底部集水)>3#(出水高度處集水)。2#的平均去除率最高,為25.5%。TN的去除主要依賴反硝化作用、微生物同化作用、基質(zhì)吸附等,不同的出水構(gòu)造造成污水在淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間不同,與基質(zhì)的接觸體積不同,所以,同時(shí)設(shè)置底部和出水高度處集水時(shí)污水與基質(zhì)和微生物接觸的有效體積最大,能有效提高對(duì)TN的去除效果。根據(jù)圖4(c)中TN去除率的變化趨勢(shì),各組濕地對(duì)TN的去除率均呈先升高后下降的趨勢(shì),2#的去除率從開(kāi)始約20%升高,在第4 h升至30%以上,后降至約25%。這是由于隨著時(shí)間增加,一方面裝置內(nèi)部氧氣含量降低,反硝化作用有所增強(qiáng),另一方面微生物同化和基質(zhì)吸附作用逐漸降低,使TN去除率下降。

根據(jù)圖4(d)及表6中TP的去除情況,水平流工況下不同出水管構(gòu)造的各組濕地對(duì)TP去除效果差異顯著(p<0.05),其中1#(底部集水)和2#(底部+上部集水)對(duì)TP的平均去除率相近,約15%,高于3#(出水高度處集水)。研究[9]表明,礦渣和粉煤灰等鈣素含量較高的堿性基質(zhì)對(duì)磷素的去除有很好的效果。在護(hù)坡濕地系統(tǒng)中靠近下部集水處填充有部分高爐渣,能夠加強(qiáng)對(duì)磷的吸附,因此,當(dāng)僅設(shè)置上部集水時(shí),污水與該部分基質(zhì)接觸減少,TP的去除負(fù)荷降低。

圖4 水平流工況下不同出水構(gòu)造的護(hù)坡濕地對(duì)污染物的去除效果Fig.4 Pollutants Removal by Revetment Wetland with Different Outflow Structures under Horizontal Flow Condition

3 結(jié)論

(1)垂直流工況下,采用進(jìn)水管水平長(zhǎng)度為3.6 m(占污水處理區(qū)水平長(zhǎng)90%)、出水管高度為0.65 m(占污水處理區(qū)高度81.25%)的1#濕地對(duì)CODCr、氨氮、TN、TP的去除效果均表現(xiàn)最優(yōu)。在此進(jìn)出水構(gòu)造下,護(hù)坡濕地對(duì)污染物CODCr、氨氮、TN、TP的去除率為45.0%、91.5%、42.6%、44.3%。

(2)水平流工況下,采用底部和出水高度處集水的2#濕地對(duì)于各項(xiàng)污染物表現(xiàn)出最佳的去除效率。在此出水構(gòu)造下,護(hù)坡濕地對(duì)污染物CODCr、氨氮、TN、TP的去除負(fù)荷分別為103.0、46.79、15.64、0.41 g/(m2·d)。

(3)垂直流工況下護(hù)坡濕地對(duì)各項(xiàng)污染物的去除率顯著大于水平流工況,而去除負(fù)荷則相反。因此,垂直流工況主要適用于旱天或降雨量較小時(shí)泵站未溢流或溢流量較小的情況,可按要求將溢流前污水處理至一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)排放;水平流工況主要適用于泵站溢流時(shí)處理流量較大的情況,可實(shí)現(xiàn)最大程度削減溢流污染負(fù)荷。