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. 2F4 Journal of Harbin University of Commerce( Natural Sciences Edition) Apr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,北京100084)摘要:生活污永經(jīng)過(guò)二處理后的廢永中仍含有相當數量污染物,尤其是N、P含量較高采用表面流人工濕地處理系統,選取了3種常見(jiàn)的水生植物;香清、濘萍和蘆葦作為主體植物選行廢水的深度處理研究試驗結果表明,在水力負荷為0.04m3/m2·d時(shí),三類(lèi)人工濕地系統均有較好的效果,對BOD3的平均去除率分別為83.%%、86和.1%;對NHN的去除率分別為80.4%、815%、74.2%,對TN的去除率分別為37.0%、50.6%和362%;對TP的去除奉分別為71.9%72.2%和69.7%;采用一蟻反應動(dòng)力學(xué)方程對試驗數據進(jìn)行擬合,得到了該試驗條件下污染物去除的反應速率常數關(guān)鑣詞:人工濕地;生活污水;深度處理;水力夤荷中圖分類(lèi)號:X703文獻標識碼:A文章編號:1672-09×46(2012)02-0162-04Mechanism study about advanced treatment ofdomestic sewage by constructed wetlandsXIE Wei-ping, WANG Xin2(1. Yixing Emironmental Monitor Station, Yixing 2142062. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The effluent from second biological wastewater treatment plants has some polltant, especially about of N, P contaminants. This paper selected three surface flow construe-ted wetland systems with different plants: cattail, duckweed and reed to refine the wastewatersaid above. It was found out that three constructed wetlands had good purification effectWhen hydraulicloads of these syslem were 0. 04 m/m".d, the removal rate of BODs was83.9%, 82.6% and 77. 19, respectively. While the NH, -N had the removal rate of 804%,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 fitting the experimental data using firstorder kinetics equatioKey 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按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NP含收稿日期:2011-09-10基金項目:國家科技支撐計劃果題(2008BA8B13作者筒介: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量較高,排入受納水體后會(huì )導致富營(yíng)養問(wèn)題2.為進(jìn)一步去除生活污水二級處理后水中所含的N、P2.1.2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℃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0.04m/m2d停留時(shí)間為2d時(shí),3種人工溫地在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種沮地系統進(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)水研出水質(zhì)量濃度嚥濃度,面積為25m2,植物的種植密度為30株選擇處理榷物時(shí),要考察其耐污能力、去污效果、適合當地環(huán)境、根系抗病蟲(chóng)害能力及景觀(guān)效果等原則,通過(guò)前期靜態(tài)水培試驗篩選出3種相對條4.5件較好的水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦,并將3種植N1-N啊76物分別栽種于表面流人工混地試驗裝置中(W、13.51.2進(jìn)水水質(zhì)實(shí)驗用污水采取自某北方農村生活污水處理廠(chǎng)的二級生物處理后的污水,其水質(zhì)指標如表1所1進(jìn)水水質(zhì)22BOD去除效果分析NH-N在表面流人工濕地系統中,有機污染物通過(guò)沉(ng·L)m·L')《mg·L")/(mg:L3514-221.2-3.5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NH1N、mN,TP對BO3的去除起到了重要的作用),Sho等等,按照《水和度水監測分析方法》(第4版)中提人“指出混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BOD3的凈化都呈現出較好的效果,對2.1人工濕地運行效果BOD3的平均去除率分別為83.9%、82.6%和72.1.1水力負荷的確定1%;BOD3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)量濃度逐淅的設計條件下,不需要考慮污染物負荷的上限,但降低在78兩月處理效果最好,3種植物人工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2.0.0、2.7mg差,因此,水力負荷的上限是必須考慮的因素表2列舉了不同水力負荷條件下,人工溫地系統的去除W+W一齷率可以看出當水力負荷為006m3/(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006m3/(m2·d)以下,本研究中的水力負荷取004m3/(m2·d)表2不同水力負荷條件下的水質(zhì)凈化效率水質(zhì)指標去除率%水力負荷/(m3·m2d-)NH-N91590.356.531.125.87320.54.228.525.3圖13種溫地BOD4月平均出水質(zhì)量濃度164哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第28卷23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+、Fe3、AP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一N、NH2N)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(NO3、N03).濕地系統中氮的去除土壤,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,發(fā)揮主要率溫度由20℃升高到30℃,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78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)NH2N為71.9%22%和6.7%的去除另外溫度也是影響去除率的重要因素,圖日W:口W:口W2列舉了3種濕地系統在不同溫度下對NH2N的平均去除率可以看出隨著(zhù)溫度的升高濕地系統對NH2N去除率逐漸升高試驗中,濕地系統對NH3N的處理效果較好,7、8月份中NHNFNH2-N的去除率分別為80.4%、81.5%、742%20但對TN的去除效果并不理想,TN的平均出水質(zhì)量濃度在7~10m/L之間,平均去除率分別為圖3不同溫度下3種濕地TP的去除率37.0%、50.6%和362%.可能的原因是污水進(jìn)人工濕地后,有機氮、氨氮等也快速的轉化為NO2.5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N03向N2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的去除率解服從一級反應動(dòng)力學(xué)為基礎,常假設模型中的一四的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.一級動(dòng)力學(xué)模型通常的表達方式為:In(Co/C ) k/q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圖2不同溫度下3種濕地NHN的去除率上述的一級動(dòng)力學(xué)模型中只包含一個(gè)參數k,在 Eckenfelder: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)24磷的去除效果分析質(zhì)量濃度項在濕地中,即使沒(méi)有不可生物降解的濕地中磷的存在形式為有機磷和無(wú)機磷兩種,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一級反應動(dòng)力學(xué)方或沉淀物等.s等證明植物量大的人工濕程中加入背景質(zhì)量濃度項c(m地系統對磷的去除要更好些水生植物可去除n(C0-C/C-C)=kq(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人工濕地的出水年平均質(zhì)量濃度值可以看出,水體中,所以必須及時(shí)的收獲植物濕地土壤對磷BOD背景質(zhì)量濃度在12-3.0mg/L之間均值的吸附量與土壤中非結晶(等以發(fā)現磷為20mL本試驗中的出水質(zhì)量濃度甚至低于的去除也有著(zhù)至關(guān)重要的作和氧化鋁有顯著(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便計算,忽略背景質(zhì)量濃度(2):156-160.因此公式(2)變形為2]尹振娟楊揚,盧建等.生物法一人工濕地組合工藝對小鎮泥合污水貳素去除效果研究[冂].生態(tài)環(huán)境學(xué)報Co=C: exp( k/g)2010,19(5):1044-1049將本試驗中78月份的試驗數據按公式3進(jìn)3) ELSHEIKH M A, SALEH HI, ELQUOSY DE,a. Improvi行擬合從表4可看出,采用一級動(dòng)力學(xué)方程模擬water quality in podlualed drains with free water surface construc-污染物的去除效果,擬合效果較好ted wetlands[J). Eeological Engineering, 2007, 36( 10):1478表4擬合動(dòng)力學(xué)方程[4] SCHOLZ M, HARRINGTON R, CARROLL P, et al. The inte-擬合方程grated eonsnuctead wetlands(ICW) concept. [J. WetlandsD3C=Cep(6775/q)6.750.913402007,27(2):337-354NH3-N Co=C2ep(6.190/q)6.1900.93240[5]張軍,周琪何蓉表面流人工濕地中氮磷的去除機理INC=C,p(2.06/q)2.060.840刀].生態(tài)環(huán)境,2004,13(1):98-101C=C,exp(4.952/q[6 VYMAZAL J. Removal o nutrients in various types of construe.3結語(yǔ)led wetland[]]. Sci. Tutal Envirun, 2007, 380: 48-65[7] KADLEC R H. Phosphorus Removal in Emergent Free Surface試驗結果說(shuō)明表面流人工濕地深度凈化二級生物出水是適宜的,具有較好的凈化效果且運行效2005,40:1293-1306果穩定所選取的三種水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦8100 F. GARCIA M,usE. et al. Role ef Scirpus可以很好地適應濕地環(huán)境,在污水中生長(cháng)狀況良好.試驗表明,三種不同植物人工濕地在處理效果[9] DUNNE E J. CULlETON N.o' DoNoVAN G d al.Ph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 sorption by construeted wetland soils inNH12N、TP均有較好的去除效果,對TN的去除率outheast Ireland[J]. Water Res, 2005, 39( 18 ): 4355均較低各類(lèi)污染物的去除率隨溫度的升高而逐漸1 US Environment Protection Agency, Mamual- Conatructed提高.采用一級反應動(dòng)力學(xué)方程對試驗數據進(jìn)行擬合,擬合效果較好,得到了該試驗條件下BOD、99/010)[R]. Cincinnati, Ohio: Office of Research and Develop-NH2一N、TN和TP去除的反應速率常數ment, National Risk Management Research Laheralory, 1999.[11]KADLEC R H, KNIGHT R L, OHLENDORF H M. 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