人工濕地在高負(fù)荷下運(yùn)行的運(yùn)行效果分析

人工濕地在高負(fù)荷下運(yùn)行的運(yùn)行效果分析

云南省池塘是受污染的高原湖泊之一。近年來(lái)，因河流入云南，大量城市和農(nóng)業(yè)廢水通過(guò)河流進(jìn)入云南省的污染負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了自凈能力。因此,亟需對(duì)污染河水進(jìn)行處理以削減入湖污染物總量。根據(jù)凈化地點(diǎn)的不同,河水的凈化技術(shù)主要分為兩種:一種為原位凈化技術(shù),包括河道底泥疏浚、生態(tài)修復(fù)、人工增氧、生態(tài)浮床、投加藥劑等,主要用來(lái)凈化污染較輕或水量較小的河水,其見(jiàn)效快,針對(duì)性強(qiáng);另一種為旁路凈化技術(shù),包括人工濕地、穩(wěn)定塘等,其對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng),處理量大,且不受泄洪或航運(yùn)影響。人工濕地是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種污水凈化技術(shù),具有效率高、投資低、運(yùn)行費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn),在昆明地區(qū)已有應(yīng)用。但處理污染較嚴(yán)重的河水且負(fù)荷較高時(shí),濕地易出現(xiàn)堵塞、去除效率降低等問(wèn)題。筆者采用低溶解氧接觸氧化/微曝氣人工濕地組合工藝處理污染較重的河水,考察了其除污效率和運(yùn)行的穩(wěn)定性。1工程概況海河發(fā)源于昆明東北郊的白沙河水庫(kù),全長(zhǎng)約17.5km,是昆明市郊一條重要的河流,流域面積約40km2,由于沿途接納了大量的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)田污水,自經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以下的河段已屬地表水劣Ⅴ類(lèi)水體。在海河入湖河口區(qū)有一個(gè)文化旅游景點(diǎn),其每天產(chǎn)生約3000m3的生活污水并直接排入海河。試驗(yàn)抽取生活污水排放口附近的污染河水進(jìn)行凈化研究。2材料和方法2.1垂直流人工濕地的制備接觸氧化反應(yīng)器采用鐵質(zhì)材料焊接而成,容積為3m3,平均分為4格,前3格裝填YDT彈性立體填料,第四格為沉淀區(qū)(見(jiàn)圖1),污水從第一格一側(cè)底部進(jìn)入,從另一側(cè)上部小孔進(jìn)入第二格,再同樣沿對(duì)角線進(jìn)入第三格,最后從第四格沉淀出水。前三格每格布設(shè)4個(gè)曝氣頭進(jìn)行微量曝氣。垂直流人工濕地由不銹鋼制成,尺寸為4m×1.4m×1.7m,采用石灰石作為填料,直徑為2～3cm,填充厚度為1.3m,出水水位為1.5m;上種菖蒲,平均株高為0.5m,密度為20棵/m2。接觸氧化反應(yīng)器出水從濕地底部進(jìn)入,同時(shí)在進(jìn)水管中布設(shè)了穿孔曝氣管,曝氣系統(tǒng)分6個(gè)區(qū),由時(shí)間控制器控制各區(qū)依次輪換曝氣(見(jiàn)圖2)。2.2水力負(fù)荷及風(fēng)力負(fù)荷原水(水質(zhì)見(jiàn)表1)由水泵從海河直接抽入反應(yīng)器,流量為4～12m3/d,總水力負(fù)荷為0.53～1.58m3/(m2·d)。COD、氨氮、TN、TP等指標(biāo)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定,生物膜厚度采用顯微鏡測(cè)定。3結(jié)果與分析3.1預(yù)處理單元的運(yùn)行及效果目前人工濕地在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)預(yù)處理工藝的設(shè)計(jì)還不夠重視,然而預(yù)處理的效果與濕地能否穩(wěn)定運(yùn)行密切相關(guān)。童巍等指出對(duì)懸浮物的截留與生物膜的生長(zhǎng)是造成濕地堵塞的主要原因;詹德昊的研究結(jié)果表明,濕地中的有機(jī)質(zhì)含量越高則基質(zhì)的滲透系數(shù)越小,而有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于原水中的有機(jī)污染物。因此采用高效、節(jié)能的預(yù)處理設(shè)施降低原水中的懸浮物與有機(jī)污染物濃度,對(duì)濕地系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。本研究采用了接觸氧化作為預(yù)處理工藝,它主要依靠填料上附著的生物膜降解污水中的污染物,具有產(chǎn)泥量小、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)中對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了分格設(shè)計(jì),以充分發(fā)揮各菌群對(duì)不同污染物的凈化效能。為了降低系統(tǒng)的能耗,對(duì)接觸氧化反應(yīng)器進(jìn)行了限量曝氣,控制各格的DO為0～2mg/L。系統(tǒng)從2006年10月運(yùn)行到2007年5月,水溫為5～27℃,由于溶解氧較低,生物膜呈黑褐色,表層透光部分有藻類(lèi)生長(zhǎng)。生物膜的平均厚度為700～800μm,是傳統(tǒng)好氧生物膜厚度的2～3倍,且黏度大,不易脫落。預(yù)處理單元對(duì)SS、COD的去除效果穩(wěn)定(見(jiàn)圖3、4),平均去除率分別為86.2%和57.4%。1月—3月的進(jìn)水SS、COD濃度高且波動(dòng)大,但出水水質(zhì)較為穩(wěn)定,說(shuō)明在低溶解氧條件下,系統(tǒng)對(duì)懸浮物及有機(jī)污染物的去除效果穩(wěn)定,對(duì)氣溫及水質(zhì)波動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。與傳統(tǒng)接觸氧化工藝相比,該工藝的能耗較低,滿足作為人工濕地預(yù)處理工藝的要求。3.2濕地微織物的制備溶解氧是限制硝化效率的主要因素,Claudiane等通過(guò)曝氣有效提高了水平流濕地在冬季的脫氮效果,Nivala等在采用人工濕地處理垃圾滲濾液的過(guò)程中,通過(guò)改造曝氣系統(tǒng)使對(duì)氨氮的去除率從40%提高到90%以上。但曝氣會(huì)增加人工濕地的運(yùn)行成本,而將微量曝氣應(yīng)用于實(shí)際工程又有一定的技術(shù)難度,故筆者開(kāi)發(fā)了一套輪換式微曝氣系統(tǒng)。試驗(yàn)中將垂直流人工濕地的曝氣管路分為6個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)曝氣10min,依次輪換,這樣就可以降低總曝氣量,而每個(gè)區(qū)的曝氣量則保持在適中的水平,從而有利于工程應(yīng)用,并使曝氣更為均勻。對(duì)濕地內(nèi)部溶解氧的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖5,其中0min為曝氣時(shí)刻。由圖5可知,0～60cm高度的溶解氧逐漸升高,而60～100cm高度的DO下降明顯,原因可能是植物根系提供了較大的比表面積,因而能附著較多的微生物,導(dǎo)致耗氧量增加。停止曝氣后溶解氧有所下降,但仍保持在0.5～1.8mg/L之間,可以保證硝化反應(yīng)的進(jìn)行。微曝氣系統(tǒng)使?jié)竦貎?nèi)的溶解氧水平得到明顯改善,同時(shí)氣體的沖刷作用還可以避免懸浮物及脫落的生物膜沉積在底部而造成堵塞,增強(qiáng)了濕地運(yùn)行的可持續(xù)性。3.3微曝氣垂直流人工濕地的硝化過(guò)程一般來(lái)說(shuō),由濕地植物去除的氮≤15%,而硝化/反硝化作用被認(rèn)為是人工濕地除氮的最主要途徑。由于潛流人工濕地中主要是厭氧環(huán)境,反硝化速率明顯高于硝化速率,故硝化反應(yīng)是脫氮的限制步驟。本試驗(yàn)通過(guò)增加微曝氣系統(tǒng)使垂直流人工濕地的溶解氧條件得到改善,硝化效率明顯提高,在氣水比為1∶1的條件下進(jìn)水氨氮負(fù)荷可達(dá)15g/(m2·d),對(duì)氨氮的平均去除率為89.6%(見(jiàn)圖6)。通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量可以發(fā)現(xiàn),出水溶解氧越高則垂直流人工濕地對(duì)氨氮的去除率越大(見(jiàn)圖7),說(shuō)明濕地內(nèi)部的硝化效果與DO濃度密切相關(guān)。對(duì)TN的去除率隨著溶解氧的升高先增加后下降,這是因?yàn)槿芙庋踉礁邉t氧氣對(duì)生物膜的穿透力越強(qiáng),生物膜內(nèi)部的厭氧區(qū)域減少,造成反硝化速率降低,成為脫氮的限制步驟。相比之下,在出水DO為2～4mg/L時(shí)對(duì)TN的平均去除率最大(40.6%),因?yàn)榇藭r(shí)濕地內(nèi)部的DO濃度梯度變化最大,在輪換曝氣的過(guò)程中,好氧與缺氧的微環(huán)境會(huì)在不同的空間及時(shí)間上交替出現(xiàn),當(dāng)氧氣充足時(shí)微生物吸收氨氮進(jìn)行合成代謝,完成硝化過(guò)程;而在缺氧的環(huán)境中微生物會(huì)以硝酸鹽作電子受體,從而完成反硝化過(guò)程,當(dāng)硝化與反硝化達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)脫氮效率最高。人工濕地的基質(zhì)類(lèi)型對(duì)除磷效果的影響較大,本試驗(yàn)選用了當(dāng)?shù)剌^為常見(jiàn)的石灰石作為基質(zhì),其主要成分為CaCO3。原水中55.9%的磷為可溶性磷酸鹽,經(jīng)過(guò)預(yù)處理后出水TP降低,可溶性磷酸鹽略有升高(見(jiàn)表2),說(shuō)明預(yù)處理主要通過(guò)沉淀作用去除部分不溶性磷,同時(shí)有一部分不溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽。后續(xù)微曝氣垂直流人工濕地對(duì)TP的去除率為40%,主要依靠石灰石釋放的鈣與磷酸鹽反應(yīng)使磷得以去除。同時(shí)濕地內(nèi)部會(huì)交替出現(xiàn)好氧和厭氧環(huán)境,聚磷菌在厭氧條件下吸收低分子的有機(jī)物,同時(shí)將體內(nèi)的磷釋放出來(lái);在好氧條件下則將所吸收的有機(jī)物氧化(提供能量),同時(shí)從污水中超量吸磷并以聚磷的形式儲(chǔ)存起來(lái),實(shí)現(xiàn)了生物除磷。另外,植物吸收也是磷的去除途徑之一。試驗(yàn)中出水磷濃度偏高,這可能與系統(tǒng)停留時(shí)間短(導(dǎo)致吸附不夠充分)有關(guān),有條件的情況下可以后接水平潛流濕地等工藝以進(jìn)一步降低磷的含量。4垂直流人工濕地的tn的去除效果采用低溶解氧接觸氧化與微曝氣垂直流人工濕地的組合工藝處理滇池的入湖污染河水,預(yù)處理工藝的設(shè)置大大降低了沖擊負(fù)荷,減少了后續(xù)濕地的堵塞風(fēng)險(xiǎn),反應(yīng)器內(nèi)的生物膜在低溶解氧條件下對(duì)SS、COD的去除效果穩(wěn)定,說(shuō)明以降解有機(jī)物為主的異養(yǎng)菌群對(duì)溶解氧的適應(yīng)范圍廣。新型輪換式微曝氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用使垂直流人工濕地中的溶解氧環(huán)境得到極大改善,當(dāng)氨氮負(fù)荷<15g/(m2·d)時(shí),對(duì)其平均去除率達(dá)到了89.6%,硝化效果明顯提高。TN的去除主要依靠濕地內(nèi)部的硝化/反硝化過(guò)程,溶解氧梯度隨