磁場/光催化強化人工濕地凈化生活污水的試驗研究

熊烈鈔, 馬榮*, 劉云根, 伏川東, 盧秀秀, 彭麗萍

(1.西南林業大學機械與交通學院, 昆明 650224; 2.云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室, 昆明 650224)

人工濕地(constructed wetland,CW)作為一種生態型的水處理工藝,通過內部的基質、植物以及微生物的協同作用,能有效削減水體中的污染物濃度[1],近年來被廣泛應用于處理城鎮和農村生活污水、工業和農業廢水、垃圾填埋場的廢水以及暴雨徑流等[2]。其中垂直流人工濕地具有占地面積小、水力負荷大、對水體中的氮磷去除效果更佳[3]等優點,因而被廣泛應用。但是傳統的單一人工濕地在實際應用過程中,對污染物的去除功效往往難以完全發揮,對水體中污染物的削減效率低且不穩定[4-5],導致其出水水質高于排放標準,從而污染周圍水體環境。因此如何對人工濕地進行優化升級,提高其污水處理的效率是人們關注的熱點問題。

將一些現有污水處理工藝應用到人工濕地系統中,是提高傳統單一人工濕地水質凈化效率的有效手段,人們提出了多種措施來提高人工濕地處理污水的性能:微生物燃料電池技術[6]、生物轉盤技術[7]、微電場技術[8]、增加碳源[9]以及其他技術等[10-11]。光催化氧化最早由Fujishima等[12]提出,是通過催化劑作用,在一定的光照(太陽光、紫外光等)下,增強光催化材料的氧化作用,有效促進水體凈化(去污、去毒、脫臭)并同時將水體中的污染物分解成無害物質,達到凈化水質的目的[13]。鄭淑君等[14]通過構建初濾池-垂直流人工濕地-光催化反應器系統,探究該系統對低污染水中氮、磷的凈化效果,結果表明在同水力負荷下采用光催化技術可以有效提高人工濕地系統對低污染水中氮、磷的去除效率。Li等[15]將鐵礦石礦渣作為光催化劑,構建一個光催化耦合人工濕地的系統,用于處理高鹽含鉻廢水,結果表明,光催化人工濕地組合法相比單一的人工濕地對廢水中的化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)、BOD5和Cr(VI)的去除效果分別提升了36%、11%、13%,并且不會對植物的正常生長產生消極影響,同時有效縮短其處理時間,顯著提高人工濕地對水體中污染物的去除率。目前,國內外已有針對磁場強化技術對水體中污染物去除的影響研究,結果均表明通過磁場強化的方式可以顯著提高對污水的凈化效率[16-18]。磁場可以通過影響水的物理化學性質(絮凝、表面張力和滲透壓)[19]以及水體中微生物的生長代謝,從而提高對水體中污染物的去除效率。Wang等[20]研究發現5 mT的磁場可以增強硝化細菌的活性,提高廢水中氮的去除效率。Zieliński等[21]對活性污泥反應池施加靜磁場(8.1 mT),結果表明反應池中氨氧化細菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)的活性明顯增強,使得反應器中硝化反應的時間縮減為對照組的一半,顯著提高了污水處理的效率。Li等[22]構建了磁場強化的垂直流人工濕地,結果表明磁場強化后(平均磁場強度為110 mT)促進了對有機物和氮的去除,提高了人工濕地的凈化效能,并且不會對濕地植物造成負面影響。

上述表明,采用光催化技術和磁場強化技術均可以有效提高人工濕地對污水的處理效率,這兩種技術均有不會對環境造成二次污染、不會影響植物的正常生長、能有效縮短污水處理的時間等顯著優點。面對如今愈加嚴重的水污染問題,尤其是在經濟不發達的農村地區,亟需推出一些具有綠色生態型、處理高效的污水處理工藝及設備;人工濕地作為生態型污水處理工藝的典型被廣泛應用,但是針對將強化技術與人工濕地組合以此提升人工濕地的凈化效能的研究還不夠全面。對此現通過采用光催化氧化和磁場強化技術,與傳統的單一垂直流人工濕地組合,構建新型的強化型人工濕地,關注不同水力停留時間(hydraulic retention time,HRT)下兩種強化型垂直流人工濕地對水體中污染物的去除效率,以期為強化型人工濕地污水處理工藝及設備的研發提供理論依據與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行

試驗總共設計三套裝置,其示意圖如圖1～圖3,相關參數如表1所示。

表1 三套裝置參數Table 1 Parameters of the three units

圖1 生物膜耦合垂直流人工濕地反應器Fig.1 Biofilm coupled vertical flow constructed wetland reactor

圖2 生物膜耦合磁場強化垂直流人工濕地反應器Fig.2 Biofilm coupled magnetic field enhanced vertical flow constructed wetland reactor

圖3 生物膜耦合光催化強化垂直流人工濕地反應器Fig.3 Biofilm coupled photocatalysis enhanced vertical flow constructed wetland reactor

人工濕地的填料為陶粒(粒徑4～6 mm)和礫石(粒徑6～9 mm),生物膜單元由直徑50 mm的生物膜球內部裝填填料組成,內部填料有YDT彈性纖維、火山石(粒徑5～8 mm)、礫石(粒徑6～9 mm)、海綿、生態墊,裝填之后混合使用。所有填料使用之前進行清洗,晾干后按實驗設計進行填充。裝置前端均為生物膜球單元,寬度均為10 cm,進水通過生物膜球單元預處理后流入潛流人工濕地單元,B-VFCW和BM-VFCW填料從左至右分別為陶粒(15 cm)、礫石(15 cm),BP-VFCW從上至下填料分別為礫石(20 cm)、陶粒(20 cm)。磁場強化裝置選用材料為鐵氧體,規格為150 mm×100 mm×5 mm,在人工濕地中交錯埋放,總共放置6塊,均為相吸磁場,用高斯計測得反應器內平均磁場強度為35 mT。光催化強化選用UV紫外線燈管(436 mm×23 mm)4根,功率為17 W,燈管周圍填充2 cm厚的TiO2填料,燈管延反應器對角線均勻布置。系統進出水均為上進下出,出水和進水均由閥門控制,統一從出水口采樣;整套系統通過潛水泵提供動力循環,進水口進水后先流經生物膜單元,通過篩孔隔板流入后端的人工濕地單元,最后從人工濕地下端出水,出水通過潛水泵抽到進水口,以此循環往復。試驗裝置搭建完成后,試運行14 d,待系統穩定運行后開始實驗。

1.2 實驗設計

表2 試驗進水水質Table 2 The quality of test influent

2 結果與分析

2.1 不同強化型人工濕地對生活污水處理的差異性

圖4 不同強化型濕地對TP和的去除效果Fig.4 Removal effects of TP and under different enhanced wetlands

的去除率平均提高了13.07%。數據表明在進水磷濃度范圍為1～2 mg/L時,BP-VFCW對去除磷具有明顯優勢。

圖5 不同強化型濕地對和CODCr的去除效果Fig.5 Removal effects of and CODCr under different enhanced wetlands

2.2 不同進水濃度下兩種強化型人工濕地的去除效能

為了表示不同進水濃度下磁場強化人工濕地對污染物的去除效能,分別計算兩種人工濕地系統的單位體積累計削減負荷,其計算公式為

(1)

圖6 BM-VFCW對的削減效能Fig.6 Reduction efficiency of by BM-VFCW

圖7 BM-VFCW對CODCr的削減效能Fig.7 Reduction efficiency of CODCr by BM-VFCW

圖8 BP-VFCW對TP的去除效果Fig.8 Effect of BP-VFCW on the removal of TP

圖9 BP-VFCW對的去除效果Fig.9 Effect of BP-VFCW on the removal of

2.3 不同HRT對污染物的去除效果

2.3.1 HRT為24 h對污染物的去除效率

圖10 HRT為24 h不同強化型濕地對磷的去除效果Fig.10 Phosphorus removal effect of different enhanced wetlands with HRT of 24 h

圖11 HRT為24 h不同強化型濕地對和CODCr的去除效果Fig.11 Removal of and CODCr by different enhanced wetlands with HRT of 24 h

2.3.2 HRT為48 h對污染物的去除效率

圖12 HRT為48 h不同強化型濕地對磷的去除效果Fig.12 Phosphorus removal effect of different enhanced wetlands with HRT of 48 h

圖13 HRT為48 h不同強化型濕地對和CODCr的去除效果Fig.13 Removal of and CODCr by different enhanced wetlands with HRT of 48 h

2.3.3 HRT為72 h對污染物的去除效率

圖14 HRT為72 h不同強化型濕地對磷的去除效果Fig.14 Phosphorus removal effect of different enhanced wetlands with HRT of 72 h

圖15 HRT為72 h不同強化型濕地對和CODCr的去除效果Fig.15 Removal of and CODCr by different enhanced wetlands with HRT of 72 h

3 討論

3.1 磁場強化對人工濕地去除污染物的影響

3.2 光催化強化對人工濕地去除污染物的影響

適當的光照強度和光照時間,可以有效促進水體中有機污染物的去除,隨著光照時間的增長或光照強度的增加,對水體中CODCr的去除率和脫色率大大提高[42],這是由于TiO2催化劑產生的光生電子-空穴(h+-e-)對增多,水體中具有強氧化性的羥基自由基也增加,使水體中污染物的降解速率提高。當光照時間過長時,會激發催化劑內部產生大量的電子空穴,同時過長的HRT會使水體環境會呈現缺氧狀態,因此作為捕獲劑的O2含量減少,導致生成的大量的電子空穴對不能被及時捕獲而迅速復合失去其催化活性;此時的光反應速率與電子空穴的產生無關,而與載流子轉移和捕獲過程有關[41],因此造成了隨光照時間增加,其反應速率會降低,導致對污染物的去除逐漸減緩,本研究的結果與此相似。本研究的數據表明,對于BP-VFCW不適于設置較長的HRT,并且HRT為48 h其去除率最佳,隨HRT的延長,其去除污染物的效率出現平緩甚至下降。

3.3 HRT對人工濕地去除污染物的影響

4 結論