北方人工湿地对污染物去除率的试验研究__刘艳

北方人工湿地对污染物去除率的试验研究张吉库1，刘艳1，邹琳11沈阳建筑大学，沈阳，中国，110168Email:[e-mail]摘要:讨论了6、7、8、9、10月中旬，在最佳水力负荷条件下，复合垂直流人工湿地对富营养化水体中NH4+-N、TN、TP、COD的去污效果。结果表明：在6、7、8、9月，人工湿地对TN、COD、TP、NH4+-N的去除率没有大幅度下降；到了10月份，由于温度降低，对TN、COD、TP、NH4+-N的去除率都明显下降。钢渣+沸石床在除磷上有明显优势，钢渣+沸石床的整体去污效果好于沸石床。关键词:人工湿地；温度；去污效果；钢渣；沸石NorthernWetlandStudyonthepollutantremovalefficiencyJikuZHANG1,YanLIU1,LinZOU11SchoolofMunicipal&EnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,Liaoning,ChinaEmail:[e-mail]:Discussed6,7,8,9,10mid-May,inthebesthydraulicloadingconditions,verticalflowconstructedwetlandseutrophicwaterNH4+-N,TN,TP,CODofthedecontaminationeffect.Theresultsshowedthat:In6,7,8,9months,constructedwetlandsTN,COD,TP,NH4+-Nremovalrateisnotsubstantiallyreduced;to10months,thelowerthetemperatureofTN,COD,TP,NH4+-Nremovalratesweresignificantlydecreased.Slagandzeolitebedhasobviousadvantagesintheremoval,slagandzeolitebedwasbetterthantheoverallde-contaminationzeolitebed.Keywords:constructedwetland;Temperature;removaleffect;Slag；Zeolite人工湿地污水处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种污水处理新技术，它具有投资省、运行费用低、出水水质好、运行维护管理方便和管理水平要求不高等优点[1~3]。在我国北方，由于气候和地理位置的影响，对人工湿地的设计、运行、管理经验不多，缺乏具有一定操作管理经验和技术水平的专业人员，因此1人工湿地处理工艺在我国北方有广阔的研究空间[4]。影响人工湿地污水处理效果的因素很多，如水力停留时间、填料层高度（流程）、基质、植物、碳源、温度、溶解氧、pH值等[5][6]。温度对人工湿地系统的去除率有很大影响，人工湿地污水处理系统在北方的构建要远少于南方，其中最主要的因素就是温度，植物和微生物的生长繁殖都需要适宜的温度，但针对室外的污水处理工艺来说，温度是不可控因素，只能通1基金来源：辽宁省教育厅科学研究计划资助（LS2010132）作者简介：张吉库（1973-），男，沈阳建筑大学副教授，主要从事污水处理与资源化研究，[e-mail]过湿地系统填料的选材和植物的选择上稍作弥补，本试验研究北方人工湿地污水处理系统在不同季节不同室外温度下的脱氮除磷的能力，湿地植物为芦苇。1材料与方法1.1试验用水试验采用沈阳建筑大学校园水系的湖水，湖水水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅳ类水质的标准，通过人工加药，使其为劣Ⅴ类水质，如表1所示。Table1.Qualityofrawwater表1.原水水质项目浊度pHCODCr/TN/TP/(mg·L-1)(mg·L-1)(mg·L-1)范围28.8—37.66.5—7.250—801.8—2.50.5—0.81.2试验装置流量计高位水箱出水进水布水、集水俯视图观察孔取样孔中#Figure1.Schematicdiagramofexperiment图1.试验装置试验装置如图1所示，高位水箱由铁板制成，外观尺寸为0.8m×0.8m×0.6m。人工湿地由下行流池和上行流池串联而成，底端由25mm的PVC管相连，池体由PVC塑料板制成，外观尺寸为0.25m×0.25m×1m。本试验由两套模拟人工湿地装置构成，其中一套是卵石+沸石床，另一套是卵石+沸石+钢渣床。两池内均铺设填料，底层均为20cm厚的卵石（粒径为30—60mm），最上层均为15cm的沙土，中层分别是不同粒径的沸石和沸石+钢渣（沸石钢渣比例约为3:1），其中下行池比上行池的地势高10cm。上行池和下行池的表面种植芦苇。为保证湿地水流的稳定性，防止“断流”和“短流”，在湿地下行池和上行池表面均采用管身均匀开孔的PVC管布水和收集，两池底也采用均匀布置的穿孔管收集和布水。下行池和上行池分别设计了五个取样口。1.3试验方法试验采用连续流运行方式，但在运行初期，为了诱导植物的根系更好的向下生长，采用间歇进水，水力负荷约为300mm/d，运行一个月进入稳定期，采用的水力负荷约为600mm/d。在以上的运行参数下，考察各取样口对污染物的去除情况。2结果与讨论2.1不同月份TP的去除效果图2各月份TP的去除率Fig.2ThesampleoftheremovaloftherateofTN沸石床和沸石+钢渣床的去除率在6、7、8、9月基本稳定，略有下降，最高去除率出现在6月，其中沸石床的能达到75.91%，沸石+钢渣床的去除率能达到87.14%，在9月份，沸石床的去除率也能达到71.56%，沸石+钢渣床的去除率达到79.52%，这说明在整个夏季人工湿地系统的去除磷的效率基本稳定，但是综合人工湿地除磷机理的分析，人工湿地系统除磷主要是靠的填料吸附和沉淀作用，少量的依靠聚磷菌的好氧吸磷、厌氧释磷作用以及微生物和植物自身的代谢作用，又因为本试验采用的钢渣和沸石都是吸附性能较高的填料，尤其是钢渣，它的饱和吸附量能达到2.5g磷/Kg钢渣，所以在试验初期，水流状况又很顺畅的情况下，人工湿地系统除磷的效率很高，在很大程度上是因为填料的吸附和沉淀作用，这个吸附饱和的时间取决于废水中的磷含量，磷含量高，填料的吸附饱和的时间就短，人工湿地去除磷的寿命就低，甚至在后期还会出现磷释放的现象。到了十月份TP的去除率明显下降，其中沸石床的去除率为58.92%，沸石+钢渣床的去除率为45.7%，这是因为一方面填料可能接近饱和吸附量，另一方面，10月的气温已经较低，植物输氧的能力大大下降，微生物的新陈代谢作用也受到阻碍而导致死亡，一些微生物的尸体附着在填料表面，不但影响了湿地填料的吸附作用，而且也使人工湿地系统的水流不畅，导致了处理效率的降低。从图上可以看出，沸石床和沸石+钢渣床在对磷的去除上有明显区别，从6月到10月，两个湿地床的去除率都有将近10个百分点的差距，沸石+钢渣床要高于沸石床人工湿地系统，所以，钢渣对磷的去除有优势，到了10月，两个湿地床对TP的去除率都有明显下降，沸石床对TP的去除率达到58.92%，而沸石+钢渣床对TP的去除率达到45.7%，沸石+钢渣床对TP的去除率低于沸石床，其主要原因是因为沸石+钢渣床在前几个月里的去除率一直都很高，而填料的吸附饱和是有一定限制的，沸石+钢渣床中的填料可能接近了吸附饱和状态，因此造成去除率较低。2.2不同月份对NH4+-N的去除效果图3各月份NH4+-N的去除率Fig.3ThesampleoftheremovaloftherateofNH4+-N如图4-5所示，6、7、8、9、10月中旬的NH4+-N的去除率的测试结果，沸石床和沸石+钢渣床的去除率在6、7、8、9月基本稳定，最高去除率出现在8月，其中沸石床的去除率能达到71.45%，沸石+钢渣床的去除率能达到70.87%，在9月份，沸石床的去除率也能达到65.36%，沸石+钢渣床的去除率达到60.2%，这说明在整个夏季人工湿地系统的去除NH4-N的效率基本稳定，综合人工湿地脱氮机理的分析，人工湿地系统脱氮主要是靠硝化和反硝化、植物吸收、基质吸附和氮的挥发作用来完成的，在这几个月里，系统能够稳定运行，外界气温适宜，植物健康生长，为微生物提供较好的好氧环境，有利于硝化反应进行。从图上可以看出，沸石床和沸石+钢渣床在对NH4-N的去除上没有明显区别，从6月到10月，两个湿地床的去除率相差都不到5个百分点，到了10月，两个湿地床对NH4-N的去除率都有明显下降，沸石床对NH4-N的去除率达到45.25%，而沸石+钢渣床对NH4-N的去除率达到40.32%，而当温度低于10°C时，微生物的活性就受到影响，导致去除率降低；另一方面，由于气温的降低，植物的新陈代谢也受到制约，这就使植物对人工湿地系统的供氧不足，也导致微生物的硝化作用减弱。2.3不同月份对TN的去除效果如图4-6所示，为6、7、8、9、10月中旬人工湿地系统TN去除率的测试结果，最高去除率出现在七月，其中沸石床对TN的去除率达到56.48%，沸石+钢渣床的去除率达到57.78%。在6、7、8、9四个月里，两个人工湿地床对TN的去除率没有明显变化。到了10月，人工湿地系统对TN的去除率明显下降，其中沸石床人工湿地系统对TN的去除率达到25.21%，沸石+钢渣床人工湿地系统对TN的去除率只达到20.45%，而同样在10月份，沸石床对NH4-N的去除率达到45.25%，沸石+钢渣床对NH4-N的去除率达到40.32%。人工湿地对TN的去除不同于对NH4-N的去除，对TN的去除更复杂，其限制条件更多，在同一时间，对氨氮的去除率高于对TN的去除率，这说明反硝化反应受到了抑制，对于人工湿地系统脱氮的研究在本论文的第五章详细说明。比较两个湿地床去除TN的趋势，结果表明，两个湿地床对TN的去除相差不大，如果在实际工程中可以忽略不计，沸石+钢渣床中的钢渣是炼铁炼钢的废渣，大量使用会使人工湿地系统出水PH值较大，本试验采用的是沸石：钢渣的体积比为3:1，试验结果表明，沸石+钢渣床与沸石床比较，在脱氮功能上并没有劣势，在除磷功能上还有很大优势，这说明填料中添加的钢渣并没有使植物和微生物受到不良影响，以后的工程实践中可以尝试使用。图4各月份TN的去除率Fig.4ThesampleoftheremovaloftherateofTN2.4不同月份对COD的去除效果如图4-7所示，6、7、8、9、10月，人工湿地污水处理系统对COD去除率的变化趋势，最高去除率出现在七月，其中沸石床对TN的去除率达到81.3%，沸石+钢渣床的去除率达到85.41%。在6、7、8、9四个月里，两个人工湿地床对COD的去除率没有明显变化。到了10月，人工湿地系统对COD的去除率明显下降，其中沸石床人工湿地系统对COD的去除率达到60.49%，沸石+钢渣床人工湿地系统对TN的去除率只达到57.83%，这说明在夏季的几个月里，人工湿地系统对COD的去除率还是比较稳定的，这和温度、气候有直接的关系，到了10月，去除率明显下降，是因为气温降低导致的结果，所以，北方人工湿地不能广泛推广也是由于这个原因。图5各月份COD的去除率Fig.5ThesampleoftheremovaloftherateofCOD比较两个湿地床的去除效果，没有明显区别，两个湿地床，除了中间主体填料层的填料略有差别之外，其它条件都一样，包括水利条件和运行各种参数，沸石+钢渣床人工湿中添加的钢渣没有对COD的去除造成影响。3结论两组湿地床在6、7、8、9月，对TP、NH4+-N、TN、COD的去除率基本稳定，但到了10月，去除率都有下降，沸石+钢渣床在对TP的去除上有明显优势，但对NH4-N、TN和COD的去除