水平蘆葦濕地有機物和氨氮去除動態研究

[尼泊爾] K.R.佰斯塔 等

水平蘆葦濕地有機物和氨氮去除動態研究

[尼泊爾] K.R.佰斯塔 等

尼泊爾一直以來使用水平和垂直潛流濕地進行廢水處理，并依據其他國家的經驗成果設計濕地處理單元。到目前為止，由于處理單元的性能對微生物的特性、氣候條件和當地環境的其他屬性比較敏感，導致已開發的合理設計標準存在一些局限性。其次，目前為此而對濕地系統特性開展的研究相當有限。考慮到以上因素，確立了主要研究目標：①從有機物和氨氮去除方面，評估潛流蘆葦濕地系統的特性；②評估反應速率常數和有效比表面積；③評估濕地系統性能與使用年限間的關系；④探討反應速率常數的動態特征。研究選擇了3個全尺度和1個中試規模的生活污水處理單元，其水平流濕地的使用年限為1～5 a。

蘆葦濕地；動態特征；有機物和氨氮去除；潛流系統；廢水處理；尼泊爾

1 概 述

發展中國家城市化和經濟活動的快速增長，導致廢水量不斷增長，而廢水對地表水和地下水源造成巨大威脅。人們一直在竭盡全力建設傳統的廢水處理設施。然而，由于處理設施建設成本高、運行復雜和維護不便，其應用受到限制。在天然廢水處理系統中，人工濕地(CW)被認為是一種簡易且性價比高的生態廢水處理技術。通過對植被和系統其他部分進行更好的水力控制，可優化工藝，克服自然濕地缺點。曾有專家指出，利用水生植物處理廢水的人工濕地已在各個國家得到廣泛應用，如德國、美國、澳大利亞、英國、中國和印度。這些植物對廢水處理過程的起到重要的物理作用，包括過濾、創造生物膜表面、大型植物吸收營養鹽和釋放氧氣的新陳代謝。

自從1997年以來，尼泊爾院校和中小型規模社區使用水平流和垂直潛流蘆葦(卡開蘆種)濕地處理廢水，目前，正在運行的濕地有10多個，處理能力為0.5～115 m3/d，根據其他國家濕地的經驗成果進行設計。為了判定合理標準，對少數濕地進行了系統特性的研究。

在此背景下，本研究將有助于了解蘆葦濕地處理城市污水中有機物和氨氮的動力學機制。研究目標主要有：評估有機物特性、有機負荷(OLR)不同量級下的氨氮去除率、水平潛流濕地(HFB)運行年限；評估濕地縱向不同橫斷面處理性能；確定反應速率常數和生物膜細菌利用的基質比表面積。

方程(1)為基于一階動力學和平推流模型的推理公式，運用于人工濕地的總體設計。

Ce=Coe-kt

(1)

式中,Ce表示COD出水濃度，mg/L；Co表示COD進水濃度，mg/L；k表示反應速率常數，d-1；t表示水力停留時間(HRT)，d。

曾有學者提出用方程(2)評估反應速率常數：

k=ks+asηsLfkb

(2)

式中，k表示整體反應速率系數，d-1；ks表示細菌懸浮反應速率系數，d-1；as表示有效比表面積，m2/m3；ηs表示生物膜有效因子；Lf表示生物膜厚度，m；kb表示生物膜反應速率常數，d-1。

眾多學者先后指出，處于運行階段的人工濕地，其有效比表面積本質上就是生物膜面積，它有助于基質分解或轉移，該基質為有機質或以氨氮或磷形式存在的營養鹽。

為了比較可用生物膜面積不斷變化的各種自然處理系統的有效比表面積，有學者引進一個面積系數(δ)，為無量綱，見方程(3)。

δ=ash

(3)

式中h為系統深度，m。

大型淺水盆地僅將占地面積作為生物膜細菌可利用的有效表面積，δ值是單一的。曾有學者提出，如果將挺水植物看作額外的生物膜表面，密集的挺水植物的δ值則約為5，再加上水中的垃圾，能進一步提高δ值，δ≈10。

本文也討論了αs、δ的理論值和經驗值，以及假設條件下蘆葦濕地早期和成熟期孔隙率。以上參數經驗值可從實際反應速率常數和使用方程(2)，(3)得到。

表2 濕地廢水進水特征匯總

2 材料與方法

2.1 蘆葦濕地簡介

該研究在3個全尺度和1個中試規模的生活污水處理設施上進行，設施均包括人工濕地，分別位于尼泊爾加德滿都大學(KU)、什里克漢德普爾(Shrikhandpur)社區(SC)、杜里克爾(Dhulikhel)醫院(DH)及普爾喬克(Pulchowk)工程學院(PE)。以上設施已分別運行0.8，2，4，5 a。每個設施基本情況和運行條件見表1。

表1 蘆葦濕地基本情況及運行條件匯總

水平潛流蘆葦濕地的橫斷面示意見圖1。

圖1 蘆葦濕地典型橫斷面示意

2.2 采樣與分析

以上4套廢水處理設施都包括沉淀池和水平流濕地(HFB)。然而，KU和DH處理設施還包括垂直流濕地(VFB)，HFB處理后的出水為VFB的進水。濕地通過重力作用維持水流的連續性。為了更好地比較濕地的處理效率，本研究僅分析HFB。對KU和DH每4 h采一次水樣，連續3 d進行1輪采樣，每套設施共進行4輪采樣。對PE按連續1周每天采樣1次，針對3種流量(8，11，15 m3/d)應用相同的采樣方案。而對SC，連續3 d每天采樣1次。

KU、DH和SC濕地高程為1 550 m，PE濕地高程為1 324 m。兩處年均雨量分別為1 711 mm和1 430 mm，其中90%以上的降雨發生在6～8月份。兩處年均氣溫分別為17 ℃和18 ℃。研究在冬季開展，因此未考慮濕地蒸散發量的損失。根據“水和廢水分析標準方法”進行水樣分析。

3 結果與討論

3.1 廢水特征

表2匯總了蘆葦濕地處理廢水的特征。數據表明，KU、PE 和DH濕地進水量處于中等強度，而SC濕地進水量處于高等強度。

3.2 濕地整體特性

KU蘆葦濕地有機物和氨氮平均去除率分別為66%和52.0%，PE相應為86.6%和54.7%，SC相應為80.0%和5%，DH相應為63%和6%。試驗表明，去除率取決于過程變量，如HRT和蘆葦濕地的運行年限。濕地整體性能見表3。

表3 各蘆葦濕地污染物去除特征匯總

表4 有機物和氨氮的反應速率常數匯總

3.3 沿河床方向的不同特性

PE濕地各采樣點有機物和氨氮的去除特征見圖2。從圖2可見，沿河床方向2個參數的濃度顯著下降。然而，隨著負荷的增加，2個參數的去除性能減弱。圖2也呈現了分明的分解趨勢。前一半線性關系明顯，而后一半則表明污染物去除處于飽和階段。圖2也說明了有機物的分解在河床的前半段完成更快，而氨氮去除發生在河床的后半段。

圖2 有機物沿HFB濕地長度方向去除率變化示意

3.4 反應速率常數

表4匯總了方程(1)使用特征值獲得的反應速率常數。標準偏差反映了進水特征和河床特征的變化。Ku的HFB平均反應速率常數k為1.1 d-1，這同基質孔隙率為0.25～0.45的潛流CW系統的1.104 d-1建議值相差很小。PE濕地3個HRT下的反應速率常數分別為0.83-1、1.4 d-1和1.3 d-1，該濕地運行了2 a。研究發現反應速率常數也取決于河床的使用年限。調查發現，在2 a時間范圍內，k值成倍增加。早期的研究反映k值是外部因素和內部因素的函數。1997年卡德萊茨指出，k值與HLR和OLR或濕地HRT關系密切。與此相似，眾多學者先后提出k值為可利用生物膜細菌比表面積的函數。然而，本研究的調查結論強調了k值的重要性，明確指出人工濕地的運行優化意味著廢水應能到達濕地所有地方，以充分利用生物膜細菌。然而，做出這樣的假設似乎是不現實的，人工濕地絕不會存在透水性和有效比表面積最佳值這樣的理想境況。即使能取得這樣的條件，也僅是一個暫時現象。

濕地滲透系數取決于基質顆粒直徑、顆粒級配和形狀、河床孔隙率和顆粒分布。植物根系提高了顆粒大小和顆粒數量，從而改變了孔隙率，同時孔隙率在垃圾和顆粒沉積的作用下也會發生連續性變化。滲透系數特性超出了設計人員或是運行人員的控制，預測也比較困難。與此相似，全面控制外部因素，如負荷率和HRT，也是不可能的，因為濕地運行中要控制k值是相當麻煩的。由表4可見，在上述討論的基礎上，PE濕地得到的k值最高，為1.4 d-1，其他OLR為103 kg/(hm2·d)，HRT為3.5 d，為中間值。這表明，高負荷率或較短的HRT相應低負荷率或較長的HRT代表著濕地系統未得到優化，或未充分利用可獲得生物膜細菌的潛在區域。

3.5 有效比表面積

使用方程(2)和方程(3)，所得結果見表4，采用卡蒂瓦達等學者于1999年提出用ηs、Lf和kb估計值估算每個蘆葦濕地的αs和δ值，結果見表5。結果表明，濕地河床提供的有效比表面積在27～71 m2/m3范圍內變化，這意味著可利用的生物膜面積是濕地河床占地面積的15～42倍。曾有學者估算出潛流濕地的αs和δ理論值分別為360 m2/m3和162，它假設濕地河床充填的圓形顆粒直徑為1 cm。與此相似，1999年卡蒂瓦達等學者估算出潛流濕地的理論值，假設河床僅充滿植物根系。本文提出若植物根系直徑為100 μm下，αs和δ理論值分別為24 000 m2/m3和16 800。估算這2個值的基本假設為生物模以柱狀形式與植物根部接觸。盡管如此，由于堵塞、死水、滲透系數小、植物根系相對龐大或垃圾累積等，可認為生物膜應與這一平板幾何形狀相吻合。這類表面生成生物膜的概率極低，導致αs和δ值較低。使用表4資料，方程中用卡蒂瓦達等學者建議的平板形狀代替柱狀形狀，發現蘆葦濕地的αs和δ值變化范圍分別僅為10～26 m2/m3和5～15。這些發現引出一個重要的推論，即k值較低的濕地河床，其有效比表面積大幅度下降。這一結論有助于理解早期濕地和成熟濕地河床k值的差異。

表5 比表面積和面積系數匯總

3.6 動態特征

基質出水濃度和HRT間的關系見圖3。使用方程(1)可得到3類濕地早期的(<1 a)、中間的(1～4 a)和成熟的(>4 a))的出水濃度隨HRT的增加而下降的變化圖形。從圖3可見，當濕地成熟以后，在HRT較短情況下，可獲得與HRT較長情況下相同的處理水平。這可用表5和下列2個理論關系加以說明。

圖3 濕地動態動力學特征示意(C0=300 mg/L)

(4)

(5)

式中,θ為河床的孔隙率;dp為顆粒直徑。

當濕地河床的反應速率常數和相應的有效比表面積隨著時間的推移而增大時，2個參數的變化必然與植物根系數量和直徑的增加及河床孔隙率下降有關。河床孔隙率因植物根系直徑的增加而發生重大改變，有效比表面積則根據方程(4)和方程(5)中顯示的關系相應增加。

1996年中國學者提供了顆粒大小和形狀間的關系及相應的孔隙率。2003年畢斯塔觀測到1 a生長期植物根系體積下，KU濕地的孔隙率下降了3%。盡管如此，由于堵塞、死水、滲透系數小、植物根系較大或垃圾累積等，預計αs值和相應的反應速率常數將增加至臨界值。期望開展進一步的研究，找到以上參數的權衡值。

4 結 論

本研究目的是規范水平流蘆葦濕地系統的設計屬性。對3個全尺度和1個中試規模的蘆葦濕地開展了調查。HRB濕地有機物去除率在65%～87%范圍內變化，氨氮去除率在5%～80%范圍內變化。如果考慮絕對去除率，有機物去除率高于氨氮。研究結果清楚表明有機物分解和氨氮去除的發生存在先后順序。沿濕地河床方向的實測污染物去除率論證了以上事實。反應速率常數作為HRB設計的動態參數，有機物、氨氮與比表面積變化范圍分別為1.1～2.91 d-1，0.09～0.73d-1和27～71 m2/m3，相應的面積系數變化范圍為16～42。以上研究結果與其他研究人員的研究結果一致。反應速率和相應有效生物膜面積隨著濕地的成長而增加。盡管如此，研究結果也表明，在濕地退化之后，由于濕地出現堵塞、死水、滲透系數小、植物根系過于發達或垃圾累積等，出現了臨界值。

邱訓平 譯

(編輯：朱曉紅)

1006-0081(2017)03-0040-04

2016-11-28

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