基于3d-mikem的潛流人工濕地深度處理污水處理廠尾水溶解有機(jī)物特征研究

基于3d-mikem的潛流人工濕地深度處理污水處理廠尾水溶解有機(jī)物特征研究

人工濕地處理技術(shù)即使城市污水處理廠的廢水穩(wěn)定達(dá)到a級排放標(biāo)準(zhǔn)，也是重要的水源。城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中含有大量溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM),其中含有一些難于被生物吸收降解的有毒有害成分有機(jī)物,當(dāng)直接排入地表水體以后,會(huì)由于被生物氧化進(jìn)而大量消耗水中的溶解氧(DO),造成水體惡臭。同時(shí),對水生生物也會(huì)造成生態(tài)毒性,并危害人體健康。因此,有機(jī)物的削減是城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理的重要考核指標(biāo)之一。人工濕地作為一種常用的生態(tài)處理技術(shù),具有效率高、投資及能耗低、維護(hù)簡單的特點(diǎn),可以適應(yīng)低濃度污染物去除要求,將人工濕地處理系統(tǒng)作為常規(guī)生物處理工藝的補(bǔ)充,能夠最大限度地削減受納水體的污染物負(fù)荷。近年來,利用人工濕地對尾水深度處理的相關(guān)研究已有一些報(bào)道,對尾水中有機(jī)物的去除效果往往只是采用傳統(tǒng)的表觀有機(jī)物指標(biāo)如COD等進(jìn)行評價(jià),這些指標(biāo)很難反映人工濕地處理在尾水處理過程中各類溶解有機(jī)物組成和含量的變化特征。三維熒光光譜(3D-EEM)是近年來廣泛用于研究DOM熒光性質(zhì)的一種分析技術(shù),同時(shí)也是一種新型的水質(zhì)分析方法,三維光譜圖中熒光峰的位置可定性指示熒光物質(zhì)的類型和性質(zhì),熒光光譜以水中各類有機(jī)物的特征熒光強(qiáng)度之和表示水中熒光類有機(jī)物的綜合含量,以特征熒光峰中心最大熒光強(qiáng)度作為表征水中某類溶解性有機(jī)物含量的指標(biāo),與傳統(tǒng)表征有機(jī)物含量的水質(zhì)參數(shù)相比,不僅能反映有機(jī)物的濃度,同時(shí)還可以提供有機(jī)物組成成分的信息。但是,目前關(guān)于人工濕地處理城鎮(zhèn)污水廠尾水過程中DOM的三維熒光特征研究還鮮有報(bào)道。本文通過人工濕地小試裝置,采用三維熒光光譜掃描(3D-EEM)技術(shù),研究了城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中有機(jī)物在兩種不同基質(zhì)潛流人工濕地中的光譜特征變化,以評價(jià)和探討潛流人工濕地系統(tǒng)對尾水中有機(jī)物的去除效果及其可能的機(jī)理。1實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行水質(zhì)選擇水力負(fù)荷較高的水平潛流濕地系統(tǒng)作為研究平臺(tái)。濕地裝置材料采用厚度為10mm的PVC硬質(zhì)塑料板,尺寸均為長×寬×深=1.55m×0.4m×0.8m。填料填充高度為0.7m,有效水深0.6m,植物栽種密度為16株·m-2。進(jìn)水采用穿孔管布水,經(jīng)過粒徑30~50mm礫石布水區(qū)進(jìn)入濕地填料床。出水經(jīng)粒徑30~50mm礫石收水區(qū)進(jìn)入底部穿孔管,流出濕地系統(tǒng),試驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置共2套,分別為陶?；|(zhì)(CW-1)和沸石基質(zhì)濕地系統(tǒng)(CW-2),濕地植物皆為黃菖蒲(Irispseudacorus)。小試裝置構(gòu)建于2009年11月,啟動(dòng)初期采用崇明城橋污水處理廠生活污水接種,啟動(dòng)期間間歇運(yùn)行,日均換水45L。2010年3月初人工濕地開始正式運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)用水取自上海市崇明縣城橋鎮(zhèn)污水處理廠的二沉池出水,試驗(yàn)期間(2010年4月—2010年12月)進(jìn)水主要污染物濃度分別為:CODcr46.4~82.7mg·L-1;TN4.51~11.3mg·L-1;TP0.502~0.711mg·L-1;NH3-N0.716~3.0mg·L-1,其平均C/N比為8.36。由此可以看出,該污水廠尾水除了CODcr有超標(biāo)外,其他各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠污水排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。潛流人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行2個(gè)月穩(wěn)定期后,沿程和不同深度各取樣點(diǎn)開始采集水樣,每月取樣1次,并立即帶回實(shí)驗(yàn)室分析。水樣中CODcr采用重鉻酸鉀法測定;水樣中溶解性有機(jī)碳(DOC)測定:水樣用0.45μm膜過濾之后,加酸調(diào)至pH<2,直接上TOC分析儀測定(TOC-VCPNAnalyzer,日本島津);其他常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。DOM三維熒光光譜采用HITACHIF4500型熒光光度計(jì)測定,測定之前,用0.45μmWhatmanGF/F膜過濾進(jìn)行預(yù)處理。考慮到濕地進(jìn)、出水中DOM較地表水明顯要高,水樣用去離子水稀釋10倍。儀器光源為150W氙燈,光電倍增管電壓為700V,激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10nm。激發(fā)波長λex與發(fā)射波長λem掃描范圍分別為200~400nm及250~550nm,掃描速度為12000nm·min-1。2結(jié)果與討論2.1不同基質(zhì)人工濕地對cod、ro兩種不同類型基質(zhì)潛流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水有機(jī)物濃度(以CODcr和DOC來表示)以及平均去除率如圖2所示。由圖2可明顯看出,兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對污水廠尾水中有機(jī)物均具有較好的深度凈化能力,而且隨季節(jié)變化明顯。除試運(yùn)行階段(3月份)外,陶粒和沸石基質(zhì)人工濕地出水COD均低于30mg·L-1,穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),其平均去除率分別為63.0%和60.2%。與CODcr類似,陶粒和沸石兩種基質(zhì)潛流人工濕地對尾水中DOC也具有較好的去除效果,其去除率分別達(dá)到73.2%和66.9%,人工濕地出水DOC濃度較為穩(wěn)定,均低于5mg·L-1。通過比較發(fā)現(xiàn),陶?；|(zhì)人工濕地對污水廠尾水中有機(jī)物的去除效果總體略高于沸石基質(zhì)人工濕地,特別是對尾水中DOC的去除作用,陶粒基質(zhì)人工濕地較沸石基質(zhì)濕地高出10.6%,這可能與不同基質(zhì)濕地所蘊(yùn)含的與有機(jī)物降解相關(guān)的微生物生物量與群落結(jié)構(gòu)差異有關(guān)系。2.2m峰和t峰的熒光強(qiáng)度水平潛流人工濕地采樣點(diǎn)水樣中溶解性有機(jī)物的EEMs圖譜見圖3所示。在進(jìn)水中可以分辨出有四個(gè)熒光峰出現(xiàn),分別是可見類富里酸M、紫外類富里酸A、類色氨酸S和類色氨酸T。分析EEMs數(shù)據(jù)中四個(gè)特征峰的出峰位置及熒光強(qiáng)度變化(表1)可看出,出水中M峰的相對熒光強(qiáng)度分別降低了19.15%和13.58%,S峰降低了3.51%和2.17%,T峰降低了10.67%和12.64%,而A峰幾乎沒有發(fā)生變化。M峰和T峰的熒光強(qiáng)度在沿程上逐漸減小,M峰和T峰基本上全都是在人工濕地的前1/2段被削減,S峰呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。S峰和T峰屬于類蛋白物質(zhì),其中S峰為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì),T峰為溶解性微生物代謝產(chǎn)物;M峰和A峰屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì)。有研究表明,類蛋白峰能很好的表征水環(huán)境的污染狀況,一般生活污水或微生物活動(dòng)強(qiáng)烈的水體都可以表現(xiàn)出極強(qiáng)的類蛋白熒光,因此可以把S和T峰的削減視為有機(jī)污染物在濕地系統(tǒng)中的分解去除作用。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),雖然T峰是溶解性的微生物代謝產(chǎn)物,但是還是能夠被濕地中的植物、微生物所分解利用,S峰的熒光強(qiáng)度并沒有明顯的減小,這可能是因?yàn)樯彼犷惙枷阕宓鞍踪|(zhì)不能夠?yàn)闈竦刂形⑸锼到饫?。M峰為可見類富里酸,A峰為紫外類富里酸物質(zhì),都屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì),M峰熒光強(qiáng)度的明顯降低說明了潛流人工濕地系統(tǒng)只對類腐殖質(zhì)中的可見類富里酸具有削減作用。一般來說,類腐殖質(zhì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難于分解,較難被生物利用,而本研究中人工濕地系統(tǒng)對其卻有較好去除作用。2.3濕地出水污染程度與熒光指數(shù)f50/500對富里酸芳香性的影響熒光指數(shù)(fluorescenceindex,f450/500)可表征DOM中腐殖質(zhì)的來源。f450/500是指激發(fā)光波長Ex為370nm時(shí),熒光發(fā)射光譜在450與500nm處強(qiáng)度比值。McKnight等提出,陸源DOM和生物來源DOM這兩個(gè)端源f450/500值分別為1.4和1.9。本研究中人工濕地進(jìn)出水的f450/500值分別為1.84(進(jìn)水)、1.91(CW-1出水)、1.81(CW-2出水)(表2),說明濕地水樣中的腐殖質(zhì)主要為生物來源。同時(shí),熒光指數(shù)f450/500與富里酸芳香性成負(fù)相關(guān),較高的f450/500值揭示了濕地出水中腐殖類物質(zhì)芳香性較弱,含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)較少。一些研究認(rèn)為類蛋白熒光強(qiáng)度與可見區(qū)類富里酸熒光強(qiáng)度比r(S,M)一般可以反映水體的污染情況。r(S,M)計(jì)算公式為r(S,M)=IS/IM其中IS和IM分別為類蛋白熒光強(qiáng)度和可見區(qū)類富里酸熒光強(qiáng)度。各點(diǎn)的r(S,M)值見表2。r(S,M)值在1.13~1.40之間。而研究受污染河流DOM的r(S,M)一般大于1.5,說明濕地進(jìn)出水的污染程度不高。紫外類富里酸熒光強(qiáng)度與可見區(qū)類富里酸熒光強(qiáng)度比值r(A,M)是一個(gè)與有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)和成熟度有關(guān)的指標(biāo),r(A,M)值受有機(jī)質(zhì)分子的大小、溶液pH值等因素影響。r(A,M)計(jì)算公式為r(A,M)=IA/IM其中FA和FM分別為紫外類富里酸熒光強(qiáng)度和可見區(qū)類富里酸熒光強(qiáng)度。r(A,M)值如果發(fā)生變化,說明在DOM中至少含有兩種類型的富里酸熒光基團(tuán)。如果只含有一種基團(tuán),則r(A,M)應(yīng)該為一定值。系統(tǒng)各點(diǎn)r(A,M)見表2,r(A,M)值發(fā)生了變化,說明系統(tǒng)進(jìn)出水DOM中不止含有一種富里酸熒光基團(tuán)。腐殖化指數(shù)(HIX)可以用于估算有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度或成熟度,HIX是H/L的比值,定義為波長254nm激發(fā)下,發(fā)射波長在435~480nm(H)與300~345nm(L)波段內(nèi)的熒光強(qiáng)度平均值的比率。濕地中各點(diǎn)的HIX見表2,可見HIX值均小于4,說明人工濕地進(jìn)出水腐殖化程度都較低,濕地中的有機(jī)物有可能來自于微生物的生命活動(dòng)和死亡分解。3潛流人工濕地的熒光指標(biāo)(1)本研究所構(gòu)建的兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對城鎮(zhèn)污水廠尾水中有機(jī)物具有較好的深度凈化作用,對尾水中DOC和CODcr的去除率分別達(dá)到61.6%和70.1%,且存在明顯的季節(jié)變化,說明水平潛流人工濕地對尾水中有機(jī)物的去除效率與溫度關(guān)系密切。陶粒基質(zhì)潛流人工濕地對DOC的去除率要明顯優(yōu)于沸石基質(zhì)潛流人工濕地。(2)濕地進(jìn)水中表征出4類溶解性有機(jī)物,色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)S、溶解性微生物代謝產(chǎn)物T、可見類富里酸M、紫外類富里酸物質(zhì)A。經(jīng)過人工濕地凈化處理后,出水中M峰、S峰、T峰的相對熒光強(qiáng)度都有不同程度的降低,A峰幾乎沒有發(fā)生變化;