垂直流湿地-水平潜流湿地组合工艺深度处理化工园区污水厂尾水研究

垂直流湿地-水平潜流湿地组合工艺深度处理化工园区污水厂尾水研究

江苏省太湖流区工业经济大发展，污染轻污染行业比例过高，污染物排放总量明显超过环境承载能力。目前,江苏省环太湖流域的苏州市、无锡市和常州市已建成城镇污水处理厂242座,日处理能力636.7万t。太湖流域经济的发展特点是以乡镇企业和工业园区为主,因此以工业废水为主的污水处理厂占比例较大。化工园区污水处理厂尾水水质、水量波动大、难降解物质多、B/C低等特点,造成尾水净化难度大。人工湿地作为一种新兴的生态处理技术起源于德国,具有投资少、建设运营成本低、去除N/P能力强、抗冲击负荷强、不产生二次污染、运行管理方便等优点。根据污水在系统中流动方式的差异,人工湿地污水处理系统可分为表面流(SFCW)和潜流(SSFCW)2种类型,后者又分水平流(HSSFCW)和垂直流(VSSFCW)2种布水方式,对脱氮效果而言,VSSFCW优于HSSFCW,复合垂直流较单一流向较好,间歇运行优于连续运行。WSSFCW优化了传统潜流人工湿地的流态,污水可在床体内进行波形流动,反复地与湿地系统中的上、中、下层的微生物、根系及基质充分接触。近年来,人工湿地应用范围越来越广泛,已经应用于如乳制品废水、偶氮染料废水、含硫废水等处理。然而,利用人工湿地深度处理具有含盐量较高、难生物降解等化工污水处理厂尾水的研究不多。本研究针对化工园区污水厂尾水的特点,构建了垂直流湿地-水平潜流湿地组合工艺,考察该工艺对尾水的净化效果和污染物的迁移变化规律,重点关注有机物和氮的去除机理,以期为化工工业园污水厂尾水深度处理提供理论依据和技术参数。1实验部分1.1充填层滤料/分液充填体实验装置建于江苏省常熟市某化学工业园污水处理厂出水泵房旁。处理系统由垂直潜流湿地(VSCW)和水平潜流湿地(HSCW)串联组成。VSCW长×宽×高=70cm×70cm×100cm,集水区长×宽×高=30cm×70cm×100cm,填料层高80cm,由上至下由3层不同粒径的砂石构成,其层高分别为40、30、10cm。在基质上方10cm处布设“丰”型布水管,池底布设“H”型收集管,出水口设于集水区,高度在滤料表面下25cm处。在装置一侧设4个采样口,采样口处于同一垂直线上,间隔15cm。HSCW长×宽×高=100cm×50cm×70cm,配水区长×宽×高=25cm×50cm×70cm,集水区长×宽×高=25cm×50cm×70cm。填料层高60cm,由1层砂石滤料构成。配水区、集水区通过穿孔板与填料层区分开,出水口位于集水区,高度在滤料表面下20cm处。装置一侧设4个采样口,采样口位于同一水平面上,间隔20cm。2种人工湿地基质表面均种植芦苇,密度为16株/m2。1.2进水的水质指标实验用水取自化工工业园区污水处理厂出水泵房尾水,实验进水速率为34.72cm3/d,即进水负荷0.1m/d。实验期间(2013年7月-2013年10月)进水的主要水质指标见表1。采集实验进水、VSCW集水区出水、HSCW配水区进水、集水区出水以及湿地内部采样口的水样进行检测,各采样口分别标号为垂直流进水(V进)、垂直流1(V1)、垂直流2(V2)、垂直流3(V3)、垂直流4(V4)、垂直流出水(V出)、水平流进水(H进)、水平流1(H1)、水平流2(H2)、水平流3(H3)、水平流4(H4)、水平流出水(H出)。1.3理化指标检测方法对水样进行检测分析,具体指标有:总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、亚硝氮(NO2--N)、COD、BOD5、总磷(TP)、氟离子(F-)、氯离子(Cl-)、溶解性总固体(TDS)和pH,具体检测方法参照水和废水监测分析方法。2结果与讨论2.1有机物的去除研究垂直-水平潜流组合人工湿地在稳定运行阶段对主要污染物的去除效果可知,由于进水中难生物降解有机物含量较高,BOD5/COD为0.20,可生化性差,因此湿地系统对COD的去除率较低,仅有43.2%,而对BOD5的去除率保持在83.2%,表明湿地对污水中易降解有机物有较强的去除能力。出水COD为(21.72±2.59)mg/L,BOD5为(1.23±0.39)mg/L。出水水质达到地表水IV类水质标准;氨氮、总氮去除率分别达到90.3%及81.2%,出水氨氮、总氮质量浓度分别为(0.17±0.13)mg/L、(0.69±0.21)mg/L,达到地表水Ⅱ类水质标准;湿地系统对总磷的去除率为64%,出水总磷质量浓度(0.02±0.01)mg/L,达到国家地表水Ⅲ类水质标准。2.2湿地系统各污染物的沿程分布变化2.2.1饮料的去除有机物能力COD主要通过人工湿地基质的截留、过滤以及微生物的代谢降解得到去除。湿地系统内COD沿程分布变化如图1所示,COD随湿地系统全程有下降的趋势,表明垂直流-水平流湿地均有去除有机物能力。在垂直潜流阶段,COD在湿地表层及深层(V1、V4)保持较好去除率。研究表明,湿地表层复氧能力较强,能持续提供利于好氧微生物生长的富氧环境。另外,植物对于有机物的去除主要集中在其根系区域。在植物新陈代谢过程中,空气中的氧通过茎叶输送到植物根区,为基质和根区周围的微生物群落大量生长繁殖提供了适宜的生态环境。因此在湿地深层,集中于根区的好氧微生物有良好的去除有机物能力。在水平潜流阶段,有机物的去除量较小,由进水的26mg/L下降到21.7mg/L。一方面是进水有机物可生化性差,不易被微生物所利用,另外,相对于垂直潜流湿地,水平潜流由于其自身水力疏导不好,带氧能力差,不能满足去除有机物的富氧环境,同时污水与基质接触不充分,影响基质对有机物的吸附截留。整体而言,有机物的去除主要集中在垂直潜流阶段,水平潜流阶段对出水COD稳定起到一定作用。2.2.2质量浓度和布水方式对潜流湿地的净化效果人工湿地对氨氮的去除效果由氨化作用与硝化作用共同决定,其影响因素较复杂。湿地系统内氨氮沿程分布变化如图2所示,经过组合人工湿地处理,氨氮质量浓度由最初的1.75mg/L下降至0.17mg/L,表明垂直潜流湿地-水平潜流湿地具有良好的去除能力,这与高等研究结果相一致。他指出,潜流湿地的布水方式与表面流的地表推流方式相比更有利于复氧和微生物硝化作用的进行。研究发现,由于硝化过程中要消耗碱,当进水pH保持在7.0~7.8时,硝化细菌活性最强。研究中进水pH平均为(7.41±0.36),呈弱碱性,这可能也是造成湿地系统高氨氮去除率的重要因素。2.2.3流湿地中碳源的变化应该注意到,反硝化细菌进行反硝化反应需要一定的碳源,而经过垂直流湿地处理后,进入水平流湿地的碳源可能会出现不足。因此,改进组合人工湿地的进水方式可以强化工艺脱氮能力。2.2.4除磷的主要途径人工湿地对磷的去除包括化学和物理吸附、物理过滤、沉积物形成、微生物同化和植物吸收等,其中植物根际微环境以及植物与微生物的耦合作用可能是人工湿地除磷的主要途径之一。湿地系统内总磷沿程变化如图4所示,经过湿地处理后,总磷质量浓度由0.05mg/L降低至0.02mg/L。在垂直潜流阶段,在表层(V1)总磷的去除率较高,接着有所降低。可能是由于进水中部分非溶解态磷存在与悬浮固体中,污水经湿地后大部分悬浮固体经沉淀而去除。而在水平潜流阶段,总磷的去除率比较稳定,但整体比垂直潜流低。研究发现垂直潜流湿地的水流方式使污水与填料接触更加充分,有利于磷的吸附与沉淀。3不同潜流湿地对氨氮的去除在垂直水平潜流组合人工湿地对高含盐工业污水处理厂尾水的处理中,出水COD和BOD5为(21.72±2.59)、(1.23±0.39)mg/L,出水NH4+-N、TN和TP质量浓度分别为(0.17±0.13)、(0.69±0.21)、(0.02±0.01)mg/L。COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP平均去除率分别为43.2%、83.2%、90.3%、81.2%和64%。组合人工湿地系统对污染物的去除表现不同。垂直潜流湿地对有机物、氨氮、总磷的去除贡献较大,而水平潜流阶段反硝化作用强,总氮去除能力高。另外,针对本研究中水平潜流可能会出现碳源不足抑制反硝化反应的缺点,可采用分段进水方式,进一步提高该工艺的脱氮能力。该人工湿地组合工艺对于工业污水处理厂尾水深度处理有良好的效果,具有一定的推广价值。在垂直潜流中,由于表层与深层的富氧环境,硝化细菌活性较强,氨氮去除率均高于中部。另外,由于垂直流湿地表层水体携带湿地基质表面有机氮进入床体,形成一个有机悬浮物积累带,并且逐渐氨化为氨氮,导致中部氨氮去除率下降。水平潜流湿地对氨氮的去除低于垂直潜流湿地,这主要是由水平潜流较弱的复氧能力决定。氨氮在水平潜流湿地中沿程去除率波动很小,基本维持在20%左右。人工湿地对总氮的去除依次需经氨化作用、硝化作用及反硝化作用,使污水中各种价态氮均转变为气态氮(N2),从而达到脱氮的目的。其中氨化和硝化作用为反硝化作用创造条件,反硝化作用才彻底将氮从污水中去除。有研究表明基质吸附及植物摄取对总氮的去除能力较弱,因此本研究未作考虑。湿地系统内总氮沿程分布如图3所示,总氮在湿地系统内得到很好的去除,由进水3.7mg/L迅速下降至0.69mg/L,去除率达到了81.2%。这说明组合人工湿地具有良好的脱氮能力。Zhao等研究结果表明组合人工湿地对总氮的去除可以达到90%以上,优于本研究结果。可能是由于该研究采用了间歇曝气及分段进水等方式,强化了湿地微生物硝化及反硝化活性。从图3中可以看出,垂直潜流主要发生硝化反应,将氨氮转化为硝态氮。尤其在前部(见V1),硝态氮质量浓度明显升高,由1.2mg/L上升至1.8mg/L,接着出现缓慢下降,表明垂直潜流湿地也发生一定的反硝化反应,硝态氮的生成量小于消耗量。在垂直潜流阶段,总氮有了初步去除。而在水平潜流阶段,总氮浓度大幅度降低,同时硝态氮降低较快,表明在水平潜流阶段反硝化菌有较强活性,进行反硝化反应将硝态氮转化为氮气。研究表明,垂直潜流湿地在输氧能力上比较突出,有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行,而水平潜流湿地则相反,系统内充氧不充分,容易形成厌氧区域,为反硝化菌的生