三種人工濕地處理校園生活污水的實(shí)驗(yàn)研究

作者簡(jiǎn)介：潘龍（1988—），男，內(nèi)蒙古錫林浩特人,滿族,西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944(2014)05017506

1引言

人工濕地是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng),其設(shè)計(jì)和建造是通過(guò)優(yōu)化自然濕地的功能,利用濕地中的物理、化學(xué)和生物的共同作用,進(jìn)行廢水的處理［1,2］。人工濕地具有處理效果好、氮磷去除能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、工程基建和運(yùn)行費(fèi)用低及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［3］,受到廣泛的關(guān)注。然而,隨著高校人數(shù)不斷增加,校園污水產(chǎn)生量越來(lái)越大,如何有效的處理校園污水成了當(dāng)今校園內(nèi)主要問(wèn)題。筆者選用3種人工濕地進(jìn)行處理生活污水,以擴(kuò)大濕地類型選取范圍,增強(qiáng)人工濕地的實(shí)用性。

2材料與方法

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中采用了3種技術(shù)工藝:水平潛流人工濕地,垂直潛流人工濕地,以及自然曝氣內(nèi)循環(huán)垂直潛流人工濕地系統(tǒng)圖1、圖2、圖3,具體規(guī)格見表1。

圖1自然曝氣內(nèi)循環(huán)潛流濕地系統(tǒng)示意

2.2運(yùn)行方式

三套裝置從2012年5月初開始試運(yùn)行,從5月17日到10月11日,運(yùn)行21個(gè)周,裝置的水力停留時(shí)間為一周,在污水進(jìn)入裝置之前取進(jìn)水濃度,進(jìn)行單一系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán),在之后的運(yùn)行過(guò)程中每天取一次樣進(jìn)行監(jiān)測(cè),在第7天取出水濃度。水樣采集后立即送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。采集原則是每次在同一點(diǎn)進(jìn)行水樣采集,采集時(shí)間應(yīng)每次都在同一時(shí)間（表2）。

圖2垂直潛流濕地系統(tǒng)示意

圖3水平潛流濕地系統(tǒng)示意

表1系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

濕地類型濕地單元尺寸參數(shù)

(長(zhǎng)×寬×高)/m3基質(zhì)類型及填料規(guī)格植物

種類自然曝氣人工濕地2×1×1從上往下依次為厚0.2m粘土(空隙率49%),0.2m陶粒(粒徑5~15mm),0.1m碎石(粒徑8~16mm)茭草模擬人工

濕地系統(tǒng)垂直潛流人工濕地5.2×2×1.2從上往下依次為厚0.3m粘土(空隙率49%),0.3m碎石(粒徑5~8mm),0.3m碎石(粒徑8~16mm)蘆葦水平潛流人工濕地6.2×2×0.5從上往下依次為厚0.1m粘土(空隙率49%),0.1m碎石(粒徑5~8mm),0.1m碎石(粒徑8~16mm)茭草

表2原水水質(zhì)mg/L

項(xiàng)目范圍均值TN5.70~77.9239.43NH+4-N5.53~53.1230.19TP0.48~6.802.99PO3-40.43~6.172.90CODcr95.41~366.39213.16

2.3測(cè)試水質(zhì)和分析方法

水樣檢測(cè)指標(biāo)包括CODcr、TP、PO3-4、NH+4-N、TN、測(cè)定方法采用中國(guó)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)匯編——水質(zhì)分析方法,分別為重鉻酸鉀法、過(guò)硫酸鉀消解-721分光光度法、鉬銻抗分光光度比色法、納氏試劑分光光度法、堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法,具體方法見表3。

表3水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目的分析方法

檢測(cè)項(xiàng)目分析方法TN堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法NH3-N納氏試劑分光光度法TP過(guò)硫酸鉀消解-分光光度法PO3-4鉬銻抗分光光度比色法CODcr 重鉻酸鉀法

3結(jié)果與討論

3.1運(yùn)行參數(shù)對(duì)人工濕地處理效果影響

3.1.1最佳水力停留時(shí)間(HRT)選擇

HRT決定了污水與濕地的接觸程度,對(duì)處理效果有很大影響,根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行的6月7~27日,3個(gè)試驗(yàn)小周期的研究,考察統(tǒng)一HRT下濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水的處理效果。其中TN,TP,CODcr,如圖4所示。

結(jié)果表明:在統(tǒng)一HRT條件下,隨著的時(shí)間延長(zhǎng),3種人工濕地的去除率都逐步提高并且趨于穩(wěn)定。其主要原因有:濕地系統(tǒng)中的基質(zhì)、微生物和植物的吸附和降解是污染物去除的重要途徑,當(dāng)HRT過(guò)短時(shí),污染物去除達(dá)不到較好的效果。但HRT過(guò)長(zhǎng)也會(huì)因厭氧作用而產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)［4］,由于部分好氧微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸,降解活性下降,導(dǎo)致處理效率增加緩慢。此外,水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)增加實(shí)驗(yàn)周期,所以當(dāng)HRT=5d時(shí)濕地系統(tǒng)的除污效果已經(jīng)較好,各個(gè)濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率均達(dá)到50%~70%、對(duì)TP的去除率在70%以上、對(duì)CODcr的去除率基本上穩(wěn)定在80%~95%,并且去除率無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義差異,因此5d為系統(tǒng)最佳水力停留時(shí)間。

圖4三種濕地系統(tǒng)對(duì)TN,TP,CODcr,6月份三周去除率

3.1.2植物收割對(duì)人工濕地處理效果的影響

根據(jù)濕地的運(yùn)行情況設(shè)計(jì)在植物生長(zhǎng)情況最好的7月和8月之間進(jìn)行植物的收割,其中TP,TN,CODcr如圖5所示。

由圖5可知,適當(dāng)?shù)闹参锸崭钣欣谒|(zhì)凈化,夏季植物生長(zhǎng)旺盛的時(shí)候,植物會(huì)達(dá)到其最大生物量,當(dāng)進(jìn)行收割以后,植物的生長(zhǎng)將會(huì)對(duì)TN,TP,CODcr的去除率大幅增加。各個(gè)濕地系統(tǒng)在收割前TN的在第一天去除率均在60%以下、對(duì)TP的去除率在40%以下、對(duì)CODcr的去除率基本在 15%~30%,而收割以后,TN第一天去除率達(dá)到70%以上,TP去除率達(dá)到60%以上,CODcr平均去除率都達(dá)到了40%~50%,同時(shí)最終去除率也有所增加。這是因?yàn)橄募局参锷L(zhǎng),需要大量的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而進(jìn)水提供了這些營(yíng)養(yǎng)物的需要,所以收割后植物的吸收成了污染物去除的主要?jiǎng)恿Α?/p>

3.2不同人工濕地對(duì)處理效果的影響

3.2.1對(duì)TN的去除效果

氮在濕地系統(tǒng)中的循環(huán)轉(zhuǎn)化是一個(gè)很復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程,人工濕地系統(tǒng)對(duì)氮的去除主要依靠微生物的硝化、反硝化以及植物的吸收和氨氮的揮發(fā)作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3種地系統(tǒng)對(duì)TN去除率和單位體積削減量,作圖如圖6、圖7所示。

圖5三種濕地系統(tǒng)收割前后TN,TP,CODcr去除率

從圖6可知自然曝氣人工濕地在連續(xù)運(yùn)行的21周內(nèi)保持了一個(gè)良好的處理能力,去除率在80.86% ~98.74%,平均去除率達(dá)93.79%,生物硝化過(guò)程需要菌群的存在以及必要的好氧環(huán)境,自然曝氣可以為硝化提供良好的環(huán)境,所以自然曝氣人工濕地對(duì)TN的去除率極高。水平潛流人工濕地其去除率也相對(duì)平穩(wěn),去除率在71.25%~98.91%,平均可達(dá)90.58%,而垂直潛流人工濕地,去除率在59.86%~95.33%,平均范圍在75.83%,兩個(gè)濕地處理能力有一些的跳躍,可能是由于其地下部分在高濃度進(jìn)水運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定堵塞,從而造成去除率的不穩(wěn)定而引起的。

圖6不同人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率圖7不同人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN的削減量

從圖7可知,其中自然曝氣人工濕地平均單位體積削減量為13.20g/m3,垂直潛流人工濕地平均單位體積削減量為9.26g/m3,水平潛流人工濕地平均單位體積削減量為9.97g/m3,在周期內(nèi)單位體積的削減量呈現(xiàn)出自然曝氣人工濕地大于水平潛流人工濕地,而垂直潛流人工濕地其削減量最小,且三種類型的人工濕地系統(tǒng)的削減量與濃度呈正比關(guān)系,進(jìn)水濃度越高削減量越高。

進(jìn)水濃度范圍在5.70~77.92mg/L之間,波動(dòng)較大。進(jìn)水濃度波動(dòng)較大是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)開始到7月中旬和9月初至2013年1月是學(xué)校正常上課時(shí)間(即1~8周期和14~21周期),在校學(xué)生較多,導(dǎo)致污染負(fù)荷較大。而2012年7月中旬到9月初是暑假(8~14周期),在校學(xué)生較少,產(chǎn)生的污染負(fù)荷較少。

2014年5月綠色科技第5期3.2.2不同人工濕地對(duì)NH+4-N的去除效果

NH+4-N的去除主要取決于植物的供氧能力,植物輸送氧至根區(qū),根莖部產(chǎn)生好氧環(huán)境消耗污染物,在這種環(huán)境下,NH+4-N被氧化為NO2-N和NO3-N,其機(jī)理是通過(guò)硝化反應(yīng)先將NH+4-N氧化成硝酸鹽,再通過(guò)反硝化將硝酸鹽還原成氣態(tài)氮而從水中逸出［5］。

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