人工濕地深度處理生活污水的機理研究

第28卷第2期哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol. 28 No.22012年4月Journal of Harbin University of Commerce ( Natural Sciences Edition)Apr. 2012人工濕地深度處理生活污水的機理研究，謝衛平',王欣2(1.宜興環(huán)境監測站,江蘇宜興214206;2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京1008摘要:生活污水經(jīng)過(guò)二級處理后的廢 水中仍含有相當數量污染物,尤其是N、P含量較高采用衰函流人工濕地處理系統,選取了3種常見(jiàn)的水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦作為主體植物進(jìn)行廢水的深度處理研究試驗結果表明,在水力負荷為0.04m2/m2.d時(shí),三類(lèi)人工濕地系統均有較好的效果,對BOD,的平均去除率分別為83.9% .82.6%和77.1%;對NH,- N的去除率分別為80.4% .81.5%、74.2% ,對TN的去除率分別為37.0% .50.6%和36.2% ;對TP的去除率分別為71. 9% .72.2%和69.7%;采用一級反應動(dòng)力學(xué)方程對試驗數據進(jìn)行楓合,得到了該試驗條件下污染物去除的反應速率常數.關(guān)鍵詞:人工濕地;生活污水;深度處理;水力負荷中圖分類(lèi)號:X703文獻標識碼:A文章編號:1672 -0946(2012)02 -0162 -04Mechanism study about advanced treatment ofdomestic sewage by constructed wetlandsXIE Wei-ping' , WANG Xin2(1. Yiring Emironmental Monior Station, Yixing 214206 , China;2. School of Environment, Tsingbua University , Beijing 100804 , China)Abstract: The efluent from second biological wastewater treatment plants has some pollu-tant, especially about of N ,P contaminants. This paper selected three surface flow construc-ted wetland systems with different plants : attail, duckweed and reed to refne the wastewatersaid above. It was found out that three constructed wetlands had good purification efect.When hydraulicloads of these system were 0.04 m'/m2●d, the removal rate of BOD, was83.9% ,82.6% and 77.1% , respectively. While the NH,- -N had the removal rate of 80.4% ,81.5% and 74.2% ,the TN had the removal rate of 37. 0% ,50. 6% and 36. 2% , theTP had 71.9% ,72. 2% and 69. 7% , respectively. The reaction rates of pollutant removalunder the experimental conditions were computed by ftting the experimental data using first- order kinetics equation.Key words :constructed wetlands ; domestic sewage; advanced treatment; hydraulicload人工濕地作為一種生態(tài)型污水處理技術(shù),具有便運行穩定、生態(tài)景觀(guān)效果好等特點(diǎn)因此,表面投資運行費用低、處理效果好、運行穩定等優(yōu)流人工濕地已經(jīng)被廣泛應用于河流、湖泊水質(zhì)保點(diǎn)".按濕地結構形式可分為表面流人工濕地、潛持、面源污染控制、受污染水體修復等.流人工濕地和垂直流人工濕地等.相比之下，表面隨著(zhù)我國農村經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展,生活條件日趨流人工濕地具有結構形式接近于天然濕地,管理方改善,生活污水的產(chǎn)生量日漸加大,廢水中N、P含中國煤化工收稿日期:201 -09 - 10.基金項目國家科技支撐計劃課題(2008BA)08B13).MYHCNMHG作者簡(jiǎn)介:謝衛平(1973 -) ,男,高級工程師,研究方向:環(huán)境監測與管理.第2期謝衛平,等:人工濕地深度處理生活污水的機理研究●163●量較高排人受納水體后會(huì )導致富營(yíng)養問(wèn)題i2.為進(jìn)一步去除生活污水二級處理后水中所含的N、P 2.1.2 綜合運行效果等元素,本研究以人工濕地處理系統,采用不同的本試驗期為8個(gè)月,期間氣溫在20~35 C之處理植物,探討三類(lèi)處理系統的凈化效率和效果.間.表3列出了水力負荷為0.04 m'/m2●d,停留時(shí)間為2 d時(shí),3種人工濕地在7、8月份連續運行1試驗裝置與方法后的進(jìn)出水平均質(zhì)量濃度.1.1 試驗裝置表33種溫地系統進(jìn)出水平均質(zhì)量濃度本試驗裝置為表面流人工濕地,水深為0.5進(jìn)水質(zhì)出水質(zhì)去除率項目量濃度最放魔m,面積為25 m2 ,植物的種植密度為30株/m'./(m:L”(理心%選擇處理植物時(shí),要考察其耐污能力、去污效83.9果、適合當地環(huán)境根系、抗病蟲(chóng)害能力及景觀(guān)效果BOD,1.52.082.6等原則,通過(guò)前期靜態(tài)水培試驗篩選出3種相對條w11.8_2.777.14.0.8880.4件較好的水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦,并將3種植NH,-N4.10.7681.5物分別栽種于表面流人工濕地試驗裝置中(W、3.10.8074.2W2、W).13.58.537.0rN15.450.61.2 進(jìn)水水質(zhì)15.29.36.2實(shí)驗用污水采取自某北方農村生活污水處理2.60.7371.9廠(chǎng)的二級生物處理后的污水,其水質(zhì)指標如表1所2.0.7572.2 .3.0.9469.7_示表1進(jìn)水水質(zhì)2.2 BOD, 去除效果分析項目.. 《(ng:L"/(哩少(/(m.心)在表面流人工濕地系統中,有機污染物通過(guò)沉范圍10-243-514-221.2-3.5淀、過(guò)濾吸附等作用截留在濕地中,然后被微生物降解去除.反應過(guò)程中主要氧源來(lái)自水面復氧和植1.3監測指標及方法物產(chǎn)氧濕地系統中附著(zhù)生長(cháng)在植物表面的微生物本試驗主要測定項目包括ss .NH,-N ,TN.TP對BOD,的去除起到了重要的作用”。Scholz等等.按照《水和廢水監測分析方法》(第4版)中提人[“指出濕地系統擁有強大的去污功能主要基于供的方法進(jìn)行監測.兩點(diǎn)原因:一是其內部存在著(zhù)大量而豐富的微生物,二是具有較長(cháng)的水力停留時(shí)間.三種植物人工2結果與分析濕地對BOD,的凈化都呈現出較好的效果，對2.1 人工濕地運行效果BOD,的平均去除率分別為83.9% .82. 6%和77.2.1.1水力負荷的確定1% ;BOD,月平均出水質(zhì)量濃度如圖1所示,可以針對進(jìn)水為二級出水的濕地系統而言,在正?？闯?隨著(zhù)溫度的升高,出水BOD,質(zhì)量濃度逐漸的設計條件下,不需要考慮污染物負荷的上限,但降低.在7.8兩月處理效果最好,3種植物人工濕太高的水力負荷通常會(huì )導致處理系統出水效果變地的平均出水質(zhì)量濃度分別是2. 0.2.0、2.7 mg/差,因此,水力負荷的上限是必須考慮的因素.表2L列舉了不同水力負荷條件下，人工濕地系統的去除率,可以看出當水力負荷為0.06 m'/(m2 .d)以上時(shí),出水水質(zhì)急劇變差,因此適宜的水力負荷應該在0.06 m'/(m2.d)以下,本研究中的水力負荷取0.04 m'/(m2●d).表2不同水力負荷條件下的水質(zhì)凈化效辜水質(zhì)指標去除率%水力負荷/( ma●d)中國煤化工8 00.02 0.04 0.06 0.08 0.191.5 90.3 56.5 31.1 25.8T73.2 70.5 44.2 28.5 25.3CTHCNMH G■濃度●164.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第28卷2.3氮的去除效果分析的正相關(guān)性.水中的磷酸鹽會(huì )與土壤間隙水中表面流人工濕地中含氮化合物主要包括顆粒Ca2*、Fe'*、Al+離子及其氧化物等反應，生成難溶有機氮、溶解有機氮、氨態(tài)氮(NH,°- -N、NH,- -N)物質(zhì),經(jīng)過(guò)互相聚合或吸附在土壤顆粒上形成新的和硝態(tài)氮( NO-、NO2- )[)].濕地系統中氮的去除土壤"0].試驗期間TP的去除率隨溫度的升高而提途徑包括氨揮發(fā),硝化-反硝化,固氮,微生物和植高,圖3列舉了不同溫度下三種濕地對TP的去除物的吸收,氨化,厭氧氨氧化、吸附等'0 ,發(fā)揮主要率,溫度由20 C升高到30 C ,去除率提高了25%作用的是硝化-反硝化和植物的吸收.其中NH,-左右.7、8月份溫度適宜，植物生長(cháng)迅速，促進(jìn)了濕N的去除主要取決于污水中微生物量和含氧量,水地系統對TP的去除,三種濕地的平均去除率分別生植物可通過(guò)根區向水中釋放氧氣,促進(jìn)NH,-N為71.9%、72. 2%和69.7%.的去除.另外溫度也是影響去除率的重要因素,圖1002列舉了3種濕地系統在不同溫度下對NH,-Ns0的平均去除率.可以看出隨著(zhù)溫度的升高,濕地系60-統對NH,- -N 去除率逐漸升高.試驗中,濕地系統40-對NH,-N的處理效果較好, 7、8月份中NH,-N出水質(zhì)量濃度的平均值在0.7 ~0.9 mg/L之間，NH - -N的去除率分別為80. 4%、81.5%、74. 2%.2253(0/0但對TN的去除效果并不理想，TN的平均出水質(zhì)量濃度在7 ~ 10 mg/L之間，平均去除率分別為團3不同溫度下3 種濕地TP的去除辜37. 0%、50. 6%和36.2% .可能的原因是污水進(jìn)入人工濕地后,有機氮、氨氮等也快速的轉化為NO'-2.5表面流人工濕地動(dòng)力學(xué)模擬方程和NO?-等無(wú)機氮,有機污染物迅速被降解去除,導用于濕地的一-級動(dòng)力學(xué)方程,主要考慮處理負致反硝化時(shí)碳源不足,限制了NO'- 向N,的轉化，:荷與處理效率之間的關(guān)系,模型的推導以基質(zhì)的降降低了TN的去除率.解服從- -級反應動(dòng)力學(xué)為基礎,常假設模型中的一些參數如速率常數等為常量,與水力負荷或進(jìn)水質(zhì)量濃度無(wú)關(guān),以及濕地中的水流形態(tài)為穩定的柱塞80流等. - -級動(dòng)力學(xué)模型通常的表達方式為:40ln(C%/C,) = k/q. .(1)是20其中:C。為系統進(jìn)水質(zhì)量濃度, mg/L; C為系統出水質(zhì)量濃度,mg/L; k為面積速率常數,cm/d; q為系統水力負荷, cm/d.上述的一級動(dòng)力學(xué)模型中只包含一一個(gè)參數k,圖2不同溫度下3種濕地NH, -N的去除率在Eeckenfelder模型中,如果污染物種存在不可生物降解部分,則需在方程中加入不可生物降解物質(zhì)2.4磷的去除效果分析濕地中磷的存在形式為有機磷和無(wú)機磷兩種,質(zhì)量濃度項.在濕地中,即使沒(méi)有不可生物降解的污染物,大氣或地下水的貢獻、化學(xué)作用以及生物其中只有游離態(tài)的正磷酸鹽是可以被水生植物和地理化學(xué)循環(huán)也會(huì )產(chǎn)生背景質(zhì)量濃度.于是Kadlec藻類(lèi)可以直接利用的.濕地中磷的去除途徑包括:和Knight建議引入背景質(zhì)量濃度,低于背景質(zhì)量吸附和沉降、植物和微生物的吸收及形成新的土壤濃度的污染物不能被降解,并在- -級反應動(dòng)力學(xué)方或沉淀物等(". Soto等(8]證明植物量大的人工濕程中加入背景質(zhì)量濃度項c*l1:地系統對磷的去除要更好些，水生植物可去除ln(Co-C*/C,-C*)= k/q.(2)17%左右的正磷酸鹽和約10%的TP.但儲存在植依據北美人工濕地數據庫中用于三級處理的物體內的磷會(huì )隨著(zhù)植物的枯萎和死亡重新釋放到表流中國煤化工值可以看出，水體中,所以必須及時(shí)的收獲植物.濕地土壤對磷BOD,L之間,均值的去除也有著(zhù)至關(guān)重要的作用,Dunne等')發(fā)現磷為2.TH.CNMHC度甚至低于的吸附量與土壤中非結晶態(tài)的鐵和氧化鋁有顯著(zhù)此值,說(shuō)明試驗中 的背景質(zhì)量濃度很低同時(shí)為方第2期謝衛平.等:人工濕地深度處理生活污水的機理研究●165.便計算,忽略背景質(zhì)量濃度.(2):!56 -160.[2]尹振娟,楊 揚,盧建,等 生物法-人工濕地組合工藝對因此公式(2)變形為:小城鎮混合污水氮素去除效果研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報。.Cp= C; exp( k/q).(3)2010, 19(5): 1044 - 1049.將本試驗中7、8月份的試驗數據按公式3進(jìn)[3] FLSHEIKH M A, SALEH HI, ELQUOSY DE,at al. Improring行擬合.從表4可看出,采用一級動(dòng)力學(xué)方程模擬waler quality in polualed drains with froe water surfuce construc-污染物的去除效果,擬合效果較好.ted weluds[J]. Eolojical Enginering, 2007 ,36( I0):1478畏4擬合動(dòng)力學(xué)方程- 1484.[4] SCHOLZ M, HARRINGTON R, CARROLL P,a al. The into參數撒合方程(m.d-)grated conlnuctoed wetlands (ICW) concepl. [J]. Wellands,Cg= C, exp(6.775/q)6.775 0.913 402007, 27 (2):337 - 354.NH,-N Co= C exp(6.190/q)6.190 0.932 40[5]張軍,周琪何蓉表面流人工濕地中氮磷的去除機理ICo= G exp(2.06/q)2.06 0.87 40[].生態(tài)環(huán)境，20040, 13(1):98 -101.TC= C ep(4. 952/q)4.952 0.891 40[6] VYMAZAL J. Removal of nutrients in various types o construc-ted welande[J]. Sei. Toul Enwirun, 2007, 380: 48 -65.3結語(yǔ)[7] KADLEC R H. Phuporus Removal in Emergent Froo Surface試驗結果說(shuō)明表面流人工濕地深度凈化二級Wetlands[ J]. Joumal of Emivnnent Seience und Helth,2005, 40;1293 - 1306.生物出水是適宜的，具有較好的凈化效果且運行效[8] SOTOF, GARCIA M, LIs E.et al. Role of Sipus Lacustris果穩定.所選取的三種水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦in bactenial and nttrient removal from wastewater[J]. Walter.可以很好地適應濕地環(huán)境,在污水中生長(cháng)狀況良Sei. Technol, 1999 40 (3):241 -247.好.試驗表明,三種不同植物人工濕地在處理效果[9] DUNNE E J, CULIETON N, 0' DONOVAN G.a al. Phaer-方面沒(méi)有表現出較顯著(zhù)的差異,對有機物、懸浮物、phorus retention and sorpion by constnucted welland soils inNH,- -N TP均有較好的去除效果,對TN的去除率Southeat leland[J]. Water Res. 2005, 39 (18):4355 -4362.均較低.各類(lèi)污染物的去除率隨溫度的升高而逐漸[10] Us Environnent Prleetion Ageney. Munual - Conetlncted提高.采用- -級反 應動(dòng)力學(xué)方程對試驗數據進(jìn)行擬Welands Trulment of Municipal Waslewalers (EPA/625/R一合,擬合效果較好,得到了該試驗條件下BOD、99/010)[ R]. Cncinati,Ohio; 0fice of Resrarh und Devekp-NH,- :N .TN和TP去除的反應速率常數.ment, Natonal Risk Management Reseurch Labonlony, 999[11] KADLEC R H, KNICHT R L, HILENDORF H M. The ue of參考文獻:trealment welands for petoleum industy efuents[J]. Environ-mental Stience & Technology, 199 33 (7) :973 -980.[1] 譚學(xué)軍,唐 利,周琪人工濕地污水處理技術(shù)原理與數學(xué)楨型[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)根:自然科學(xué)版,2008,24(.上接152頁(yè))1990.86;190 - 196.可達85.39% ,COD的去除率為34. 60% ,濁度的去[4]蔣明亮銅防腐劑及百菌清處理3種木材的野外耐久性能[J].木材工業(yè)，2006, 20(5):11-13.除率為87. 01 % .通過(guò)投加助凝劑只能改善濁度的[5] ASCE&AWWA. Water Treutment Plnt Design[M]. 2nd od.去除效果,對百菌清和COD的去除影響不是很大，New Yort:MeCRAW - Hill Pbising cO. ,990.因此從經(jīng)濟和出水水質(zhì)的角度來(lái)講,沒(méi)有必要投加[6] CHRISTIAN v, KIMBERLY B, EVA I,eal. Impact of明混凝劑來(lái)去除污水中的百菌清.hanced and opinied cogulatin on renoval of organie matterand is bidegadable faction in drinking water[J]. Wwater Re-seach, 2000, 34(12) :3247 -3257.[1]史秀珍， 百菌清降解菌的篩選及其降解特性研究[M].北[7]半敏.強化混凝處理做污染水源水[D].武漢: 武漢科技大學(xué)，2005: 12.點(diǎn):中國農業(yè)科學(xué)院，2007.2] 杜益平.百慕清排放標準限值的探討[D].南京:南京信息8] 石文揚，盛力,姜志飛加藥量與pH值對強化混凝去除有機物的影響研究[J].吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報. 2008(1);工程大學(xué)，2007.3] W00Ds T L, BELL J P. Development of Chlorothalonil 8 a中國煤化工Wood Prerative. Proe. Am[J]. wood Peerers . Assoe. ,YHCNMHG