組合式垂直流人工濕地裝置對生活污水處理效果研究*

麥榆敏，周偉民，賴僥鵬，黃鑫峰，肖 涵，楊俊華，黃錦偉，陳 露，劉小燕

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院城建與環(huán)境學(xué)院，廣東 東莞 523000)

目前，隨著生活水平的普遍提高，產(chǎn)生大量的生活污水，不僅僅給現(xiàn)有的污水處理廠帶來更大的處理負(fù)荷，還已經(jīng)嚴(yán)重污染了水體環(huán)境，為使污水達(dá)標(biāo)排放、回用污水安全和保護(hù)受納水體，對未達(dá)標(biāo)排放的污水進(jìn)行深度處理顯得尤其重要，如何深度處理生活污水已經(jīng)成為社會研究的重點。人工濕地[1]作為污水處理技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，由基質(zhì)、植物和微生物三者共同作用，可達(dá)到高效凈化去除污染物的作用[2]。人工濕地生態(tài)系統(tǒng)具有投資低、抗沖擊力強、操作簡單、維護(hù)和運行費用低廉、增加綠地面積、改善和美化生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，對富營養(yǎng)化元素、有機物、無機物、重金屬和致病微生物等污染物起到有效的凈化作用[3]，是得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展的污水處理新技術(shù)，主要由填料、植物和微生物組成，利用人工濕地自然生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三者協(xié)同作用形成的最佳組合進(jìn)行凈化污染物[4]，對污染物的凈化機理包括沉淀、過濾、吸附、離子交換配位平衡、微生物降解和植物吸收等作用[5]。現(xiàn)在人工濕地已被廣泛地應(yīng)用于生活污水[6]、暴雨徑流、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)徑流、酸性采礦廢水和垃圾滲濾液等各種廢水的處理，作為一種污水處理系統(tǒng)不僅具有重要的污水處理能力，而且具有資源恢復(fù)利用的功能[7]。

目前，大多數(shù)人工濕地被運用到大型的環(huán)境工程項目中，這些人工濕地系統(tǒng)不僅基建建設(shè)周期長、施工技術(shù)較難，還不便于維修、更換和遷移。因此，為了提高人工濕地的適用范圍，國內(nèi)衍生出一些人工濕地裝置，但是，這些裝置存在體積大、不便于維修和更換、功能單一等缺陷，給人工濕地裝置的運用與推廣帶來了一定的局限性[8]。因此，錄求一種處理方式靈活多樣、制造成本較低，便于維修與更換，操作簡單易行和出水達(dá)標(biāo)的人工濕地技術(shù)，一直是人工濕地處理技術(shù)研究的重點。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

試劑主要有：重鉻酸鉀、硫酸汞、硫酸銀、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵銨、四水合酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、碘化汞、碘化鉀、氯化銨、硫酸(1+9)、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、磷酸二氫鉀和鹽酸等，所用藥劑均為分析純。

儀器主要有：電子天平JE203G/02，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；上海元析V-5000可見光分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司等。

實驗裝置為垂直流人工濕地裝置(自制)設(shè)計圖見圖1。

圖1 垂直流人工濕地裝置設(shè)計圖

1.2 試驗污水

試驗水樣以校園湖水為基礎(chǔ)，并加入碳元素、N元素與P元素模擬配備生活污水。模擬生活污水由校園湖水、葡萄糖、磷酸二氫鉀、氯化銨、鹽酸和氫氧化鈉調(diào)配形成[9]。濕地系統(tǒng)中各種進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)最值濃度、溫度和pH值詳見表1。

表1 試驗?zāi)M廢水指標(biāo)以及檢測方法

1.3 試驗方法

1.3.1 垂直流人工濕地裝置的構(gòu)造

使用陶粒和礫石組合的人工濕地基質(zhì)固定風(fēng)車草和美人蕉等濕地植物，堆疊成基質(zhì)籃，使用改性纖維球以及黑色聚乙烯填料(見圖2)構(gòu)成生物填料籃，采用籃子疊加結(jié)構(gòu)，組成垂直流人工濕地裝置。

圖2 改性纖維球和黑色聚乙烯填料

1.3.2 垂直流人工濕地裝置的預(yù)培養(yǎng)

在人工濕地裝置內(nèi)連續(xù)通入生活污水浸泡1個月，并加入少許活性污泥(來自寮步鎮(zhèn)污水處理廠的二沉池)于人工濕地系統(tǒng)內(nèi)，1個月后逐漸觀察到基質(zhì)上生長的生物膜，通過顯微鏡觀察到微生物大量繁殖；濕地植物長出新芽，長勢達(dá)到良好，說明生物膜培養(yǎng)成功。

1.3.3 不同方案下垂直流人工濕地凈化效果

(1)采用純垂直流人工濕地法，其停留時間為1天，采取底部進(jìn)水，頂部出水，底部不曝氣的方式。其結(jié)構(gòu)如下：從底往上依次是礫石籃、陶?；@、礫石籃和水生植物區(qū)。

(2)采用垂直流人工濕地+生物接觸氧化法，其停留時間為1天，采取底部進(jìn)水，頂部出水，底部曝氣的方式。其結(jié)構(gòu)如下：從底往上依次是生物床、陶粒籃、礫石籃和水生植物區(qū)。

實驗室內(nèi)氣溫約為15～25 ℃，平均水溫為20 ℃。采集人工濕地處理單位進(jìn)出水樣后，帶置實驗室進(jìn)行檢測分析，對COD、NH3-N與TP三種污染指標(biāo)進(jìn)行檢測。出水取樣口在人工濕地上部塑料軟管管口。

2 結(jié)果與討論

2.1 純垂直流人工濕地法對生活污水的凈化效果研究

純垂直流人工濕地系統(tǒng)在水力負(fù)荷為1.4 dm3/dm2·d下運行，進(jìn)出水COD、NH3-N、TP濃度變化如圖3所示。

圖3a為純垂直流人工濕地的進(jìn)出水COD濃度的6次實驗結(jié)果，進(jìn)水COD的濃度變化在77.35～83.12 mg/L之間，出水COD濃度的變化趨勢隨著進(jìn)水濃度的波動而變化，與進(jìn)水濃度基本上保持正相關(guān)系，出水濃度變化在17.48～21.320 mg/L之間，達(dá)到污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/L)，表明純垂直流人工濕地裝置對COD有較好的去除效果。

圖3b為純垂直流人工濕地的進(jìn)出水NH3-N濃度的6次實驗結(jié)果及其變化趨勢比較。進(jìn)水NH3-N的濃度變化在15.85～19.63 mg/L之間，雖然進(jìn)水NH3-N濃度有所波動，但出水濃度相對平穩(wěn)，即對NH3-N的去除效果基本保持穩(wěn)定，出水濃度變化在5.57～6.98 mg/L之間，但未能達(dá)到污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/L)。

圖3c為純垂直流人工濕地的進(jìn)出水TP濃度的6次實驗結(jié)果及其變化趨勢比較，進(jìn)水TP濃度變化在2.18～2.76 mg/L之間，進(jìn)水濃度相對平穩(wěn)，出水濃度波動穩(wěn)定，變化在0.66～1.17 mg/L之間，相比NH3-N和COD去除效果較差，未能達(dá)到污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L)。

圖3 純垂直流人工濕地系統(tǒng)污染物的進(jìn)出水濃度及去除率

平均進(jìn)出水COD、NH3-N、TP濃度如表2所示，可見COD有較好的去除效果，達(dá)到污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)，而NH3-N與TP的凈化效果相對欠缺，且排放濃度均未能達(dá)到污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。

表2 純垂直流人工濕地系統(tǒng)各項污染物平均進(jìn)出水濃度

綜合圖3和表2表明，COD、TP的去除效果較佳，在純垂直流人工濕地系統(tǒng)中，污水經(jīng)過好氧區(qū)、兼氧區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū)，通過氨化、硝化、反硝化作用進(jìn)行脫氮，在厭氧條件下釋磷，好氧超量吸磷進(jìn)行除磷，同時微生物將可生物降解碳源等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行自身同化吸收等作用共同凈化污水。從各種污染物的檢測指標(biāo)可知，COD的平均去除率最高，達(dá)到76.23%的去除率，NH3-N達(dá)到64.43%，TP為65.56%。

2.2 垂直流人工濕地+生物接觸氧化法對生活污水的凈化效果研究

復(fù)合垂直流人工濕地生物系統(tǒng)在水力負(fù)荷為1.4 dm3/dm2·d條件下，進(jìn)出水COD、NH3-N、TP濃度如圖4所示。

圖4a為垂直流人工濕地+生物接觸氧化法的進(jìn)出水COD濃度6次實驗結(jié)果，進(jìn)水COD的濃度變化在77.35～83.12 mg/L之間，出水COD濃度的變化趨勢隨著進(jìn)水濃度的波動而變化，與進(jìn)水濃度基本上保持正相關(guān)系，出水濃度變化在12.13～14.32 mg/L之間，明顯達(dá)到污水處理廠污水A級排放標(biāo)準(zhǔn)，表明純垂直流人工濕地+生物接觸氧化法對COD有更好的去除效果。

圖4b為純垂直流人工濕地+生物接觸氧化法的進(jìn)出水NH3-N濃度的6次實驗結(jié)果及其變化趨勢比較。進(jìn)水NH3-N的濃度變化在15.85～19.63 mg/L之間，雖然進(jìn)水NH3-N濃度有所波動，但出水濃度相對平穩(wěn)，即對NH3-N的去除效果基本保持穩(wěn)定，出水濃度變化在2.25～3.13 mg/L之間，均達(dá)到污水處理廠污水A級排放標(biāo)準(zhǔn)，這是由植物、微生物和基質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化共同作用，加強NH3-N去除效果。

圖4c為純垂直流人工濕地+生物接觸氧化法的進(jìn)出水TP濃度6次實驗結(jié)果及其變化趨勢比較，進(jìn)水TP濃度變化在2.18～2.76 mg/L之間，進(jìn)水濃度相對平穩(wěn)，出水濃度波動平穩(wěn)，變化在0.35～0.46 mg/L之間，加入生物接觸氧化法后去除效果大幅度提升，出水TP濃度達(dá)到污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。平均進(jìn)出水COD、NH3-N、TP濃度如表3所示，可見COD、NH3-N、TP去除率均有所提高，同時都達(dá)到了污水處理廠污染物排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)污染物的進(jìn)出水濃度及去除率

表3 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)各項污染物平均進(jìn)出水濃度

綜合圖4和表3可知，在相同條件下，垂直流人工濕地+生物接觸氧化法的COD、NH3-N和TP的去除效果同比純垂直流人工濕地法有所加強，不僅污水經(jīng)過好氧區(qū)、兼氧區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū)，在底部的生物床加強了微生物(硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、釋磷菌和聚磷俊等)的富集，進(jìn)而加強微生物的降解與同化作用，通過氨化、硝化、反硝化作用進(jìn)行脫氮，在厭氧條件下釋磷，好氧超量吸磷進(jìn)行除磷，同時微生物將可生物降解碳源等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行自身同化吸收等作用共同凈化污水，使去除效果達(dá)到最佳。從圖4各種污染物的檢測指標(biāo)可知，COD的平均去除率最高，達(dá)到90.72%的去除率，NH3-N高達(dá)到84.46%，TP為82.99%。

3 結(jié) 論

該裝置能夠通過變換“基質(zhì)籃”和“生物籃”實現(xiàn)人工濕地、人工濕地+生物接觸氧化法、人工濕地+生物濾池等不同處理方式，具有處理方式靈活多樣、制造成本較低，便于維修與更換和出水好等優(yōu)點，適合于家庭式他小流量生活污水處理或高校環(huán)境類專業(yè)實驗教學(xué)。從市場需求的角度分析，由于環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的帶動，市場對污水處理的需求量將越來越大，而人工濕地污水處理裝置符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)約型社會發(fā)展要求，具有產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，其市場前景將十分廣闊?？蛇_(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)出水水質(zhì)可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放》GB18918-2002一級A或B、城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)COD、氨氮和總磷的去除率高，實驗證明其去除率分別為90.72%、84.46%和82.99%。