人工湿地在污水处理厂二级出水脱氮除磷中的应用

人工湿地在污水处理厂二级出水脱氮除磷中的应用

改革开放以来，中国的污水处理取得了很大进展，但中国的水环境品质乐观，水污染防治形势严峻。根据《2010年中国环境状况公报》,全国地表水污染依然较重,七大水系总体为轻度污染,湖泊(水库)富营养化问题突出。2010年我国共处理城市污水337.2亿m3,虽然污水二级生物处理可削减大部分污染物,但二级出水的排放量大,且氮、磷浓度仍然较高,这对自净能力有限或已受到污染的受纳水体来说,并不能从根本上解决受纳水体的富营养化问题,只能延缓其发展趋势,同时考虑到国际公认的水体发生富营养化的临界值(TN0.2mg·L-1、TP0.2mg·L-1),二级出水依旧是造成受纳水体富营养化的主要原因之一。为了改善受纳水体的水环境质量,二级出水亟待深度处理。作为典型的生态处理技术,人工湿地广泛应用于污染水体的水质净化与恢复、面源污染控制、雨水处理与利用、污水处理等领域,具有投资及维护费用低、出水水质好、二次污染小等优点,是削减二级出水中氮磷污染物的有效工艺之一。它不仅可满足二级出水脱氮除磷的水质要求,而且可大幅削减进入受纳水体的污染负荷,在一定程度上保障受纳水体的水质需求,具有良好的环境、经济效益。本文通过文献调研,系统总结我国不同区域和不同工艺的城市污水二级出水的水质特征,并对人工湿地深度处理二级出水的脱氮除磷效果及其运行操作参数进行总结和分析,以期为人工湿地在城市污水二级出水中的推广应用提供参考。1处理二、废水的水质特征1.1级出水产污染的分布比较我国和发达国家污水排放标准(表1)发现,各国污水处理厂排放标准中氮、磷的限值均处于较高水平,这表明在一定程度上二级出水均存在深度处理的需求。表2列举了我国不同区域、城市的二级出水主要指标,水质呈现明显的地域特征。(1)区域:氨氮浓度高于全国平均值(12.63mg·L-1)的区域依次是华北(20.00mg·L-1)、西北(17.32mg·L-1)、华中(14.67mg·L-1);COD浓度高于全国平均值(51.64mg·L-1)的区域依次是华东(66.16mg·L-1)、华中(64.47mg·L-1)、西北(55.11mg·L-1)。TP浓度高于全国平均值(1.94mg·L-1)的区域依次是华中(3.61mg·L-1)、华东(2.68mg·L-1)、华北(2.51mg·L-1)。华中地区二级出水的有机物、氮、磷均高于全国平均值,西北地区二级出水的COD、氨氮和TN高于全国平均值,华北地区二级出水的氨氮、TN和TP高于全国平均值。尽管东北地区二级出水中三类污染物的浓度处于较低水平,但仍旧超过水体富营养化临界值,因此仍需深度处理以避免对地表水体产生污染。(2)特大型城市:COD浓度均低于全国平均值(51.64mg·L-1);仅北京二级出水的氨氮和TP浓度高于全国平均值;北京、上海二级出水的TN浓度高于全国平均值(21.54mg·L-1);北京市二级出水氮、磷浓度过高,上海在脱氮方面效果较差;相反,重庆二级出水的氨氮和TN浓度较低;广州二级出水的TP浓度较低(0.8mg·L-1)。(3)省会城市:四个典型省会城市的分析结果表明,仅哈尔滨二级出水的COD浓度高于全国平均值;杭州和哈尔滨二级出水的氨氮浓度高于全国平均值;各市二级出水中TN浓度均低于全国平均值,且较为接近;仅西安二级出水中TP浓度超过全国平均值(1.94mg·L-1)。四个城市中,哈尔滨在有机物和氮的去除方面表现较差,但其出水TP浓度最低(0.99mg·L-1)。(4)地(县)市:选取四个地(县)级市进行对比分析,二级出水中各种污染物浓度均低于全国平均值,除宝鸡市二级出水COD浓度高于其省会城市外,其余均优于省会城市;宁波、大庆市二级出水中TP浓度高于相应省会城市;宝鸡市二级出水TP浓度最低,且低于西安市,表现出较好的除磷效果,但仍高于限值(0.02mg·L-1),需要深度处理。1.2不同二级处理工艺对出水水质的影响城市污水二级处理工艺不同,其出水的污染物浓度也不同(表3),这表明城市污水二级处理工艺对其出水水质的影响较大。例如,A2/O一体氧化沟和卡鲁赛尔氧化沟对有机物和氮的去除效果较好;SBR工艺出水TP浓度较低;CAST工艺对于各目标污染物的去除率均处于中间水平。2湿地的类型以及运行参数对氮和磷去除的影响2.1湿地的类型和应用程序2.1.1人工湿地的除磷效果人工湿地按系统布水方式的不同或者水流方式差异一般分为表面流人工湿地(FWS)和潜流人工湿地(SFS),表面流人工湿地在北美地区得到了大量的工程应用,约占2/3,并可应用于某些特殊场合,如污染河道的原位修复等。但表面流人工湿地易受自然气候条件影响,负荷低、去污能力有限,而潜流人工湿地的处理效果受气温影响小,目前国内外的研究和应用较多。潜流人工湿地结构不同,则其水流方式也不同,进而影响湿地的脱氮除磷效果。例如:水平潜流和垂直潜流人工湿地内部的水力条件存在一定差异,使垂直潜流人工湿地的TN去除效果优于水平潜流人工湿地;复合垂直流人工湿地具有独特的下行流和上行流两个串联单元,形成了好氧-缺氧、厌氧-好氧的功能区,可通过硝化-反硝化途径有效去除TN,日益得到重视。如表4所示,复合垂直流人工湿地表现出良好的氮、磷去除效果,可深度净化二级出水。2.1.2氮素的转化和去除湿地基质、植物和微生物是人工湿地的三大基本要素,对污染物的转化与去除具有重要作用。基质的沉淀和吸附作用是磷素最主要的去除途径,贡献率高达70%~87%[56,57,58,59,60,61]。基质既可通过吸附作用直接去除氨氮,也可通过改变植物根际环境来影响氮素的转化和去除。基质可分为三大类:(1)天然材料:包括矿物、岩石、土壤和海洋沉积物,如白云石、石灰石、硅酸钙盐矿、沸石、页岩等,这些材料既可直接使用,也可经过前处理(如碾磨、热处理等)以提高吸附性能;(2)工业副产品:主要来自钢铁、采矿和发电三大行业,如高炉矿渣、电弧炉钢渣、炉渣等,可有效提高废物的综合利用效率;(3)人造产品:主要是指轻质聚合体(LWA,lightweightaggregates)。基质在人工湿地结构中占有最大体积,是人工湿地区别于自然湿地的重要特征。国内外有关基质的研究主要集中在不同基质对有机物、氮和磷等污染物的净化效果及其去除机理。不同基质各有优缺点,如沸石的氨氮去除效果较好,砾石、钢渣、煤灰渣等的除磷效果较为显著。为了充分发挥各类基质优势,人工湿地往往由多种基质组成,以有效去除各种污染物,并可同时有效避免堵塞,延长运行周期。2.1.3人工湿地的植物大量研究表明,不同湿地植物在生长速度、污染物的吸收转化能力、泌氧能力等存在显著差异,这导致基质中的微生物种群及数量有所不同,筛选适宜的植物对稳定和提高人工湿地的净化功能具有重要意义。表面流人工湿地的植被类型较为丰富,包括沉水、浮水、挺水等多种水生植物类型。人工湿地中的植物不仅可以直接吸收、利用污水中可利用态的营养物质,吸附和富集重金属及一些有毒有害物质,而且输送氧气至根区,利于微生物呼吸,其庞大的根系为细菌提供了多样的生境,利于根区细菌群落降解多种污染物等。国内外最常用的湿地植物种类主要有芦苇(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhalatifolia)和灯心草(Juncuseffusus),而凤眼莲(Eichhorniacrassipes)、黑三棱(RhizomaScirpiYagarae)、水葱(Scirpusvalidus)等植物也比较常用。从表5可知,大量植物应用于表面流人工湿地系统,在不同程度上发挥了脱氮除磷的作用,强化了人工湿地的去除效果。2.1.4人工湿地的n人工湿地可通过多种机制脱氮,包括生物(微生物作用、植物吸收等)、物理(沉积、挥发等)和化学反应(吸附作用)。Vymazal考察了水平潜流人工湿地脱氮情况,认为湿地中N的主要去除机制是有氧区的硝化细菌和厌氧区的反硝化细菌共同完成的,有文献表明,其贡献率达80%;而挥发作用、吸附作用和植物吸收在脱氮方面并未发挥较大作用。人工湿地除磷主要依赖湿地基质、水生植物和微生物以及三者之间的联合作用,通过一系列复杂的物理(沉积)、化学(沉淀、吸附)以及生物(植物吸收、微生物吸收与积累)的途径,实现除磷的目的(表6)。2.2湿地和人工操作2.2.1系统溶解氧低运行操作不仅直接影响人工湿地的脱氮除磷效果,而且在一定程度上决定了人工湿地的系统稳定性。人工湿地运行方式可分为连续运行和间歇运行两种。Laak等发现,连续运行较为简便、快捷,且处理水量更多;但是,仅依靠系统自身复氧并不能满足有机物分解和微生物作用的需求,且易造成系统堵塞,进而影响脱氮除磷效果,因而需要通过改变运行方式来增加系统的溶解氧。已有研究表明,垂直流人工湿地采用间歇运行方式可提高系统中的溶解氧水平,从而提高湿地的COD、氨氮和TN去除效果。由表7可知,在水力负荷接近的情况下,复合垂直流人工湿地间歇运行的氨氮去除效果优于连续运行。氨氮去除主要依靠湿地中微生物的硝化作用,这需要更高的溶解氧浓度,而间歇运行方式可在一定程度上增加复氧能力,强化硝化作用,使出水氨氮浓度进一步降低。2.2.2水质净化效果在实际应用中,当人工湿地的构型、植物和基质类型等确定后,水力负荷(HLR,hydraulicloadingrate)就成为人工湿地水质净化效果和氧环境的关键影响因素。优化HLR能极大地提高人工湿地的水质净化效果,不同的HLR会影响到污染物在人工湿地系统内部的运移、接触时间和氧环境的变化,而氧环境是微生物活动、有机物降解和氮磷转化的重要影响因素,直接关系着二级出水脱氮除磷的效果。研究表明,不同水力负荷条件下人工湿地的脱氮除磷效果差别较大。例如,当HLR在一定范围内变化时,垂直潜流人工湿地的TN去除率随HLR的增加而呈现下降趋势。这是因为增大HLR就缩短了微生物与氮污染物的接触时间,不利于硝化、反硝化过程的进行,导致出水中TN浓度有所升高;同时,随HLR的增加除磷效果逐渐降低,但较TN去除率的下降趋势缓慢。2.2.3基质布置方式基质在为植物和微生物提供生长介质的同时,还能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物,而基质的种类、布置方式等会直接影响其效果。在人工湿地内部填充多孔、表面积大的基质,可改善人工湿地的水力学性能,同时增强污染物(尤其是氮、磷)的去除性能。基质布置方式主要包括基质种类搭配及其粒径级配,可根据二级生化出水的水质特点及水质净化要求,选择合理的基质布置方式以强化脱氮除磷效果,并确保系统长期稳定运行。赵发敏等选取沸石、无烟煤和粉煤灰作为人工湿地基质,考察比较了不同基质布置方式的脱氮效果,结果表明,沸石、无烟煤和粉煤灰按照1∶2∶1(W/W)混合时,NH4+-N去除率可达95.8%。张翔凌等比较了垂直潜流人工湿地中5种基质(沸石、无烟煤、蛭石、高炉钢渣、生物陶粒)不同布置方式的脱氮除磷效果,结果表明,在优化的基质布置方式时(由上至下依次填充无烟煤、生物陶粒、沸石),NH4+-N、TN、TP的去除率分别达到91%、85%和85%以上,同时钢渣处于组合基质底层时的除磷效果较好,并且分层布置基质的人工湿地,其脱氮除磷效果优于基质简单掺混的人工湿地。2.2.4设置合适湿地针对二级出水深度净化的要求和不同人工湿地的优缺点,实际应用时,可将不同类型的人工湿地串联或并联。人工湿地的串联运行,一定程度上增加了湿地长度,降低了单位面积湿地的负荷量,增加了水力停留时间;而并联运行,可增加湿地处理规模。同时,选择合适的湿地进行串联,可以避免一种流态湿地的自有缺陷,例如:表面流人工湿地能显著去除有机物,但氮、磷去除有待提高;水平潜流人工湿地因氧气传输限制不能保证硝化作用的有效进行,垂直潜流人工湿地在满足硝化作用时(复氧效果良好)却不能持续稳定地进行反硝化作用。因此,可根据湿地的水流状态、基质及水生植物类型差异对各特征污染物的不同作用,合理组合不同类型的湿地,实现二级出水深度净化的目标。陆琳琳采用复合垂直流、表面流和潜流人工湿地串联的三级组合工艺处理污水,其中第一级湿地的TN和TP平均去除率分别为63.66%和47.78%,第二级湿地的TN和TP平均去除率分别为33.98%和45.42%,第三级湿地的TN和TP平均去除率分别为46.29%和41.35%,组合系统的脱氮除磷效果均能达到80%左右。3不同管理措施人工湿地的运行一般经历两个阶段:系统调试、植物复活、根系发展的不稳定阶段和植物生长成熟、处理效果良好的稳定成熟阶段。系统从启动到成熟一般需要1~2年。实践证明,当植物经过三个生长季节,就可以与杂草竞争。正常运行后,湿地的定期维护至关重要,包括水利系统与设施管理、工程管理、基质管理、运行管理(布水系统管理)和植物系统管理等方面。人工湿地系统在设计合理且污水水质及水量变化不大的情况下,一方面可自流运行,另一方面也可减少维护工作量。气候、季节等对人工湿地的脱氮除磷效果具有很大影响,所以在运行管理方面应特别注意。干旱/半干旱地区,应挑选合适的时期收割植物,以保证人工湿地有效去除有机物和氨氮;寒冷地区可通过将水位上升到冰冻面来实现人工湿地保温和越冬。此外,冬季气温较低,易造成湿地处理能力下降,出水水质不达标,可对来水进行预处理,降低进水污染负荷,这在弥补处理能力下降的同时也可预防床体堵塞。通过试验发现,即使在寒冷冬季,通过采取隔离保温措施,人工湿地仍然具有较好的污水处理能力。此外,还可采用改善微生物活性等办法进一步降解污染物,实现人工湿地冬季出水达标排放。4人工湿地的运行和维护费用及约人工湿地应用日益增多,除了技术优势外,其低廉的建设投资和运行费用也发挥了举足轻重的作用(表8)。例如,山东胶南表面流人工湿地处理厂的运行费用为0.08元·m-3,深圳沙田潜流人工湿地处理厂的运行费用为0.14元·m-3,江苏杭集镇生活污水处理厂人工湿地深度处理系统运行费用约为0.184元·m-3。已有分析表明,在满负荷运行的情况下,不仅人工湿地的所有费用(建设投资、运行和维护费等)仅约为城市污水处理厂的50%,而且其运行和维护费用稳定,同时人工湿地独特的环境价值能够提供其约27%的运行和维护成本,具有显著的经济效益和环境效益。考虑到人工湿地水力负