不同水力负荷对潜流湿地内COD的迁移转化影响刘瑞

第47卷第7期辽宁化工Vol.47，No.72018年7月LiaoningChemicalIndustryJuly，2018基金项目：国家水专项-浑河流域沈抚段水生态建设与功能修复技术集成与示范课题（2014ZX07202-011）；沈阳建筑大学科学研究项目:潜流湿地微曝气+固体碳源处理污水厂尾水脱氮集成技术研究（2017024）。收稿日期：2018-05-09作者简介：刘瑞（1994-），女，满族，硕士研究生，辽宁省铁岭市人，研究方向：从事人工湿地污水处理工作。刘瑞1*，傅金祥1，焦玉恩1，张荣新1，徐静怡2（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳1101682；2.重庆中法供水有限公司，重庆404100）：为深入研究潜流人工湿地内部COD在填料各层中的迁移转化规律，提高潜流人工湿地COD处理效率，本实验通过对不同进水水力负荷条件下潜流人工湿地内部不同位置COD浓度进行检测，研究潜流人工湿地内部COD的迁移转化规律。结果表明，潜流人工湿地系统内部COD浓度在水平及垂直方向均呈现递减趋势，并且水力负荷条件为0.35m3/(m2·d)时COD降解效率最高，去除率可达93.32%，主要降解区域在系统60cm深处以上。：潜流人工湿地；水力负荷；COD：TU992.3：A：1004-0935（2018）07-0617-03人工湿地通过吸附过滤、离子交换以及植物微生物等物理、化学、生物三相的共同作用来实现对污染物的去除[1]。作为一种新兴的污水处理方式，具有建设及运营投资少，占地面积小，管理简便等优点[2-3]，目前在国内外污水处理项目中具有较为广泛的应用[4]。尤其在污水厂尾水处理领域获得了较佳的效果。人工湿地内部结构较为复杂，因此目前针对潜流人工湿地主要的研究内容集中在填料优化、基质堵塞的防控以及湿地植物的优选等方面[5]，对于湿地内部基质间污染物的降解机理以及迁移转化规律研究的较为简单，只停留在简单的进出水水质分析以及对氮磷等营养物质的空间分布方面[6]。刘建奇等[7]研究发现，污水厂尾水COD在流经潜流人工湿地后降解率仅为14.6%，与传统潜流湿地处理效率相比较低。冯琳[8]研究了潜流人工湿地中水力负荷与溶解氧对有机物降解效率的影响，发现在一定的水力负荷条件下可提高潜流湿地内部有机物的去除效率。因此本文通过对不同水力负荷(HLR)下潜流人工湿地不同位置处COD变化的研究，探讨潜流人工湿地内部COD的降解及迁移转化规律。1材料与方法本试验装置为4组垂直潜流人工湿地。试验装置长宽高为0.8m×0.6m×1.2m。从上到下依次填充10cm的种植土层、粒径为5~8mm的砾石30cm、粒径10~16mm的砾石40cm和粒径20~30mm的砾石20cm，有效高度1.0m，湿地表层种植芦苇，芦苇种植密度为12株/m2。试验过程中采用高位平衡水箱和转子流量计来调控进水流量，使其进水流量保持稳定。如图1所示，装置有效取样口为16个，取样口间隔为200mm，用于监测不同位置COD的浓度。试验用水采用稀释后的校园生活污水，水质指标如表1。DOI:10.14029/j.cnki.issn1004-0935.2018.07.007618辽宁化工2018年7月指标COD/mg·L-1NH3N/mg·L-1DO/mg·L-1pH数值121±1026±4.53.8±0.26.8~7.0对稀释后的校园污水进行曝气，曝气强度为0.86m3/d，使进水溶解氧质量浓度保持在3.8mg/L左右。分别控制人工湿地系统的水力负荷为0.15m3/(m2·d)、0.35m3/(m2·d)、0.55m3/(m2·d)和0.8m3/(m2·d)，采用重力流进水方式对装置进水，每个阶段运行2个月，每5天从取样口取样，采用快速密闭消解法（光度法）测COD浓度数据，分析潜流人工湿地内部COD浓度沿程迁移转化情况。利用suffer软件中的Kriging插值方法绘制潜流人工湿地内部COD浓度等值线图，来反应潜流人工湿地沿程水质变化情况。2结果与分析研究发现，具有相同构型、填料以及植物的潜流人工湿地在不同的水力负荷下对污水的处理效果具有明显差距[6]。图2为不同水力负荷时潜流人工湿地内部不同位置的COD浓度变化图，在水力负荷为0.15m3/(m2·d)、0.35m3/(m2·d)、0.55m3/(m2·d)和0.8m3/(m2·d)时，COD平均浓度由进水的121.3mg/L下降到出水分别为10.2mg/L、8.1mg/L、19mg/L和38mg/L，平均去除率分别为91.59%、93.32%、84.33%和68.67%。随着进水水力负荷的增加，潜流人工湿地的垂直方向上距表层20cm深处COD的浓度分别为60mg/L、87mg/L、85mg/L、95mg/L左右，平均去除率分别可达到50.53%、28.28%、29.92%、21.68%左右，这是由于随着水力负荷的增大，单位时间内的污染负荷随之增大，污染物不能及时得到有效的去除从而在基质内造成一定量的累积；距表层40cm深处COD浓度分别为30mg/L、40mg/L、50mg/L、65mg/L左右，平均去除率可分别达到75%、66.94%、58.68%、46.28%左右；距表层60cm深处COD浓度分别为35mg/L、30mg/L、35mg/L、50mg/L左右，平均去除率分别为71.07%、75.21%、71.07%、50.04%左右；距表层80cm处COD浓度为20mg/L、10mg/L、25mg/L、45mg/L，去除率可分别达到83.5%、91.74%、79.34%、62.81%。在水平方向上，从进水端到出水端，随着水力负荷的增加，距表层20cm深处，COD浓度衰减值分别为20mg/L、25mg/L、30mg/L、26mg/L；距表层40cm深处，COD浓度衰减值分别为14mg/L、22mg/L、17mg/L、13mg/L；距表层60cm深处，COD浓度衰减值分别为11mg/L、18mg/L、15mg/L、12mg/L；距表层80cm深处，COD浓度衰减值分别为15mg/L、20mg/L、8mg/L、7mg/L。(a)HLR0.15m3/(m2·d)（b）HLR0.35m3/(m2·d)(c)HLR0.55m3/(m2·d)（d）HLR0.8m3/(m2·d)从数据中可分析得出，在相同的水力负荷条件下，潜流人工湿地内部COD浓度在水平方向的衰减速率在表层最大，随着深度的增加逐渐递减；垂直方向的衰减速率在进水端最大，并沿水平方向递减，在出水端衰减速率最小，这是由于进水端进水将溶解氧带入系统内部，出水端经过消耗后溶解氧浓度有所下降。在不同水力负荷条件下，水力负荷为0.35m3/(m2·d)时潜流人工湿地系统的COD降解率效最高，并且有机物的降解主要发生在垂直方向60cm以上的部位，在系统60cm深度以下为低效降解区域，这是由于该水力负荷条件下潜流人工湿地系统上半部溶解氧相较其他条件下更为充足，植物根系部分可以发挥最大作用，并且湿地内部好氧微生物数量增多，活性增强，能够促进有机物的降解。系统底部溶解氧水平下降，主要处于缺氧环境，好氧微生物的活性受到抑制，主要依靠兼性微生物以及第47卷第7期刘瑞，等：不同水力负荷对潜流湿地内COD的迁移转化影响619厌氧微生物进行对有机物的消耗，相较好氧微生物有机物降解速率大大下降，因此系统底部的有机物讲解效果较差。潜流人工湿地系统对COD的降解效率随着进水水力负荷的增加呈现出先增加后减少的趋势，是由于当水力负荷增至0.35m3/(m2·d)时，系统污染负荷增加的同时，随进水进入系统的溶解氧含量也相应增加，系统上半部分均处于好氧环境，为植物和好氧微生物的生存及活动保证了较为良好的条件，去除效率有所提高；但随着水力负荷的继续增大，系统污染负荷增加的同时水力停留时间明显缩短，有机污染物与基质中微生物的接触时间过短，生化反应不够完全，导致有机物降解不彻底，出水COD浓度升高，降解效率下降。另外污染负荷的增加导致系统内部溶解氧被大量消耗，降低了溶解氧在系统内部的穿透能力，好氧环境区域减少，也导致对有机物降解效率的下降。3结论本实验中，相同水力负荷条件下潜流人工湿地系统内部COD浓度在水平方向和垂直方向上均呈现出递减的趋势，装置内部垂直方向上60cm以上区域为好氧区域，好氧微生物发挥出较高活性，COD去除率较高，为潜流人工湿地系统主要作用区域。系统底层溶解氧含量下降，好氧微生物受到抑制，主要由兼性微生物及厌氧微生物作用消耗有机物，COD去除率与表层相较较差。并且在水力负荷为0.35m3/(m2·d)时，潜流人工湿地系统对COD的去除效率最高，去除率可达93.32%。［1］曹杰.人工湿地对农村生活污水的处理效果研究[D].杭州:浙江大学，2007.［2］WUSQ，CHANGJJ，LIANGW，etal.Treatmentperformanceandmicroorganismcommunitystructureresponseofintegratedvertical-flowconstructedwetlandplotsfordomesticwastewater[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch，2013，20:3789-3798.［3］GUNESK，TUNCSIPERB，AYAZS，etal.Theabilityoffreewatersurfaceconstructedwetlandsystemtotreathighstrengthdomesticwastewater:AcasestudyfortheMediterranean[J].EcologicalEngineering，2012，44:278-284.［4］刘晓鹏.人工湿地堵塞成因及解决措施初探[J].资源节约与环保，2013（02）:18-20.［5］ZURITAF，DEANDAJ，BELMONTMA.Treatmentofdomesticwastewaterandproductionofcommercialflowersinverticalandhorizontalsubsurface-flowconstructedwetlands[J].EcologicalEngineering，2010，36:861-869.［6］王鹏，董仁杰，吴树彪，等.HLR对潜流湿地净化效果和氧环境的影响[J].水处理技术，2009，35(12):48-52.［7］刘建奇，刘红磊，卢学强.人工湿地公园有机污染物迁移转化规律研究[J].环境工程，2016，34(10):56-59.［8］冯琳.潜流人工湿地中有机污染物降解机理研究综述[J].生态环境学报，2009，18（05）:2006-2010.EffectofDifferentHydraulicLoadingRateonMigrationandTransformationofCODinSubsurfaceFlowConstructedWetlandsLIURui1,FUJin-xiang1,JIAOYu-en1,ZHANGRong-xin1,XVJing-yi2（1.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,LiaoningShenyang110168,China；2.ChongqingSinoFranceWaterSupplyCo.,Ltd.,Chongqing404100,China）Abstract:InordertodeeplystudythemigrationandtransformationofCODindifferentlayersofsubsurfaceconstructedwetlandandimprovetheefficiencyofCODtreatment,theexperimentresearchonthemigrationandtr