复合型人工湿地处理小城镇污水处理厂尾水研究

复合型人工湿地处理小城镇污水处理厂尾水研究

在干旱和缺水地区，城市居民的生活废水具有潜在的回用价值。但城市生活污水经过一般的处理之后若直接排入江河湖海,不仅造成大量水资源的浪费,同时也成为地表水污染和富营养化的重要污染源。因此,污水的深度净化和再利用对解决缺水问题显得尤为重要。利用某些理化、微生物方法可以进行污水深度净化,但较高的药耗、能耗以及副产物较难处置等使其很难在大范围内推广应用。人工湿地用于污水生态处理,具有处理效果好、投资运行费用低、管理简便、景观效果好和能改善局部生态环境等优点,因此,在小城镇污水处理中受到较大的关注。利用小城镇的土地资源优势对污水厂尾水进行深度净化,实现污染物去除高效率、低能耗,污水深度净化回用,可为水资源匮乏问题的解决探索一条生态、节能、高效的道路。“云南洱源县污水厂尾水深度净化湿地技术实验工程”采用“一级潜流湿地→沉水植物氧化塘→二级潜流湿地→表层流湿地→复合基质滤床”工艺处理污水,结果表明该工艺脱氮除磷能力相当强,出水接近地表III类水标准(GB3838—2002)。本研究在该实验工程研究结果的基础上,建立了对营养盐去除效果比较明显的“潜流湿地→沉水植物氧化塘→潜流湿地”模型,深入研究复合型湿地对污水厂尾水的深度净化效果,并对该工艺模型中二级垂直流湿地的进水量进行调节,以期使模型出水达到地表Ⅲ类水标准。1模型结构和实验方法1.1压聚丙烯桶湿地组成复合型人工湿地模型建于澄江县污水处理厂内,露天摆放,其工艺流程由6个高压聚丙烯桶(d底=130cm,d口=140cm,h=138cm)串联形成,其组成包括一级垂直流湿地、连续的4级沉水植物氧化塘和二级垂直流湿地(图1)。各大桶之间高差10cm,通过逐级挖坑填埋的方式实现。1.1.1流湿地表面权利人垂直流湿地(1#和6#)桶底铺设一层50mm厚石灰石(粒径30～50mm),石灰石上水平布设螺旋形水管(d=20mm,管壁分布有等间距的进水孔),垂直于桶底的PVC进水管(d=32mm,如图1中②所示)与螺旋形水管相连接。螺旋形水管上部装填120cm厚石灰石(孔隙率37%),使垂直流湿地表面保持10cm的自由水层,同时于石灰石表面下约10cm处种植菖蒲(Acoruscalamus)。在进水管相对方向、距大桶上沿10cm处钻孔,插入PVC管,作为下一级人工湿地的进水管(如图1中④所示),并于该进水管上钻取6个等间距的孔作为进水孔。1.1.2泥、塑料花和绿藻沉水植物氧化塘(2#、3#、4#和5#)桶底铺设约50mm厚石灰石,石灰石上水平放置螺旋形水管,每桶的水管上均匀摆放40只盛有抚仙湖底泥的塑料花盆(d口=19cm,d底=15cm,h=20cm),插植抚仙湖常见沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)、金鱼藻(Ceratophyllmdemersum)、穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)和苦草(Vallisneraspiralis)各10盆。4种沉水植物形成空间上的优势互补,加之各单元中的2～4条鱼及少量青虾,从而维持优良的水生生态系统。1.1.3级沉水植物沉水管设置用水泵将污水厂尾水抽至高位水箱(1.5m×1.5m×1.5m)内,作为模型进水。模型水流流程如图1黑色箭头所示。进水经由PVC进水管向下,流入螺旋形进水管路,而后由螺旋形进水管的等间距小孔中流出,在桶内形成自下而上的水流,当一级垂直流湿地水位抬高至一级沉水植物氧化塘进水管时,水流经由进水管上的进水孔进入一级沉水植物氧化塘,以后各级依此类推。最后,模型出水经管道排入污水厂的排水沟中。1.2测试方法1.2.1原水水质澄江县污水处理厂位于云南省玉溪市澄江县城,2000年建成并投入试运行。本试验模型进水即为该污水处理厂尾水(表1)。1.2.2codcr污染负荷模型为连续运行,分2个阶段观测:(1)2008年9月28日至2009年6月3日,模型水力停留时间为8.3d,水力负荷为0.13m3·m-2·d-1,CODCr污染负荷为0.39～26.00g·m-2·d-1;(2)2009年6月4日至9月23日,模型1#～5#湿地仍在第1阶段条件下运行,但5#湿地出水处安装出水管,使其一部分出水排放到污水厂排水管道,另一部分通过安装于6#湿地进水管处的流量计进入6#湿地,使6#湿地水力停留时间为22.68d,水力负荷为0.06m3·m-2·d-1,CODCr污染负荷为0.40～1.20g·m-2·d-1。1.3材料2.2、3、4、5和6每周二、周四上午9点于每级湿地中央、表层水面下5cm处利用虹吸法采集水样,同时收集进水。进水单元用编号0表示,复合型湿地各级出水单元依次用编号1、2、3、4、5和6表示。监测指标包括水温、pH、DO、Eh、CODCr、TN、NO-3-N、NH+4-N、TP和PO43--P。指标测定方法如下:水温采用水银温度计测定,DO采用JPB-607型便携式溶氧测定仪测定,pH和Eh采用ORP-412型氧化还原电位测定仪测定,CODCr采用重铬酸钾法测定,TN采用酚二磺酸法测定,NO-3-N采用酚二磺酸光度法测定,NH+4-N采用纳氏试剂法测定,TP采用过硫酸钾消解法测定,PO43--P采用钼锑抗分光光度法测定。2结果与讨论2.1工艺ph值的变化由表2可知,模型各单元水温介于7.3～32.4℃之间,但除2009年1月8日、15日和19日的3次监测数据低于10℃以外,其他监测时间的水温均高于10℃。各工艺单元水温平均值维持在17.3～17.8℃之间,相对稳定的温度条件为模型试验研究提供了良好的运行环境。模型初始进水ρ(DO)介于3.20～7.39mg·L-1之间,平均值为5.60mg·L-1,经过一级垂直流湿地好氧微生物的消耗,ρ(DO)平均值降至4.06mg·L-1;随后由于连续的4级沉水植物氧化塘中沉水植物的光合作用,使得水体ρ(DO)逐级升高;至二级垂直流湿地时,进水ρ(DO)平均值达14.78mg·L-1,之后经二级垂直流湿地好氧微生物的作用,ρ(DO)平均值再次降低至7.90mg·L-1。模型各工艺单元pH值的变化与DO具有相似的规律性,模型进水平均pH值为7.31,在经过一级垂直流湿地之后,pH平均值降至7.20,这是由于微生物作用过程释放H+,从而降低水体碱度。在随后的4级沉水植物氧化塘中,沉水植物光合作用消耗水体中CO2,改变水体CO2-HCO3--CO32-平衡,pH平均值升高至7.94。此外,虽然硝化细菌的硝化作用也降低水体碱度,但是其降低量远小于沉水植物光合作用所导致的pH值升高量,因此水体pH值在4级沉水植物氧化塘中逐级升高。二级垂直流湿地中的微生物消耗碱度,使pH平均值再次降至7.46。模型各工艺单元的Eh平均值在230mV左右波动,处于一种强氧化状态,说明该模型以氧化过程为主,污染物的去除在好氧状态下进行。2.2湿区复合模型对污染物的去除效果2.2.1减少一级流湿地中的ss-水由图2可知,模型运行2个阶段的进水ρ(SS)波动较大,介于0.4～375.0mg·L-1之间,但模型仍表现出较强的抗冲击负荷能力。进水经过一级垂直流湿地之后,ρ(SS)呈现大幅度下降,介于1.0～62.0mg·L-1之间,这证明一级垂直流湿地中的石灰石对高浓度和波动性较大的SS有较好的过滤和吸附作用。当水体流经一级沉水植物氧化塘之后,ρ(SS)降低至2.0～16.0mg·L-1之间,这是因为相对较高的营养盐水平促进了一级沉水植物氧化塘中沉水植物的生长。观测也发现,一级沉水植物氧化塘中沉水植物的覆盖度明显高于其他氧化塘,从而使得浓密的沉水植物进一步截留了水体中悬浮的SS。一级沉水植物氧化塘之后的各工艺单元中,水体ρ(SS)略有降低,但波动幅度却明显降低,最终模型出水ρ(SS)低于10mg·L-1。2009年3月10日之前,模型进水ρ(SS)较低,平均值仅为7.4mg·L-1,之后则大幅度升高,平均值为111.0mg·L-1,但模型运行近1a内并未出现堵塞情况。2.2.2模型总水景cocdr模型运行2个阶段的出水ρ(CODCr)均达到地表Ⅲ类水标准(GB3838—2002)(图3)。模型进水ρ(CODCr)在4.1～200.0mg·L-1范围内大幅度波动,超过了GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准,但模型仍表现出了很强的抗冲击负荷能力。进水经过一级垂直流湿地之后,ρ(CODCr)降低至3.2～34.8mg·L-1之间,这说明一级垂直流湿地填料中有足够的异养微生物同化吸收进水中高浓度和波动性较大的有机污染物。一级沉水植物氧化塘使水体ρ(CODCr)进一步降低,介于0.8～29.7mg·L-1之间。在二级沉水植物氧化塘之后,各工艺单元出水ρ(CODCr)波动较小,模型最终出水ρ(CODCr)均低于20mg·L-1。2.2.322002年一级b标准模型进水ρ(TN)达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18919—2002)一级B标准。进水中N的主要形态为NO-3-N,m(NO-3-N)平均占m(TN)的68.7%,ρ(氨氮)(以NH+4-N计)较低,m(NH+4-N)平均占m(TN)的0.13%,而NO-2-N几乎可以忽略不计。2.2.3.模型运行阶段由图4可知,模型运行的第1阶段,水力负荷为0.13m3·m-2·d-1,进水ρ(TN)介于3.20～20.00mg·L-1之间,在一级垂直流湿地微生物的作用下,ρ(TN)降低至2.02～17.10mg·L-1之间,平均去除率为19.1%。连续的4级沉水植物氧化塘对TN的去除贡献比较小,使ρ(TN)降至0.65～16.50mg·L-1之间,平均去除率为9.3%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型出水ρ(TN)介于0.16～10.80mg·L-1,平均值为6.92mg·L-1,平均去除率为16.0%,明显高于地表Ⅲ类水标准。在模型运行的第2阶段,二级垂直流湿地的水力负荷调整为0.06m3·m-2·d-1,模型进水ρ(TN)介于6.16～14.90mg·L-1之间,经过一级垂直流湿地之后出水ρ(TN)介于2.50～10.10mg·L-1之间,平均去除率为37.4%。连续的4级沉水植物氧化塘使出水ρ(TN)介于0.64～6.84mg·L-1之间,平均去除率为40.5%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(TN)介于0.15～0.74mg·L-1之间(图4),平均去除率为18.2%,达到地表Ⅲ类水标准。研究表明水力负荷是影响人工湿地TN去除的一个主要因素。一般情况下,水力负荷越小,污水水力停留时间越长,TN的去除效率越高。这是因为水体中N的去除主要与微生物有关,而提高水力停留时间则意味着增加了水体中N与微生物的接触时间,从而提高了N的去除率。因此,模型运行的第2阶段,二级垂直流湿地的反硝化作用增强,最终出水ρ(TN)达到地表Ⅲ类水标准(图4)。2.2.3.模型运行阶段n由图5可知,模型运行的第1阶段,进水ρ(NO-3-N)介于2.34～14.30mg·L-1之间,在一级垂直流湿地反硝化细菌的作用下,ρ(NO-3-N)降低到0.35～12.40mg·L-1之间,平均去除率为19.1%。连续的4级沉水植物氧化塘对NO-3-N去除作用不是很明显,ρ(NO-3-N)介于0.45～9.96mg·L-1之间,平均去除率为9.2%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(NO-3-N)介于0.61～7.76mg·L-1之间,平均去除率为11.8%。在模型运行的第2阶段,进水ρ(NO-3-N)介于3.60～11.80mg·L-1之间,经过一级垂直流湿地之后出水降低到2.13～9.37mg·L-1之间,平均去除率为23.1%。连续的4级沉水植物氧化塘使ρ(NO-3-N)进一步降低到0～6.76mg·L-1之间,平均去除率为26.5%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(NO-3-N)介于0～0.57mg·L-1之间(图5),平均去除率为48.7%。从2个阶段模型对NO-3-N的去除率可以看出,水体中NO-3-N的去除主要是在二级垂直流湿地中完成。二级垂直流湿地水力负荷的降低增加了其水力停留时间,从而提高了NO-3-N的去除率,因为水力停留时间的增加促进了反硝化细菌与NO-3-N的作用时间。2.2.3.沉水植物nh+4-n对nh+4-n的降低响应由图6可知,模型运行的2个阶段,最终出水ρ(NH+4-N)均低于1.0mg·L-1,达到地表Ⅲ类水标准。模型进水ρ(NH+4-N)介于0～5.07mg·L-1之间,在一级垂直流湿地氨氧化细菌的作用下,ρ(NH+4-N)降低至0～3.43mg·L-1之间,平均去除率为55.6%。连续的4级沉水植物氧化塘使ρ(NH+4-N)进一步降低,介于0～1.60mg·L-1之间,平均去除率为14.9%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(NH+4-N)介于0～0.89mg·L-1之间,平均去除率为5.2%。从各功能单元对氨氮的去除率可以看出,水体中氨氮的主要去除方式为一级垂直流湿地中氨氧化细菌将氨氮氧化成NO-2-N或NO-3-N。2.2.4去p的效果进水中P的主要形态为可溶性PO43--P,m(PO43--P)平均占m(TP)的60.1%。2.2.4.模型运行阶段由图7可知,模型运行的第1阶段,模型进水ρ(TP)介于0.24～5.49mg·L-1之间,一级垂直流湿地对TP具有明显的去除作用,其出水ρ(TP)介于0.05～2.49mg·L-1之间,平均去除率为58.9%。水流在经过连续的4级沉水植物氧化塘之后,ρ(TP)进一步降低,介于0.02～1.73mg·L-1之间,平均去除率为14.9%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(TP)介于0.02～1.23mg·L-1之间,平均去除率为6.1%,尚未完全达到地表Ⅲ类水标准。但由图7可以看出,当该阶段进水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准时,模型出水ρ(TP)即能够达到地表Ⅲ类水标准。模型运行的第2阶段,模型进水ρ(TP)介于0.22～4.27mg·L-1之间,水流经过一级垂直流湿地之后出水ρ(TP)介于0.16～0.76mg·L-1之间,平均去除率为71.1%。而后连续的4级沉水植物氧化塘使出水ρ(TP)介于0.05～0.48mg·L-1之间,平均去除率为3.6%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(TP)介于0.02～0.14mg·L-1之间,平均去除率为18.4%,达到地表Ⅲ类水标准。由图7可以看出,该水力负荷下模型对TP的抗冲击负荷能力较大。上述结果表明,水体中TP主要是通过一级垂直流湿地中的石灰石吸附沉降和化学沉淀作用去除的。此外,降低二级垂直流湿地的水力负荷亦能够提高TP的去除率。2.2.4.稳定型的生长—2对PO43--P的去除效果由图8可知,模型运行的第1阶段,进水ρ(PO43--P)介于0.09～2.52mg·L-1之间,经过一级垂直流湿地之后出水ρ(PO43--P)有一定降低,介于0.05～2.42mg·L-1之间,平均去除率为30.7%。经过连续的4级沉水植物氧化塘之后出水ρ(PO43--P)进一步降低,介于0～1.30mg·L-1之间,平均去除率为28.1%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(PO43--P)介于0～1.19mg·L-1之间,平均去除率为8.8%。模型运行的第2阶段,模型进水ρ(PO43--P)介于0.09～0.52mg·L-1之间,经过一级垂直流湿地之后出水ρ(PO43--P)介于0.11～0.40mg·L-1之间,平均去除率为19.4%。经过连续的4级沉水植物氧化塘之后出水ρ(PO43--P)介于0.01～0.40mg·L-1之间,平均去除率为19.5%。沉水植物氧化塘出水经过二级垂直流湿地之后,模型最终出水ρ(PO43--P)介于0～0.18mg·L-1之间(图8),平均去除率为46.9%。水体中PO43--P除了能够被一级垂直流湿地中石灰石吸附沉降和化学沉淀之外,连续的4级沉水植物氧化塘较强的氧化环境,也促进了其化学沉淀和吸附沉降作用。另外,PO43--P是植物生长必不可少的营养物质,一级和二级垂直流湿地中的菖蒲及连续的4级氧化塘中沉水植物的同化吸收对PO43--P的去除亦有