潜流人工湿地处理生活污水尾水的试验研究

潜流人工湿地处理生活污水尾水的试验研究

即使废水处理厂的废水符合a级《城市废水处理厂污染物排放标准》（gb18918-2002）的a级标准，如果直接排放，也会对天然水体产生一定的污染负荷和生态毒性。为了国家水资源的缺水，废水处理厂的废水经过合理处理，可用于工业、农业、景观环境用水、城市供水、补充水源等多个领域。2,3'。而人工湿地作为一种生态水处理技术,目前已在各种污水处理中得到广泛的应用［4］。其与常规技术相比有如下特点:投资低、操作简单、运行和维护费用低、在处理污水的同时又能改善周围地区的生态环境［5］。所以,人工湿地已成为污水处理厂出水深度处理的常用工艺。植物是潜流人工湿地的重要组成部分［6］,筛选能较好吸收氮磷的植物具有重要意义。移植生长于自然水体、岸坡的水生植物,用污水厂排水口下游50m处河水进行培养,研究并确定对氮磷吸收效果较好的品种,可为实际工程应用提供参考。目前,潜流人工湿地基质的传统填料一般是卵石、砂、沸石、煤渣、钢渣等材料,分层或分区填入湿地系统中。虽然相对于其他深度处理工艺有投资少、处理与管理成本低等特点,但仍存在填料购买、运输以及定期更换的难题,而土壤的来源则更为广泛和便宜,微生物种类和数量也更多。所以本文以土壤作为水平潜流人工湿地的填料,处理污水处理厂尾水,并研究其处理效果。1学习方法1.1废水水质污水取自某城市污水处理厂二沉池出水,其出水水质执行一级B标准。本试验所取污水厂尾水水质如表1所示。1.2装置启动和运行潜流人工湿地试验装置由20mm厚的有机玻璃制成,其规格为1.0m×0.3m×0.7m(长×宽×高)。填料填充高度为0.6m。布水和出水区由粒径10~30mm砾石填充,宽度为0.1m。所用土壤为当地地表以下400~800mm的黄棕壤,种植密度121株/m2。为解决纯土壤的渗透系数小的问题,在土壤中掺入少量河沙和砾石。装置如图1所示。装置启动时间为2012年11月,首先利用恒流泵以一定的转速向装置进水,根据从开始进水到水从出水口溢流出来的时间,计算得出装置有效容积为36L,孔隙度为0.29。由于温度直接影响微生物的代谢速度以及其他化学反应速度,所以温度越低,潜流湿地去除污水中污染物的能力肯定就越低。在装置其他条件不变的情况下,外界温度低时,若要保证稳定的去除率,就需加大水力停留时间(HRT),而温度较高时,也可以在不影响去除率的情况下,减少HRT来提高水力负荷。所以,装置启动后,根据空气温度由低到高,采用控制恒流泵转速来控制HRT分别为9、6和3d,其对应的流量分别为4、6和9L/d,而其对应的水力负荷分别为0.0167、0.025和0.0375m3/m2·d。在装置启动后的40d里,日平均最高气温7.6℃,为保持稳定的去除率,HRT定为9d。而后到2013年的3月份和5月份,温度逐渐升高,HRT分别定为6和3d,期间的日平均最高气温为18.4~31.6℃。装置启动时,先把要处理的污水灌入潜流湿地中,至出水高度后,开启恒流泵,根据HRT计算出的转速设定运行。然后每隔1/3HRT取样一次,测定各指标。植物吸收氮磷试验开始时间为2013年4月,采植当地水生植物10种,分别为袖珍竹、白掌、菖蒲、石菖蒲、麦冬、马兰、水芹、灯心草、黄花鸢尾和萱草。洗净根部土壤,称量湿重,编号后分别放入规格为15L的PVC水桶,用污水厂排水口下游50m处河水进行培养,按照每克植物的湿重30mL水向桶中加水,每两天定时取样测定TN、TP,总共30d。1.3分光光度法COD:重铬酸钾法;NH3-N:纳氏试剂分光光度法;TN:碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法;TP:过硫酸钾消解一钼锑抗分光光度法。2试验结果与讨论2.1潜流湿地处理效果2.1.1温度对cod去除率的影响利用哈希公司的DR2800水质分析仪,对所取的重铬酸钾法消解后的水样进行测定,其结果如图2所示。系统进水CODCr分别为52.1、52.0和48.9mg/L。在一个HRT内,浓度持续降低,在第三次取样后,即达到一个完整HRT之后,出水CODCr趋于稳定,HRT为9d时的出水平均浓度为17.2mg/L,平均去除率为67%;HRT为6d时的出水平均浓度为11.4mg/L,平均去除率为78.1%;HRT为3d时的出水平均浓度为10.4mg/L,平均去除率为78.7%。对比表明,HRT长的反而去除率较低,说明温度对COD去除率的影响较大。三种条件下出水CODCr均达到了《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅲ类标准,HRT为6和3d的出水甚至达到了Ⅱ类。2.1.2潜流人工湿地nh3-n的去除效果潜流人工湿地对NH3-N的去除主要通过硝化作用,植物的吸收以及挥发作用。湿地进水NH3-N浓度分别为6.22、6.53和7.42mg/L,如图3所示。HRT为9d时,在一个HRT内,浓度稳步降低,在第三次取样后,出水NH3-N浓度趋于稳定,出水平均浓度为0.28mg/L,平均去除率为95.5%。HRT为6d时的出水稳定时的平均浓度为0.36mg/L,平均去除率为94.5%。HRT为3d时,在第一次取样时出水浓度就急剧下降,说明该潜流人工湿地在日平均最高气温为31.6℃的条件下,去除含氨氮废水的HRT可大幅缩减。在3次取样后,出水平均浓度为0.05mg/L,平均去除率为99.3%。可见,该潜流人工湿地对NH3-N的去除率,均达到90%以上,说明湿地内生物活性高,硝化反应进行顺利。三种条件下出水NH3-N浓度均达到了《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅱ类标准。然而HRT越长去除率却越低,说明HRT的延长不如温度的升高对潜流湿地氨氮的去除率的影响大。2.1.3水化学和生化活性污水中的氮主要以氨氮、硝态氮和有机氮三种形式存在。潜流人工湿地对TN的去除主要通过生物脱氮作用、生物同化作用、吸附作用、挥发作用以及植物的吸收等。图4是不同HRT下潜流湿地出水TN浓度变化情况。HRT为9d时,湿地进水TN浓度为10.16mg/L。在第一次取样后浓度开始上升,在第三次取样达到最高后开始下降,在第六次取样时总氮浓度为9.09mg/L,去除率为10.5%。在后续的试验中,出水TN浓度进一步降低到3.51mg/L左右,平均去除率为65.5%。出现这种状况的原因可能是由于在装置刚启动不久,土壤中的氮的释放,以及厌氧条件不足,反硝化微生物活性不高,不能及时去除硝化反应产生的硝态氮。HRT为6d时的进水浓度为12.74mg/L,第三次取样后的出水平均浓度为2.92mg/L,平均去除率为77.1%。HRT为3d时,进水浓度为11.26mg/L,稳定后出水平均浓度为3.69mg/L,平均去除率为67.2%。三种条件下出水TN浓度接近《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的(湖、库)Ⅴ类标准,有可能是可利用碳源不足,碳氮比较小的原因,导致总氮去除率较低。2.1.4水样中磷的去除效果污水中磷的存在形态最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机膦,聚磷酸盐和有机膦在水中能逐渐水解成磷酸盐。湿地系统通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物同化作用来实现对磷的去除。图5为TP浓度变化情况。如图5,HRT为9d时,进水TP浓度为0.58mg/L。在第一次取样后浓度开始缓慢下降,在第三次取样后,出水浓度稳定在均值0.06mg/L左右,平均去除率达到89.6%。HRT为6d时的进水浓度为0.55mg/L,第三次取样后的出水平均浓度为0.02mg/L,平均去除率为96.4%。HRT为3d时,进水浓度为0.52mg/L,后浓度降低很快,在第3次取样后,出水平均浓度为0.02mg/L,平均去除率为96.4%。三种条件下出水TP浓度均达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的(湖、库)Ⅱ类标准。由于微生物对磷的代谢分解作用有限,所以湿地系统对磷的去除主要通过吸附和植物的吸收作用来实现。从试验结果来看,以土壤为填料的潜流湿地对磷有很好的去除效果。2.2潜流人工湿地植物tn和tp的去除效果试验用水取自污水厂排水口下游50m处河水,TN浓度为2.43mg/L、TP浓度为0.47mg/L。在相同条件下,用相同的水对10种不同水生植物进行培养,非植物因素对水中N、P浓度的影响应该相同,因此水中N、P浓度的变化可反映为植物的影响。每两天测一次水中的TN和TP浓度,30d后,得出TN和TP的去除率。为排除植物本身植株大小不一的因素影响,得到的去除率再除以植物开始培养时的湿重(以百克为单位),最后计算出每百克植物湿重的TN和TP去除率如图6。由图6可知单位质量植物的TN去除率最高的三种植物分别为菖蒲、马兰和石菖蒲,其单位质量植物的TN的去除率分别为37.4%、33.3%和25.5%。单位质量植物的TP去除率最高的三种植物分别为马兰、萱草和菖蒲,分别为74.3%、59.5%和43.8%。潜流人工湿地植物的选择,除考虑对氮磷的吸收外,还要考虑植物的生活习性,年生长量以及景观观赏性等。最后,综合考虑选择菖蒲作为后续潜流人工湿地中试工程栽种植物。3温度对潜流人工湿地的净化效果影响(1)以土壤作为填料的潜流人工湿地,对污水处理厂尾水有很好的处理效果。在日平均最高气温为7.6℃,HRT为9d时,其对COD、NH3-N、TN、TP的去除率分别是67%、95.5%、65.5%和89.6%。在日平均最高气温为18.4℃,HRT为6d时,其对COD、NH3-N、TN、TP的去除率分别是78.1%、94.5%、77.1%和96.4