组合人工湿地对污水处理厂尾水中有机物的去除特征

组合人工湿地对污水处理厂尾水中有机物的去除特征

1不同形态有机物的去除效果近年来，随着太湖经济的快速发展，水资源不足，水环境污染日益突出。2007年5月底，太湖蓝藻的大规模暴发，严重危及无锡饮用水安全。因此，必须有效控制太湖污染。现阶段，市污水处理厂通常采用二级生物处理技术。虽然它可以减少许多污染物，但对于具有有限自净能力和污染的水体，二级生物处理水中的污染物浓度仍然很高，对自然水体也有污染。同时，由于二级处理技术本身的限制，废水中的污染物浓度无法显著降低（grayetal.a.1999）。众所周知，全世界的州都含有大量的有机物。当污水通过天然水体时，有机污染物会被生物氧化，大量消耗的水解氧（do）会降低。因此，有机污染物是控制水污染的重要指标之一。作为一种典型的生态处理技术，人工湿地具有效率高、投资少、能耗低、维护简单等特点（邹taal.，1999）。作为传统生物处理的补充，人工湿地处理系统可以尽可能减少所需物质的负荷。一直以来,关于人工湿地对污水中有机物去除效果的研究主要通过分析CODCr和BOD5的变化来实现,而关于人工湿地对水体中不同形态有机物去除特征的研究还鲜有报道.近几年,三维荧光光谱(excitation-emissionmatrix,EEM)已广泛用于海洋、河流、湖泊等地表水中有机物特征的研究中(Stedmonetal.,2003;Jiangetal.,2008;Baker,2002;Cammacketal.,2004;Zhaoetal.,2008),同时,在污水处理研究中也有应用(郝瑞霞等,2007;李卫华等,2008).因此,本文以无锡城北污水厂组合人工湿地处理系统作为试验平台,通过对不同处理单元进出水CODCr和BOD5及其不同有机碳组分含量进行分析,并应用三维荧光光谱分析人工湿地进出水溶解性有机质(DOM)的三维荧光特征,以评价该组合人工湿地系统对尾水中有机物的去除效果并探讨其可能的机理.2材料和方法表面活性剂2.1组合人工湿地试验地点是位于锡城东北部锡沙线东风桥堍的无锡市城北污水处理厂,该污水处理厂主要收集无锡市水系上游部分城中片区、山北片区和锡北片区及西漳南部片区的生活污水,另外,也有一部分工业污水被纳入.该污水处理厂采用组合人工湿地对二沉池出水进行深度处理,组合人工湿地由表流人工湿地单元和潜流人工湿地单元组成.表流湿地单元设计为三级串联,每级之间采用溢流出水;潜流湿地沿水流方为两级串联,均采用池底均匀布水的垂直上升流形式.不同单元具有不同的床体结构和污染物降解功能,各单元的基本结构表述参考文献(蒋岚岚等,2009).该组合人工湿地示范工程自2008年3月建成,到目前一直稳定运行.本实验期间采用正常进水负荷,即为1500t·d-1,总停留时间为32h.2.2水样分析与测定方法从2009年4月3日到6月6日,每隔1周采集1次水样,共10次,CODCr采用重铬酸钾法测定,BOD5采用稀释与接种法测定,NH+4-N采用纳氏试剂光分光度法测定,NO-3-N采用紫外分光光度法测定,TN采用碱性过硫酸钾消解、紫外分光光度法测定,TP采用过硫酸钾消解法-钼锑抗分光光度法测定,具体方法参照《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局,2002).水样中总有机碳(TOC)测定:水样静置24h后,上清液直接用TOC分析仪(TOC-VCPNAnalyzer,日本岛津)测定;水样中溶解性有机碳(DOC)测定:用0.45μm膜过滤之后,加酸调至pH<2,直接用TOC分析仪测定(在7d内测定);水样中颗粒态有机碳(POC)为TOC与DOC的差值.DOM三维荧光光谱采用HITACHIF4500型荧光光度计测定,测定DOM之前,用0.45μmWhatmanGF/F膜过滤进行预处理.水样用去离子水稀释10倍.仪器光源为150W氙灯,光电倍增管电压为700V,激发和发射狭缝宽度均为10nm.激发波长λex与发射波长λem扫描范围分别为200～400nm及250～550nm,扫描速度为12000nm·min-1.3结果结果3.1cocdr、nh+4-n、no-3-n、tn、tp的测定人工湿地进水为城北污水处理厂的尾水(二沉池出水),在本次试验期间,虽然其水质指标基本可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准和江苏省太湖地方标准(表1).但相对于地表水而言,其对受纳水体的污染负荷仍然较高.尾水经过组合人工湿地处理以后,CODCr、BOD5、NH+4-N、NO-3-N、TN和TP出水值明显降低,平均去除率分别为35.2%、44.37%、40.52%、34.25%、45.59%、53.49%.按照国家地表水环境质量标准(GB38382-2002),出水CODCr平均值为21.1mg·L-1,属于Ⅳ类(CODCr值在20～30mg·L-1之间属于Ⅳ类);出水BOD5平均值为4.83mg·L-1,属于Ⅳ类(BOD5值在4～6mg·L-1之间属于Ⅳ类);出水TP平均值为0.19mg·L-1,属于Ⅲ类(TP值在0.1～0.2mg·L-1之间属于Ⅲ类);出水NH+4-N平均值为0.31mg·L-1,属于Ⅱ类(NH+4-N值在0.15～0.5mg·L-1之间属于Ⅱ类).这说明所构建的组合人工湿地对污水厂尾水具有较好的深度处理效果,可以有效削减对受纳水体的污染负荷.3.2不同潜流湿地对污水中有机物的去除效果如图1所示,组合人工湿地进水中CODCr平均值为32.7mg·L-1,表流湿地出水中CODCr平均值为28.1mg·L-1,潜流湿地出水中CODCr平均值为21.1mg·L-1.该组合人工湿地系统对尾水中CODCr的平均去除率为35.2%,其中,表流湿地对CODCr的去除贡献率平均为14.3%,潜流湿地对CODCr的去除贡献率平均为21.0%.由图2可知,组合人工湿地进水中BOD5平均值为8.64mg·L-1,表流湿地出水中BOD5平均值为7.14mg·L-1,潜流湿地出水中BOD5平均值为4.83mg·L-1.该组合人工湿地系统对尾水中BOD5的平均去除率为44.4%,其中,表流湿地对BOD5的去除贡献率平均为17.7%,潜流湿地对BOD5的去除贡献率平均为26.7%.由以上分析结果可知,组合人工湿地对尾水中BOD5值的削减率要高于CODCr,潜流湿地对CODCr及BOD5的削减率要明显高于表面流湿地.BOD/COD的比值表示污水的可生化性,人工湿地进水、表流湿地出水、潜流湿地出水中的BOD/COD值分别为0.264、0.254、0.228,表明经过组合人工湿地处理后,污水的可生化性依次降低.从图1和图2还可以看出,第5、6、7次采样与其他几次采样数据有明显的不同,表流湿地对CODCr和BOD5的削减效果与其他几次采样相比相差很多,其对CODCr和BOD5的削减率明显降低.这主要是由于5月份气温的持续升高,导致了表流湿地中藻类的疯长,影响了湿地对CODCr和BOD5的去除效率.在5月20日藻类打捞完毕后,表流湿地恢复了对进水CODCr和BOD5的去除效果,去除贡献率明显提升.与表流湿地相比,潜流湿地单元几乎没有受到藻类滋生的影响,其对CODCr和BOD5的去除效果比较稳定,出水水质没有产生太大的波动,说明潜流人工湿地对污染物负荷冲击的承受能力较强.藻类疯长对CODCr的影响较小,对BOD5去除率的影响较大,在表流人工湿地中BOD5甚至没有被削减.这可能是由于表流湿地中藻类大量繁殖,藻类新陈代谢及死亡过程中释放出了大量的有机物,致使表流湿地中有机物的去除率降低.但是,藻类释放的这些有机物很可能是可生物降解的有机物,所以,能够在后续的潜流人工湿地中被微生物有效地分解利用,使其能够被很好地去除,再加上潜流人工湿地中的基质和植物根系对藻类有截留、吸附作用,因此,出水中有机物能够得到进一步的削减.3.3不同湿地单元对尾水中各有机碳组分的去除效果组合人工湿地进出水总有机碳(TOC)以及溶解性有机碳(DOC)和颗粒型有机碳(POC)浓度变化如图3所示.由图3可知,组合人工湿地进水中TOC、DOC和POC平均值分别为12.8、7.00和5.81mg·L-1.经过组合人工湿地系统处理后,出水中TOC浓度为5.7～9.3mg·L-1,平均去除率为46.9%;出水中DOC浓度为5.7～9.3mg·L-1,平均去除率为46.9%;出水中POC浓度为2.5～4.4mg·L-1,平均去除率为48.3%.组合人工湿地对尾水中不同有机碳组分的去除效果受藻类影响很大,在藻类疯长的时间段中(5月中旬),整个组合人工湿地处理系统对尾水中有机碳组分去除作用大大降低.由图3d还可明显看出,不同处理单元对尾水中有机碳组分去除效果存在显著差异(p<0.05).表流湿地对TOC、DOC和POC的平均去除贡献率分别为15.6%、13.1%和18.5%;而潜流湿地对TOC、DOC和POC的平均去除贡献率分别达到31.4%、32.8%和29.8%,说明潜流湿地单元对尾水中有机碳组分的去除效果明显优于表流湿地.特别是在藻类疯长期间,表流湿地单元对尾水中不同有机碳组分的去除率相当低,有时甚至为负值;而潜流湿地单元的去除率却较好,出水TOC、DOC和POC含量相对较为稳定.人工湿地进水中DOC占TOC的比例为50.72%～58.54%,平均为54.81%;表流湿地出水中DOC占TOC的比例为51.93%～60.12%,平均为56.50%;潜流湿地出水中DOC占TOC的比例为48.43%～62.14%,平均为55.73%,表明尾水中有机碳组分特征经过人工湿地处理后将会发生改变.3.4不同有机碳组分与cocdr和bod5的关系目前,在水质监测中,有机物特征指标主要是CODCr和BOD5.然而,CODCr和BOD5测定程序较为繁琐,测定时间也较长,实际操作比较困难.本文通过有机碳分级技术,将水体中有机碳分成TOC、DOC及POC.为了弄清楚水体中不同有机碳组分与传统CODCr和BOD5指标之间的关系,本文将以上所测得的数据进行了相关分析,结果见表2.从表2可以看出,所采集的水样中CODCr和BOD5与不同有机碳组分含量之间呈现显著正相关关系(p<0.05,p<0.01),特别是DOC含量与CODCr和BOD5的相关系数分别达到0.854和0.912(p<0.01).由此可见,经过045μm微孔滤膜过滤后的水样有机碳含量基本上可以反映水体中化学需氧量和可生化需氧量,为今后简化水体有机物特征指标的监测提供了依据.相较而言,POC与CODCr和BOD5的相关系数较小,但仍可达到显著水平(p<0.05),这也说明水体中POC的化学氧化性和可生化性较差.3.5人工湿地roinb-固沙组合hs人工湿地sa的荧光特征分析图4为第4次采样(4月22日)时人工湿地各个处理单元进出水DOM的三维荧光图谱.从图4可以看出,各处理单元中的DOM三维荧光图均有4个非常明显的荧光峰,其相对位置基本未变.根据Coble(1990)研究结果,图4中的A峰为紫外类富里酸,中心位置(λex/λem)为(250～260)nm/(380～480)nm;E峰为类腐殖质,中心位置(λex/λem)为(350～440)nm/(430～510)nm;T峰、S峰均为类蛋白荧光物质,T峰为溶解性微生物代谢产物,中心位置(λex/λem)为(270～280)nm/(320～350)nm,S峰为色氨酸类芳香族蛋白质,中心位置(λex/λem)为(220～230)nm/(320～350)nm.从图4可以明显看出,类蛋白荧光强度和紫外类富里酸荧光强度相对较高,类腐殖质荧光强度较弱.从表3可以看出,经过人工湿地处理后,T、S、A、E这4个峰的荧光强度都有不同程度的削减,分别降低了10.9%、16.8%、22.0%和15.2%,组合人工湿地对紫外类富里酸物质(A峰)有较强的去除作用.组合人工湿地各个单元对DOM都有不同程度的削减,表流湿地单元对DOM的削减作用明显要高于潜流人工湿地单元.研究表明,类蛋白峰能很好地表征水环境的污染状况,一般生活污水或微生物活动强烈的水体都可以表现出极强的类蛋白荧光(Fuetal.,2005).从图4可以看出,湿地进水中类蛋白T峰荧光强度很高,这可能是由于污水厂进水主要来自生活污水,其中就含有大量的类蛋白物质,并且污水经过Orbal氧化沟生物处理后,污水中微生物数量增加,微生物代谢产物增多,导致进水中T峰的荧光强度较高.尾水经过人工湿地深度处理后,T峰的荧光强度有所下降,水质有所改善.S峰为色氨酸类芳香族蛋白质,从表3中可以看出,荧光峰S的荧光强度不是很高,说明水体中的苯环类物质较少,并且经过人工湿地处理后,其含量进一步降低.此外,IT/IS值能够反映类蛋白质的结构组成,也可以作为污水的荧光特征之一.Sheng等(2006)研究指出,含工业废水比例较大的城市污水IT/IS值约为1.31,生活污水的IT/IS约为1.6.本文中人工湿地进水主要为生活污水,也