兩種不同基質的垂直潛流人工濕地對尾水的處理效果研究*

孫 健 李 卿 蔡世顏 夏 娜 汪博飛 萬年紅 程禹皓 陳 騫

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010;2.中信清水入江(武漢)投資建設有限公司,湖北 武漢 430200)

2022年,全國污水處理總量約626億m3[1]。污水處理廠尾水主要執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準,但氮、磷等污染物的總體排放量仍然很大,存在引起水體富營養化的問題[2-3]。因此,針對排放要求更高的地方,尾水需要進行深度處理。

目前,尾水深度處理主要包括物化法和生化法,其中物化法有臭氧/活性炭處理工藝、高效沉淀池、膜分離等[4-6];生化法有生物濾池、人工濕地等[7-8]。人工濕地具有運行費用低、維護簡單、景觀效果好等優點,在尾水深度處理中得到廣泛應用[9-11]。然而,尾水C/N低,導致人工濕地脫氮效果不佳[12]。為提升人工濕地脫氮效果,學者一方面投加碳源以促進人工濕地的異養反硝化,如向人工濕地中投加小分子有機物、植物碳源或者高分子聚合物以補充碳源,可有效提高脫氮效率[13-15],但需注意C/N的穩定控制,否則會導致人工濕地出水化學需氧量(COD)偏高[16];另一方面強化人工濕地對尾水的自養反硝化作用,如氫自養反硝化和硫自養反硝化[17]。

硫自養反硝化需要向人工濕地中投加硫源,常見硫源有硫磺、單質硫、硫代硫酸鹽和黃鐵礦等。其中,黃鐵礦作為一種經濟性基質得到較多研究,比如在含氮廢水[18]、受污染河水[19]人工濕地處理中的應用,而在尾水人工濕地深度處理中的研究較少。為將黃鐵礦應用于尾水人工濕地處理,開展相關研究十分有必要。

2019年1月,《長江保護修復攻堅戰行動計劃》頒布,沿江城市大力推進污水處理廠的建設與提標改造?；诖?本研究以武漢某污水處理廠尾水為研究對象,采用黃鐵礦為垂直潛流人工濕地基質開展對尾水凈化的試驗研究,以期為后期黃鐵礦垂直潛流人工濕地尾水處理工程的設計應用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of device

1.2 試驗方法

人工濕地通水運行穩定后開始試驗,試驗時間為168 d。兩組人工濕地設置4種不同的水力負荷(0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)),在一個水力負荷運行42 d后,通過調節進水閥門改變至下一個水力負荷運行42 d,依次調節,直至設置的4個水力負荷運行完成。

2 結果與討論

2.1 COD去除效果

對比1#和2#人工濕地,發現1#人工濕地在水力負荷為0.4、0.7 m3/(m2·d)時出水COD顯著高于2#人工濕地,但兩組人工濕地在水力負荷為1.0、1.3 m3/(m2·d)時部分出水COD差異不顯著(第112、126、133、147、154、161天)。在低水力負荷(0.4～0.7 m3/(m2·d))運行時,2#人工濕地對COD的處理效果較好(見圖2)。1#人工濕地水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時COD平均去除率分別為60.17%、51.27%、46.75%和38.87%;2#人工濕地水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時COD平均去除率分別為72.83%、63.09%、58.17%和48.02%。結果表明,隨著水力負荷的增加,人工濕地對COD的處理效率降低。

圖2 人工濕地出水COD變化Fig.2 Change of COD in effluent of constructed wetland

2.2 氨氮去除效果

1#人工濕地的出水氨氮為0.05～0.49 mg/L(見圖3),水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時的氨氮平均去除率分別為48.39%、48.88%、69.72%和71.59%;2#人工濕地的出水氨氮為0.06～0.49 mg/L,水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時的氨氮平均去除率分別為51.87%、50.42%、71.43%和69.00%。高水力負荷(1.0～1.3 m3/(m2·d))有利于人工濕地對氨氮的去除。對比1#和2#人工濕地的出水氨氮,發現除在第140天兩者存在顯著差異外,其余均無顯著差異。

圖3 人工濕地出水氨氮變化Fig.3 Change of ammonia nitrogen in effluent of constructed wetland

2.3 TN去除效果

1#人工濕地出水TN為2.01～8.02 mg/L(見圖4),水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時的TN平均去除率分別為42.82%、36.13%、29.18%和27.92%;2#人工濕地出水TN為0.86～6.87 mg/L,水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時的TN去除率分別為69.65%、59.43%、47.36%和41.25%。人工濕地對TN的去除率隨著水力負荷的增加而降低。對比1#和2#人工濕地出水TN,發現除了第147、161、168天兩者無顯著差異外,其他時間2#人工濕地出水TN均顯著低于1#人工濕地。

2.4 TP去除效果

1#和2#人工濕地的出水TP分別為0.18～0.29、0.08～0.19 mg/L(見圖5),對比發現1#人工濕地出水TP均顯著高于2#人工濕地。1#人工濕地水力負荷為0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)時的TP平均去除率分別為49.11%、46.31%、35.79%和30.77%,2#人工濕地TP平均去除率分別為74.64%、74.05%、65.55%和60.96%,且水力負荷≥1.0 m3/(m2·d)時,兩組人工濕地對TP去除效果變差。

圖6 人工濕地出水變化Fig.6 Change of in effluent of constructed wetland

2.6 出水

圖7 人工濕地出水變化Fig.7 Change of in effluent of constructed wetland

2.7 微生物分析

2.7.1 多樣性分析

比較1#和2#人工濕地的Chao1指數和Shannon指數發現,2#人工濕地的Shannon指數和Chao1指數均大于1#人工濕地,說明2#人工濕地基質中微生物多樣性和豐富度高于1#人工濕地(見表1)。

表1 微生物群落的多樣性Table 1 Diversity of the microbial community

2.7.2 屬水平微生物組成及相對豐度

對1#和2#人工濕地基質進行屬水平的微生物組成和相對豐度分析發現,1#人工濕地中的主要菌屬為類固醇桿菌屬(Steroidobacter),其相對豐度為4.56%;2#人工濕地中的主要菌屬為硫桿菌屬(Thiobacillus)和硫氧化菌屬(Sulfurifustis),其相對豐度分別為16.68%和4.62%。對比發現,1#和2#人工濕地的主要菌屬不相同。

2.8 討 論

圖8 試驗前后黃鐵礦的XRD分析Fig.8 XRD analysis of pyrite before and after experiment

3 結 論