人工湿地冬季运行保温技术研究

人工湿地冬季运行保温技术研究

1人工湿地的发酵人工湿地是20世纪70年代末研究的一种污水处理技术。与传统方法相比，具有效率高、成本低、易操作、运营成本低等特点。这是一种应用前景的废水处理技术（harber，1999；kivai，2001；solao等人，2004）。然而，在冬季寒冷的情况下，不仅影响湿地处理对污染物的影响（ber无关等等，2002），而且污染物的清除效率显著降低（koson等人，2002）。此外，也存在一些不利结果，如压缩层、床体缺损和管道破裂等。因此，在我国北方、人工湿地的广泛应用和城市生活污水的处理。冬季的保温措施是不可避免的（黄相峰等，2008）。目前国内外已有对低温条件下人工湿地污水处理技术的研究,例如在加拿大,与人工湿地技术的实际操作联系最紧密的一个问题就是低温环境;雒维国等(2005)通过在植物表面覆盖保温材料和降低水力负荷,促进NH4+-N的硝化;刘学燕等(2004)将人工湿地设计成具有防冻、高氧传送功能的反应结构,使得该人工湿地在温度低于4℃时也能进行硝化反应;Wallance等(2003)则提出了采用隔离降低热量损失的方法改善湿地处理效能(雒维国等,2005;刘学燕等,2004;Wallanceetal.,2003).不少学者针对低温环境下,人工湿地的运行和保温方法做了大量的研究工作,但是还缺少对于不同保温方法的保温效果的对比研究.特别是还没有将薄膜和覆盖植物相结合对人工湿地进行保温的研究.本试验在2008—2009年和2009—2010年的冬季,对人工湿地采用3种保温措施———冰封法、温室大棚和薄膜法,对比进行试验,验证不同保温措施的保温效果和在农村地区推广应用的价值.2材料和方法表面活性剂2.1季平均气温预处理试验区域设在北京市顺义区一中学校园北部(冬季平均气温为-5~2℃),于2007年正式建成,处理的污水来源于经一体化生化预处理后(陈德强等,2003)的学生宿舍和食堂污水.2.2人工湿地内的植物选择人工湿地系统为总尺寸50m×50m的方形系统,深1m,在其内部包含了多级串联的并联湿地处理单元.湿地单元四周采用360mm砖墙、防水毯整体焊接护围.底部平整设坡,坡度采用1%~2%.湿地床体结构由防水毯、填料、湿地植物、集配水系统及排空管构成.床体自下而上各层填料的分布为夯实粘土、防水土工膜、土壤、不同粒径和功能的砾石级配区.一级至四级人工湿地潜流总长度25m,径流速度9.9~12cm·h-1左右.各级砾石粒径结构为一级湿地床填料粒径φ10~40mm,厚度0.83m;二级湿地床填料粒径φ10~30mm,厚度0.81m;三级湿地床填料粒径φ10~40mm,厚度0.79m;四级湿地床填料粒径φ5~30mm,厚度0.77m.人工湿地内种植植物的选择,结合北京的气候特点以及本地的野生植物种类,人工湿地内主要种植了芦苇(Phragmitesaustralis)和香蒲(Typhaelatifolia)(Chenetal.,2008).具体种植情况:上行流潜流单元内种植香蒲、芦苇、慈姑(Sagittariasagittifolia);下行流和水平流潜流单元内种植芦苇;进入氧化塘前的上行流潜流单元内种植芦苇和香蒲;曝气槽和氧化塘内种植水葫芦(Eichhorniacrassipes).植物种植密度约为27株·m-2.人工湿地分为东西两个处理系统.如图1所示.2.3潜流湿地在冬季的使用该人工湿地系统于2007年建设完成,并进行初期试运行.本试验分两阶段进行,2008年10月至2009年1月31日,2009年10月至2010年1月31日,采取序批式间歇式运行(周健等,2007;陈德强等,2003;Greenetal.,1997),每天人工湿地中进水10h,水力负荷保持在0.3m3·m-2·d-1.每星期取1次水样进行检测,取水点为人工湿地进水口、曝气池和人工湿地出水口.在人工湿地系统中,每个处理单元中都增加了4个曝气管,管道垂直通向处理单元底部,使床体具有呼吸功能,增加床体溶解氧的含量,进而促进硝化作用(雒维国等,2005;Ouellet-Plamondonetal.,2006;Munozetal.,2006).试验中,人工湿地采用潜流的方式运行,因为潜流湿地对水的处理以及微生物群落的存在都是在表面基质以下,而且蒸发与对流造成的热损失小(董婵等,2006),从而与外界寒冷的空气相隔绝(Wittgrenetal.,1997),所以潜流湿地在冬季低温地区使用更具有优势,是设计时的首选(陈晓东等,2007).在保温措施中,作为对照试验,在东西两个处理系统中采用不同的保温措施,在第一年试验中西系统采用冰封的方法,将处理单元内的水位升高,在外界低温的作用下结成冰层后,再将处理单元内的水位降低,使得冰层和基质之间形成一个空气层,起到保温的作用(FrancescoMorarietal.,2009;刘学燕等,2004).东系统采用温棚的方法.先将植物地上部分收割后移出湿地,在原有的处理池上搭建温棚,在大棚上铺上草席;温棚上的草席在白天天气晴朗时掀起,使得阳光直接照射到温棚中,提高温棚内的温度,但是揭开草席后有可能使得温棚内温度下降,所以一般情况下是在天气晴朗的时候进行;第二年的试验中,根据前一年的监测结果,将西系统的冰封保温措施换成薄膜保温的方法,将已经凋谢的植物收割后,铺在处理单元内(彭焘等,2007;申欢等,2007;张显龙等,2005;Sikoraetal.,1995),约40cm厚.再在植物层上铺塑料薄膜,薄膜四周压紧,在薄膜中事先预留出曝气管的出口,使曝气管在冬季也可以起到曝气作用.2.4水质指标的测定监测的水质指标为水温、COD、NH4+-N、TN和TP.温度用温度计进行测量,COD、NH4+-N、TN和TP根据《水和废水水质监测方法》(第4版)进行检测.2.5数据分析本实验中,所得数据呈正态分布,符合软件要求.数据分析采用SPSS16.0软件,对出水水质进行单因素方差分析.3结果和分析结果3.1人工湿地的tp去除效果变化对氮磷的去除是大多数人工湿地的首要问题(Chenetal.,2008;Luederitzetal.,2001;Vyazal,2005),垂直流人工湿地系统磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化学作用和微生物的同化作用以及植物摄取作用(Verhoevenetal.,1999).试验中经检测发现,每年10月份将植物收割后,系统都有磷元素释放的现象发生.2008—2009年冬季采用冰封和温棚的方法对人工湿地处理单元进行保温,检测结果显示冬季低温的环境对于TP的去除效果影响比较大.温棚出水中的TP含量总体上低于冰封的出水TP含量(图2a).温棚保温的东系统出水中,TP含量为1.5~2.5mg·L-1,去除率为30%左右(图2b);在用冰封保温的西系统中,出水中TP含量波动较大,出水中TP含量为2mg·L-1以上,去除率在10%~30%之间.2009—2010年冬季,采用薄膜和温棚的保温方法.薄膜保温的西系统出水TP含量(除去磷释放现象)为1.5mg·L-1以下(图3a),检测期间去除率在19%~70%之间波动(图3b),出水TP含量波动也比较大.温棚保温东系统的出水TP含量和去除率与第一年的去除效果基本一致.利用薄膜保温的出水中,虽然TP的去除率波动范围比较大,但是在试验的大多数时间中,薄膜出水中TP的含量低于温棚保温的东系统.经SPSS16.0分析后(表1),2008—2009年冬季,冰封和温棚出水中TP含量没有显著性差异;2009—2010年冬季,薄膜出水中的TP含量与温棚具有显著性差异(p<0.05).冬季将植物收割后,植物对磷元素的吸收作用基本消失,人工湿地中基质的吸附作用和微生物降解是TP去除的最主要方法,所以处理单元中基质温度的高低决定了TP的去除效果.3.2温棚系统tn的变化结果氮元素的去除主要依靠微生物的降解作用,而在低温环境中,微生物的生物活性会受到限制,所以保温效果的好坏直接影响到氮元素的去除.2008—2009年冬季直到11月中旬,出水中TN的含量冰封与温棚保温两个系统都相差不大.但是随着气温逐渐下降,两个系统的出水中TN含量差别逐渐显现.在结冰盖系统中,进入12月后TN的去除率普遍下降,出水中TN含量在10月为25mg·L-1(图4a),去除率达40%以上,此后TN含量逐渐上升达到40mg·L-1,去除率也下降到20%~30%,最低降至11.37%;而温棚保温系统出水TN含量基本保持在25~35mg·L-1,去除率在40%以上(图4b),出水中TN的含量比较稳定,未出现较大波动;单因素方差分析发现,温棚保温系统与冰封系统对TN处理效果差异性显著(表2),由此说明温棚保温系统对TN的去除效果优于冰封系统.2009—2010年冬季,将冰封保温法换成薄膜保温法.由图3可知,薄膜保温系统出水中TN含量在30mg·L-1以下(图5a),去除率为40%~60%(图5b),出水中TN含量比较稳定.温棚出水中TN去除率低于薄膜保温系统,去除率在30%~45%左右(图5b),出水中TN含量为25~35mg·L-1(图5a);单因素方差分析发现(表2),薄膜保温系统和温棚系统对TN处理的效果差异性显著(p<0.05);说明薄膜保温系统对TN的去除效果优于温棚系统.在第二年的试验中,温棚保温的湿地系统处理效果有所下降,可能与当年的异常低温有关.3.3温棚出水中nh4+-n的含量变化潜流式人工湿地的脱氮机理主要通过水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径被去除(雒维国等,2006).通常情况下,NH4+-N的去除主要通过挥发、介质吸附和硝化反硝化3个途径实现,低温下通过植物吸收和土壤挥发去除的NH4+-N量大大减少,使得NH4+-N去除率低于TN去除率(Vymazaletal.,2005).所以提高NH4+-N的去除效果需要污水与空气进行充分的接触.在本实验中,人工湿地处理污水过程中,在处理池中装有曝气管,使得底层基质与空气接触,可以起到曝气作用.在进水中,NH4+-N的含量有比较大的波动,但是在东西两个系统中NH4+-N在出水中的含量都比较稳定.2008—2009年试验中,温棚出水中NH4+-N含量为20mg·L-1左右(图6a),去除率为45%左右(图6b);在冰封的系统中,出水中NH4+-N含量略高,达到25mg·L-1左右,去除率在20%~30%之间波动.在采取冰封保温措施之后,冰层对于曝气管的通气作用会有一定的影响,是导致NH4+-N的去除效果不佳的原因之一.2009—2010年在西系统中使用薄膜保温法.薄膜保温出水中氨氮含量大多数情况下在20mg·L-1以下(图7a),去除率在35%以上(图7b),最高达到60%.在温棚保温系统中,氨氮去除效果与上一年的效果基本一致,去除率在30%~40%之间波动,氨氮含量为25mg·L-1左右.在试验开始阶段,11月1日和15日出现过气温骤降,氨氮的去除率也出现较大幅度的下降,说明氨氮的去除与温度有关.在随后的试验中,随着保温系统稳定的发挥作用,氨氮的去除效果受室外气温的影响逐渐降低.在薄膜保温系统中,氨氮的去除效果好于温棚保温的东系统.对于NH4+-N的去除效果,2008—2009年冬季温棚和冰封的去除效果没有显著性差异,2009—2010年冬季更换薄膜后,薄膜保温的出水中NH4+-N含量与温棚出水的NH4+-N含量具有显著性差异(表3).3.4温度棚保温去除cod的效果变化.污水中的COD的去除主要通过介质吸附和介质表面的生物膜对有机物进行降解而实现,在介质吸附饱和后,生物膜活性主要影响COD的去除(宋勇生等,2003).在2008—2009年的试验中,冰封的系统出水COD为50—70mg·L-1(图8a),去除率比较低,基本上维持在20%左右(图8b),去除率最低时只有16%.温棚保温的人工湿地出水水质比冰封的系统好,出水中COD比冰封的出水低10mg·L-1左右,而且温棚系统出水中COD比较稳定,但是COD的去除率相比夏季也有大幅度下降,维持在30%~40%之间.2009—2010年冬季,在薄膜保温的西系统中,出水COD含量在50mg·L-1左右(图9a),去除率为30%~45%(图9b),薄膜保温的处理单元出水中COD含量也比较稳定,COD去除率比冰封和温棚的去除率高.在冬季保温期间,温棚出水中COD含量为60mg·L-1左右,去除率在10%~30%之间.与上一年相比,去除效果有所下降.表4中可以看出,温棚保温对COD的去除效果比冰封好,两者之间具有显著性差异(p<0.05);薄膜保温的方法更能有效地提高人工湿地中的温度,更有利于COD的去除.分析结果也证明薄膜保温的处理单元出水中COD含量低于冰封和温棚出水中COD含量.3.5人工湿地的薄膜保温在试验期间,对人工湿地中的曝气槽(图10)和出水口(图11)中,出水温度进行检测,并且与当时气温进行对比.人工湿地处理系统中,曝气槽和出口中水温随着气温的降低而逐渐下降,但是三种保温措施都可以防止污水在人工湿地处理过程中冻凝,而造成基质堵塞.硝化速率在6℃以下急剧下降(Picardetal.,2005),在薄膜保温中的水温高于冰封和温棚保温出水温度,在出水口处的水温可以保证在6℃以上,基质中的温度有利于微生物的生存,所以对人工湿地进行保温,薄膜保温是比较理想的方法.4薄膜法人工湿地的保温效果人工湿地对污染物的去除效率受环境影响较大,温度与季节的变化影响着人工湿地系统内的生物活性,所以在冬季人工湿地中,保持适宜微生物生长的温度对于出水水质是十分重要的.薄膜法的保温效果比较好,在冬季对湿地采取了地膜覆盖的保温措施,发现湿地内水温降低幅度较小,在2℃左右,气温对湿地的影响很小(陈晓东等,2007).因为在白天天气晴朗的时候,薄膜接受阳光照射,使得处理单元中的温度升高;在冬季夜间,辐射能集中在5~25μm的长波辐射,薄膜具有较好的阻隔能力,用作覆盖材料具有很好的保温性(曹楠等,2004),使得系统中的温度长时间维持在较高的水平上,提高微生物的活性,而且在薄膜下覆盖了约40cm厚的植物体,对人工湿地起到了有效地保温作用,在沈阳浑南人工湿地选择炭化后的芦苇屑作为保温措施,湿地出水温度一直保持在9℃以上,出水水质较为稳定,说明湿地床内生物反应仍然进行较好(李亚峰等,2006);本试验中,将塑料薄膜和植物体覆盖相结合,对人工湿地进行保温,通过监测曝气槽和出水口处的水温,证明了薄膜和植物覆盖的保温措施效果好于冰封和温棚.铺设薄膜的过程中,在薄膜上预留出了曝气管的通气孔,将曝气管露在外面,曝气管上有保温物覆盖,可以随时揭开进行曝气.这样就保证了在冬季,曝气管可以继续起到曝气作用,在冬季,将曝气措施与保温隔离措施复合应用,污水处理效果更好(Nivalaaetal.,2007).而且薄膜法操作简单、成本低(王湛等,2009).虽然冰封保温方法可以防止污水结冰,保证系统正常运行,但是冰封法在操作上难度比较大,气温会对冰层的影响很大;而且北京冬季降雪量不稳定,如果没有足够的雪覆盖的话,冰的隔离