两级人工湿地用于村镇污水脱氮的长期运行特性研究-

1、生态环境学报 2011, 20(3: 515-520 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金项目:国家自然科学基金项目(U0833002,广东省自然科学基金项目(07300080作者简介:杨璇(1987年生,女,山西太谷县人,硕士研究生,主要从事水污染控制研究。E-mail: yangxuan0322 *通信作者:石雷。E-mail: shilei9899 两级人工湿地用于村镇污水脱氮的长期运行特性研究杨璇,石雷暨南大学环境工程系/广东省普通高校水土环境毒害性污染物防治与生物修复重点实验室, 广东 广州 510632摘要:对沙田人

2、工湿地稳定运行后的情况进行了长达6 a 的监测,探讨了不同流态的两级潜流人工湿地长期运行的脱氮效能、不同形态氮的空间转化规律和几种主要影响因素。研究表明,在整个运行期间人工湿地的脱氮能力呈现低-高-低的变化趋势,这个过程的发生和湿地内部堵塞物的累积关联密切。在华南地区,季节变化对湿地脱氮的影响依然十分强烈:一方面,体现为季节温差对脱氮效果的明显影响,低温月份采用低负荷方式运行,TN 去除率也仅有36.0%47.6%,而高温期采用高负荷的运行方式,大多数月份TN 去除率也能达到45.4%以上;另一方面,季节性雨量的不同会引起进水质量浓度的变化,导致湿地系统TN 负荷率的改变,进而显著影响脱氮效果

3、。有机氮、NH 3-N 、NO 2-N 、NO 3-N 在湿地内部存在明显的转化迹象,沿流程随着有机物的大量消耗,NO 3-N 去除能力逐渐下降并在湿地的末端出现了累积现象。通常情况下,由于采用了跌水曝气等措施,DO 在湿地内的大部分区域都维持了较高水平,未对脱氮效果产生明显不利影响。 关键词:人工湿地 村镇污水 脱氮 长期运行中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号:1674-5906(201103-0515-06人工湿地近年来在城乡各类污水处理中得到了大量的研究和应用1-3,其具有的高效、低耗、投资省、适用范围广等诸多优点,非常适合用于村镇的污水处理。国内外学者从湿地基质4、微生物5

4、-6、植物7-9、工艺控制参数10-11等各方面对人工湿地污水处理技术进行了广泛而深入的研究,大多数研究结果表明人工湿地去除有机污染物是高效的12-13。随着水体富营养化治理的需要,人工湿地在氮去除方面的研究和应用也已蓬勃展开14-17,但这些研究多基于中、小试规模的短期运行数据,不同研究者所得到的污染物去除率相差很大;尽管也有湿地长期运行的报道18-19,但具有实际意义的潜流湿地脱氮的长期生产运行监测数据报道较少,有关生产运行中的多级潜流湿地脱氮效果沿流程变化的研究也鲜见。针对典型的村镇污水,了解氮的长期去除特性以及在湿地内部的变化状况,对探究人工湿地脱氮机制、工程设计及实际应用十分重要,为

5、此,本试验以实际生产运行的两级潜流人工湿地为研究对象,连续6 a 时间考察了湿地对氮的动态去除效果、沿程形态的变化及主要环境因素的影响,以期为提高人工湿地环境治理效益提供科学依据。1 材料和方法1.1 水质水量本研究在深圳沙田人工湿地进行,该湿地位于深圳市龙岗区坑梓镇,于2001年11月正式投入运行,经过近半年的调试和植物驯化,2002年5月达到稳定运行状态。沙田人工湿地处理的是受污染的田脚河河水,属工业、生活混和污水。人工湿地设计处理规模5000 m 3·d -1。原污水的水质、水量随季节和气候等条件波动较大,监测初期流量最小时不足2000 m 3·d -1,最大时可达1

6、0000 m 3·d -1以上。在6 a 的监测期内,随着附近居民区和企业数量的增加,原水的水量增加明显,至2008年日均水量已达10000 m 3·d -1以上。原水水质检测结果见表1。 1.2 工艺流程及植物分布沙田人工湿地系统由预处理单元、湿地单元和污泥处理单元组成,其平面布局如图1所示。主体工艺为两级潜流型人工湿地:一级湿地(占地4800 m 2,采用水平流形式,首端布水槽布水,填料为粒径3050 mm 的碎石,厚度100 cm ;二级湿地为垂直下向流形式(占地4640 m 2,穿孔管架表1 田脚河原污水水质检测结果Table 1 Monitoring result

7、 and means of Water Quality of Tianjiao river检测项目(CODcr/(mg·L -1 (BOD 5/(mg·L -1 (TN/(mg·L -1(NH 3-N/(mg·L -1(NO -3-N/(mg·L -1 (NO -2-N/(mg·L -1PH检测值 110250 4080 12210 10120 1.0405.0 8.09.0516 生态环境学报第20卷第3期(2011年3月空滴洒布水,填料为粒径432 mm的碎石,厚度80 cm。湿地各单元植物分布情况如下:7-A再力花(Thalia

8、 dealbata,7-B荻(M. sacchariflorus,7-C芦苇(Ph. australis Trin,7-D荻、水葱(S.tabernaemotani Gmel,8-A和8-B荻、美人蕉(Canna indica,8-C 美人蕉,8-D荻、纸莎草(Cyperus papyrus。1.3 湿地系统运行沙田湿地所在的深圳地区地处赤道的边缘,属热带海洋性气候,累年月平均温度统计结果见表2,其春、夏、秋3季月平均气温均接近或高于20 ,只有冬季的十二月份和一、二月份气温相对较低,这样的气候条件对人工湿地的运行十分有利,但也会在一定程度上影响运行效果。因此,本湿地采用两种模式运行:411月

9、份高水力负荷运行,1、2、3、12月份采用低水力负荷运行。1.4 监测分析方法现场监测于2002年5月开始,至2008年4月止,历时六年。其中,2002年的监测期是512月,丰水期占主体,原水各种污染物的质量浓度较低;而2008年是14月,枯水期为主,原水污染物质量浓度较高。受地面降水的影响,平均进水质量浓度在低水力负荷期略高于高水力负荷期。在河道进水口、布水槽、一级湿地中间溢流堰、一级湿地末出水堰、二级湿地出水口分别设置a、b、c、d、e 5个取样点(图1。常规采样,每周一次。特定项目监测,按需要随时进行。此外,分别选择2003年、2005年和2007年,在温度较为稳定、降雨量较少的12月份

10、对湿地系统内氮素的形态变化进行了监测;2003年10月进行了湿地沿程溶解氧的测定,测定期间采用了兼性调节塘回流的运行方式,取样点位于水面下15 cm。其中,一级湿地中部的溢流堰在堰口上下两侧,一级湿地末端堰口上和二级湿地滴洒布水后分别取样监测。各项水质指标监测按水和废水监测分析方法(第四版。2 结果与讨论2.1 湿地系统脱氮效果的时间变化规律2.1.1 湿地系统脱氮效果的逐年变化规律从图2可见,随着流域范围内企业和居民数量的增加,低水力负荷期除2004年外进水质量浓度 1.集水井2.污泥浓缩池3.初沉池4.污泥脱水机房5.配电室及值班室6.兼性调节塘7.一级湿地8.二级湿地图1 沙田人工湿地平

11、面图Fig. 1Plan Layout of Shatian Constructed Wetland表2 沙田人工湿地水力负荷及月平均气温统计Table 2 Statistics of hydraulic load and monthly average temperature in Shatian constructed wetland月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 累年月平均温度/13.1 14.3 18.0 22.1 25.5 27.1 28.3 27.9 26.8 23.5 19.1 15.0 水力负荷/(m·d-1 0.10.3 0.10.3 0

12、.10.3 0.30.50.30.50.30.50.30.50.30.50.30.5 0.30.5 0.30.50.10.3杨璇等:两级人工湿地用于村镇污水脱氮的长期运行特性研究 517总体呈上升趋势;但在高水力负荷期受降雨等多种因素的影响,这种趋势不明显。高水力负荷期。监测的前4年,湿地内的植物和微生物随着环境适应性的增强、生长稳定性的提高,种类和生物量均明显增加,湿地对污染物的处理能力因此得到了提高,TN的去除率呈逐步上升趋势,从2002年的43.9%提高到了2005年的56.5%。但随着运行时间的延长,湿地系统内部的固相沉积物不断累积,2005年起湿地系统前端和过水流量较大的部位逐渐出现

13、了明显的堵塞和短路现象,有效处理容积减小和流程缩短的影响开始显现,TN处理能力也因之略呈下降趋势,至2008年降至50.9%,但仍明显高于2002年的运行初期。低水力负荷期。就华南地区而言,本水期是一年之中人工湿地运行最不利的季节,但在采用了降低负荷运行的情况下,湿地系统TN去除率稳定在44.3%到50.2%之间,与运行条件较好的高水力负荷期去除率相当,说明采用降负荷方式应对季节变化的影响是行之有效的。而且对比两个水期的TN去除率可以看出,低水力负荷期达到了更好的系统稳定性即便在环境条件不利的情况下。从两图的标准差值可以看出,TN去除率的波动总体呈减小的趋势,说明湿地系统运行的稳定性在运行期内

14、有所提高,这主要出于两方面的原因:其一,随着河道水量的逐年增大,原水TN质量浓度的变化幅度有所降低;其二,随着湿地生态系统生物数量和复杂程度的提高,各生物相处理污水的能力更趋于稳定。2.1.2 人工湿地脱氮效果的逐月变化规律季节因素是气温、微生物活性和植物长势等的综合体现,随着季节的变化,人工湿地对TN的去除率有较大的波动。从图3可以看出,在1、2、12月份,尽管水力负荷已降至很低,有时甚至采用了兼性调节塘或一级湿地出水回流至集水井的运行调节措施,TN 的去除率仍然不高,仅为36.0%47.6%;但在其他月份,3月和59月的平均TN去除率达到了45%以上,6月份甚至高达61.17%。分析其原因

15、,从表2累年月平均气温数据可以看到,1、2、12月份的当地月平均气温不足15 ,加之雨量稀少,植物生长减缓;湿地系统中一般多以中温性微生物为主,较低的环境温度会降低其活性,这些因素都会使微生物脱氮的效率下降。其他的9个月,当地的月平均气温在18 以上,雨量充沛,植物生长旺盛,基质中微生物的活性也较高,因此湿地系统获得了较高的TN去除率。随季节更迭,当地降雨量变化显著,湿地进水中各种氮素污染物质量浓度波动较大,湿地的脱氮能力与此关联密切:在高负荷运行期,4、10、11月份的TN去除率分别为40.8%、41.6%和41.6%,明显低于其它月份,而这3个月与其他月份最为显著的差别是降雨量少,进水TN

16、质量浓度较高,导致了系统的TN负荷率较高。全年中,3月是进水TN质量浓度最高的月份,达到了66.6 mg·L-1,但TN平均去除率却达到了52.6%的较高水平,究其原因,3月份的气温和植物长势不及411月份,在 考察体系中唯一的有利因素就是当时采用的是低0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.001月3月5月7月9月11月(TN/(mgL-120.0030.0040.0050.0060.0070.00去除率/%去除率图3 不同月份人工湿地TN去除结果曲线Fig. 3 Monthly variation curve of TN removal (A高水力负荷期

17、(B低水力负荷期图2 人工湿地对TN去除结果年度变化曲线Fig. 2 Annual variation curve of TN removal result518 生态环境学报 第20卷第3期(2011年3月水力负荷的运行方式,导致了湿地总体的TN 负荷率较低。综上可以推断,污染物负荷率是湿地脱氮的一个重要影响因素,如何确定其合理的取值范围是系统高效稳定运行的关键。2.2 氮在湿地系统内的形态变化规律图4是各种氮素在湿地中的质量浓度变化曲线,其中,有机氮因当地监测条件所限,采用TN 与其它形式氮差值的方法计算。由结果可知,污水的总体组成和变化规律较为一致,河道原水中的氮主要以NH 3-N 形式

18、存在,约占TN 的60.0%93.6%,其次为NO -3-N 和有机氮,NO -2-N 最少。 已有的研究表明,人工湿地脱氮的途径主要有3种:植物吸收、氨氮挥发和微生物生物脱氮。由图4可知,TN 质量浓度在湿地系统内呈持续下降的趋势,且存在明显的相互转化迹象,符合微生物脱氮的一般规律。在预处理段(a-b,可溶性TN 占了总量的93.7%,沉淀池、兼性调节塘的脱氮效果不理想,TN 去除率仅为11.1%;但有机氮质量浓度降低和氨氮质量浓度升高十分明显,说明两者之间发生了形态的转换,有机氮大量转化成了氨氮。在一级湿地上半段(b-c,碳源和DO 均较为充足,各形态氮质量浓度均有不同程度的降低,相关研究

19、表明,这种条件下植物吸收会对脱氮有所贡献,但非常有限,主要是微生物脱氮的结果,甚至存在着同步硝化和反硝化作用20。在一级湿地下半段(c-d,TN 去除率有所降低,随着NH 3-N 质量浓度的降低,NO -3-N 出现了少量累积;此时的有机氮质量浓度略有上升,大概是由于当时7-D 单元植物的大量枯萎、腐烂,溶入水体影响了出水的水质。在二级湿地(d-e,TN 去除率达33.3%,明显高于一级湿地的16.3%。究其原因:一方面,有学者研究表明湿地后部具有更高的硝化/反硝化菌群数量20,这些部位理应具有更好的脱氮能力;另一方面,湿地改变了流态,垂直流的形式更有利于脱氮。但同样在该段,随着NH 3-N

20、质量浓度的降低,NO -3-N 质量浓度显著上升,并出现了大量的积累。当时对二级湿地进水的CODcr/TN 和DO 进行了监测:CODcr/TN 仅为2.91,电子供体明显不足;而DO 的进水值较高,但出水值已趋近于零,考虑到污水流程、植物根系分布的不均匀性,可推断二级湿地下层应该存在大量的厌氧/缺氧微环境,不会因此限制反硝化过程的进行,因而C/N 较低应该是二级湿地硝化/反硝化过程的重要限制性因素。 2.3 脱氮效果的一些关键影响因素人工湿地脱氮除受污染物负荷、温度、植物长势等影响外,碳源、pH 值、DO 等也会对处理能力产生影响,所以本研究也对此进行了跟踪。 2.3.1 碳源对脱氮效果的影

21、响2003年810月沙田人工湿地月平均气温为2925.1 ,植物总体长势稳定,河水CODcr 、TN 等水质指标变化幅度较大,我们对这段时间湿地系统进水C/N 与TN 去除率进行了对比统计,结果见图5。由图可知,当进水C/N 由0.7提高到8.4时,其平均去除率由35.3%上升到了58.6%,C/N与湿0204060801000.51.52.53.54.55.56.57.58.5(CODcr /(TN T N 去除率/%图5 湿地系统C/N-TN 去除率关系图Fig. 5Relation between C/N-TN remvoal rate of the CWs0.005.0010.0015

22、.0020.0025.0030.0035.0040.0045.00abcde/(m g ·L -10.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.00ab c d e/(m g ·L -10.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.00/(m g ·L -1图4 湿地系统内氮素沿程变化曲线 Fig. 4 Variation curve of nitrogen in the CWs杨璇等:两级人工湿地用于村镇污水脱氮的长期运行特性研究 519地脱氮效能的关联度非常高。C/N 在小于3.5时对脱氮

23、的影响最为显著,此时随着C/N 的提高TN 去除率上升十分明显;而当C/N 小于2.8时,TN 去除率的波动性明显增大,说明此时碳源问题已明显影响了湿地系统脱氮的稳定性。此外,同期还监测了碳氮比的沿程变化,由图6可知,C/N 在湿地系统中呈下降的趋势,至二级湿地进水已不足3.0,这必定很难满足反硝化过程对碳源的需要,极易使反应难以彻底进行而形成NO -3-N 的累积,这个推论被图4的监测结果所证实。所以合理提高湿地后半程污水中的C/N 值将有助于系统脱氮效率的提升。 2.3.2 pH 值对脱氮效果的影响 pH 值是人工湿地脱氮的重要环境因素之一。表3为枯水期湿地系统各部位的pH 值监测结果。本

24、湿地的pH 值大致处于7.08.0之间,沿程缓慢下降,出水仍呈微弱的碱性。各种湿地植物在此条件下均获得了十分旺盛的生长,说明对这样的生境较为适应。一般在自然环境中pH 值>8.0才有可能造成NH 3-N 的大量挥发21,本湿地显然未达到这样的条件;而本湿地的pH 值范围恰好处于硝化/反硝化细菌最适pH 值区间,十分有利于湿地系统的微生物脱氮作用。 2.3.3 DO 对脱氮效果的影响湿地的长期运行结果显示:夏季一般当湿地进水DO 值高于3.5 mg·L -1时,系统对TN 可获得高而稳定的去除率,而当DO 值较低时,TN 去除率下降明显且波动性增大;在秋、冬季则需要更高的进水DO

25、 质量浓度,因为在枯水期,不仅进水的污染物质量浓度明显高于夏季,而且随着气温的降低,植物的生理活动开始减弱,污水进入湿地后随着DO 的大量消耗,随机监测结果显示一般至一级湿地的下半段DO 值便已接近于零水体处于缺氧或厌氧状态,这将导致湿地系统后半段脱氮能力的显著下降。如果这种情况持续时间较过长,填料内会产生并积聚大量的H 2S 、NH 3,在湿地内即可闻到强烈的刺激性气味,甚至发生植物根系的腐烂,严重影响植物的正常生长,进一步影响湿地的脱氮能力。由此可见,如何提高湿地系统的溶解氧水平是实现高效脱氮的关键。在本湿地系统中,布水槽、一级湿地中间的溢流堰、一级湿地末端的出水堰、二级湿地滴洒式布水管等

26、均可以产生跌水曝气作用。由表3的沿程监测结果可知,这些位置的跌水曝气作用效果明显,使大部分监测点位污水的DO 值达到了2.0以上,保证了硝化反应的顺利进行。3 结论(1本湿地在6年的监测运行过程中,前半段随着微生物种类的丰富和生物量的增长,TN 去除率逐渐上升;但后半期,固相沉积物的过度累积导致了明显的填料堵塞和水流短路现象,TN 去除率随之出现了下降的趋势。 (2在本湿地所在的华南地区,季节变化仍然是影响脱氮效果的重要因素。低温少雨的1、2、12月份,即使采用低水力负荷运行,TN 去除率仍处于较低的水平;311月份是一年中湿地系统脱氮效率较高的时期。 (3从湿地沿程各形态氮素质量浓度变化趋势

27、看,不同形态的氮存在明显的转化迹象,验证了硝化/反硝化作用是湿地脱氮的重要途径之一。 (4碳源是本湿地脱氮效果的重要影响因素之一,沿流程随着有机物的不断去除,在湿地后半部分出现了电子供体不足,形成了硝态氮的累积,一定程度上限制了TN 的脱除。(5pH 值和DO 通常也是湿地脱氮的重要影响因素,本湿地水质一直呈微碱性,较有利于植物生长和生物脱氮的进行。在合理的运行调控措施保证下,湿地内部监测点位的DO 值只要保持在2.0 mg·L -1以上,即可获得良好稳定的脱氮效果。参考文献: 1 ZHANG Dongqing, GERSBERG M R, KEAT T S. Constructed

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29、口 1.50±0.35 7.95±0.41布水槽 6.95±0.21 7.85±0.18溢流堰 3.40±0.56/4.90 ±0.33 7.71±0.17 一级湿地末 2.05±0.84/5.50±0.62 7.52±0.13 总出水 0.05±0.04 7.28±0.08溢流堰和一级湿地末DO 结果“/”前后分别为跌水前后监测值520 2 VYMAZAL J. Horizontal sub-surface flow constructed wetlands Ondrejo

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