出水循环强化人工湿地处理效能何连生

中国环境保护优秀论文集（2005）·1952·出水循环强化人工湿地处理效能何连生1刘鸿亮2席北斗2朱迎波3(1清华大学环境科学与工程系)(2中国环境科学研究院)(3中科院地理科学与资源研究所)摘要含有高浓度有机质和氮磷的养殖场污水排放容易导致水体富营养化，本文探讨出水循环强化垂直流人工湿地处理猪场污水的效果。出水循环前后处理效果对比表明出水循环显著提高了BOD5、CODcr、SS(悬浮固体)和NH4-N去除效果，循环率为1时去除效率分别提高了13%、21.6%、19%、41%。以BOD5表示的有机物去除满足Monod方程。NH4-N去除提高昀明显，出水循环后大部分被硝化为NO3-N和NO2-N，硝态氮占NH4-N含量的35%，并且NH4-N的去除率与表面负荷成线性关系Y=0.5793X+19.08(R2=0.9558)。随着硝化反应的进行，碱度减少，pH值不断降低，而无循环出水pH值波动幅度小。关键词出水循环强化循环率处理效能我国规模化的养殖业主要集中在城市的郊区和一些发达地区的农村。高浓度有机质和氮磷含量粪污流失到水体容易造成水体的富营养化。虽然一些养殖场采用了工厂化的污水处理工艺，但因为造价和运行成本较高、技术复杂、管理困难，多数不能正常运转。人工湿地因为建设和运行成本低、处理效果好、人为管理少逐渐在养殖场污水处理上得到应用，尤以自由表面流和水平潜流湿地应用较多，而垂直流的应用极少。研究表明垂直流与水平流比较其氧气传输能力强，容易形成好氧环境有助于有机污染物和氨氮的去除，在同样的去除效率前提下可以减少占地面积[1]。目前垂直流人工湿地以及垂直-潜流复合流湿地是研究热点。在人工湿地处理系统中，污染物质通过一系列较为复杂的物理、化学和生物等过程去除。污水中的悬浮固体主要靠过滤和沉淀物理作用被介质截留，截留的有机物逐渐降解，无机成分被合成为介质成分。PO43-、HPO42-、和H2PO4-和有机磷成分通过介质吸附，沉淀、络合、沉积、植物吸收等作用去除[2]。污水中以BOD5表示的有机质主要通过介质表面生物膜好氧生物降解，而氨氮去除主要因为硝化菌群氧化为NO3-、NO2-，其他还有介质的吸附、植物吸收、和挥发等过程[2]。在湿地中，氧气的获取和分布被认为是影响BOD、COD、NH4-N等的去除率的主要因素。昀近的研究表明污染质与微生物之间接触时间不够严重限制BOD和NH4-N的去除[3，4]。垂直流人工湿地的废水一般间歇性从顶部输入和底部排出。在砾石床中废水表面分布不均及水流速度过快导致污染质与介质的接触时间过短影响去除效率。理论上讲部分出水循环可以有效的改善这一情况。出水循环在生物滤池上应用较多但在人工湿地上的应用很少见。作者构建了垂直流与水平潜流复合床人工湿地处理畜禽养殖污水，本文只研究垂直流湿地出水循环对系统处理效果的影响。一、材料与方法（一）人工湿地构造复合流人工湿地建在无锡惠山区一个集约化养殖场(北纬32。2，，东经119。34，)，存栏量6000头，日均排水85m3，出水水质成分见表1，出水排入稳定塘。构建的人工湿地包括一个复合垂直第七章其他相关领域研究进展·1953·流和一个水平潜流湿地，其中垂直流湿地面积8m2，分为下行流4m2和上行流4m2，深度分别为1m、0.8m。下行流剖面从上到下依次为Ф2－5mm斜发沸石30cm，中间层Ф7－10mm高炉煤渣40cm，下层Ф15－40mm砾石30cm。上行流剖面从上到下依次为2－5mm沸石20cm，中间层Ф7－10mm高炉煤渣30mm，下层Ф15－40mm的砾石30cm。垂直流表面为H型的布水管。下行流湿地种植芦苇PhragmitescommunisTrin，密植30株/m2；上行流湿地种植菖蒲AcoruscalamusLinn，12株/m2。湿地构造见图1。表1猪场废水离心分离上清液成分含量成分值成分值BOD5(mg/l)812CODcr(mg/l)1767NH+4-N(mg/l)214NO-3-N(mg/l)1.2NO-2-N(mg/l)0TN(mg/l)255TS(g/l)2.36VSS(g/l)1.92VS(g/l)6.01TSS(g/l)2.50TP(mg/l)30.2PH8.3图1复合垂直流人工湿地构造示意图（二）垂直流湿地操作猪场污水先经过小砂滤池减少悬浮物，水流入沉淀池短暂沉淀后间歇流入湿地。开始湿地在无循环的情况下运行，频率4次/天。无循环运行结束后进行出水循环试验，进出水泵由程序控制器控制，垂直流出水经水平潜流湿地进一步处理。（三）取样及测定水样取自垂直流湿地的出入口，同时记录取样时气温。水样冰封运至实验室分析。对样品CODcr、BOD5、SS、TN、TP、PO4-P，NH4-N、NO3-N、NO2-N、DO按标准方法进行测定[5]。二、结果与讨论湿地运行5个月(2003.12－2004.4)后，出水水质稳定，挂膜完成，进行无循环比试验，记录数据，试验历时2个月。随后进行不同循环比试验。循环前后泵入原液总体积都为2m3/d，水力负荷0.25m3·m－2·d－1。循环率＝循环水体积/入水原液体积循环率分别为0.25、0.5、1、2，各种循环状况下试验依次历时2周，相应水力负荷分别为0.3125、0.375、0.5m3·m－2·d－1、0.75m3·m－2·d－1。中国环境保护优秀论文集（2005）·1954·猪场废水稳定塘水质及垂直流湿地出水水质情况见表2。（一）BOD和COD去除效果表2显示出水循环前后垂直流人工湿地对BOD5和CODCr有一定的去除率，当出水循环后，BOD5的去除率从循环前的58.6%提高到80.2%(循环率RR＝1)，CODCr的去除也有很大的提高，即使没有随后的水平潜流其出水CODCr浓度已经达表2垂直流湿地进出水各成分浓度及去除率成分进水(无循环)出水(无循环)去除率(%)进水(循环)*出水(循环)去除率(%)CODcr(mg/L)1466623－57.51058312－70.5BOD5(mg/L)608252－58.645289－80.2SS(mg/L)670270－59.738081－78.7NH4-N(mg/L)12983.2－35.511527－76.5NO3-N(mg/L)1.25.8＋1333.341.8＋915NO2-N(mg/L)----0.35.81.5－74.2TN(mg/L)14583.2－42.617470.5－59.6TP(mg/L)25.613.8－46.420.710.6－48.8PO4-P(mg/L)21.213.5－45.619.09.8－48.4DO(mg/L)0.82.21.07.2*循环率为100%到畜禽养殖废水的排放标准(400mg/L)。出水循环延长污染物与微生物之间的接触时间，有利于污水与植物根系和基质表面的生物膜充分接触，另外出水循环有助于氧气的带入和分布[6]，便于有机物质的好氧分解，这两点是提高CODcr和BOD5去除率的主要原因。图2BOD5表面负荷率与去除率关系图2表明BOD5表面负荷率与去除率呈线性关系，回归方程为y＝1.4633-160.26(R2=0.8562)。但在实际运行过程中循环率超过1，BOD5表面负荷率165mg/(m2·d)时，去除率增加极其缓慢。在传统的附着型生物处理系统中，可以观察到随着进水浓度的增加，反应动力学会从零级变为一级[7，8]。本研究中假设湿地中的生物过程与其他的生物系统一样，符合Monod动力学[9]：y=1.4633x-160.26R2=0.85620102030405060708090100140145150155160165170175180BOD负荷率，mg/（m2.d）去除率，％第七章其他相关领域研究进展·1955·CKCVkdtdcv+×=⋅0式中：k0·v——零级体积速率常数，[ML－3T-1]；K——饱和常数，[ML－3]。本试验通过进出水浓度分析，得k0·v=450mg·m-3·d-1，K=510mg·l－1。人工湿地k0·v和床体积V一定，其所能承受的微生物的昀大数量也是一定的，所以其昀大去除速率存在一个上限值，即k0，v·V。对于固定的进水浓度，开始系统处于一级动力学段，随着流量的增加其去除速率按相应比例增加；直到进入零级动力学段，这时湿地去除速率达到昀大(相对于这一进水浓度)，流量再增加，去除速率保持不变，出水浓度会增加。（二）P组分的去除总体而言，出水循环提高了TP、PO4-P的去除效率2.4%和2.8%，相比BOD5和CODcr提高的去除率(21.6%和23%)这个值很低。PO4-P占TP含量82.8%～92.7%，其去除率趋势与TP的一致。通常认为PO4-P的去除主要是PO43-与机制中的金属盐离子AL3+、Ca2＋、Mg2＋化学反应，部分被基质吸附还有部分被植物吸收。本试验中使用的炉渣含有较高AL3+、Ca2＋、Mg2＋含量。上述无机化学过程速度较快，因此使用出水循环对PO4-P去除影响不大。另外PO4-P的去除与基质金属成分含量，吸附饱和容量以及植物的生物质含量密切相关，也与溶液的氧化还原电位、pH值等相关，本试验将进一步深入研究。（三）N的去除出水循环显著提高了氨氮和TN的去除率。表1给出了出水循环前后氨氮和TN的去除率对比，循环后氨氮的去除率提高了31%(RR=1)。当没有出水循环时，入水NO3-N、NO2-N的浓度非常低，有时测不出。当出水循环，NO3-N出水浓度显著提高，NO2-N从无到有，表明出水循环带入了氧气有利于氨氮的好氧硝化。出水循环提高了氨氮与基质上微生物的接触时间有利于氨氮自养硝化菌慢速反应。BOD的降解和氨氮的硝化需要氧气，它们之间竞争氧，BOD去除后，多余的氧气可以为硝化细菌利用。表2数据显示出水循环对垂直流人工湿地脱氨氮至关重要。当大量氨氮转化为NO3-N后，NO3-N的去除需要厌氧反硝化转为N2释放，水平潜流因为水流速慢，容易形成厌氧环境，利于厌氧反硝化，这也是本研究湿地垂直流后接水平流湿地的依据。当出水循环以后，氨氮负荷率与去除率之间的关系见图3。由于硝化反应只在BOD5降低到低浓度后才占优势[10]，所以图3的数据取自BOD5浓度低于120mg/L时候。图3表明氨氮负荷率与去除率之间存在线性的关系，高NH4-N表面负荷有高去除率。y=0.5793x+19.08R2=0.955801020304050607080901000102030405060708090100NH4-N表面负荷率，mg/(m2.d)去除率，％图3NH4-N表面负荷率与去除率关系氨氮转化过程的物质平衡(见图4)表明不是所有的氨氮都硝化成NO3-N和NO2-N，氨氮的去除包括作物吸收，基质吸附，挥发和垂直流湿地内部的硝化－反硝化。氨氮的上述几种去除机制中国环境保护优秀论文集（2005）·1956·中各种机制的去除率还需要深入探讨。（四）pH值出水前后pH值的变化见图5。在硝化过程中，大量的碱度被消耗。氨氮与碱度的关系NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.02C5H7NO2+1.04H2O+0.98NO3-+1.88H2CO3[11]。每毫克NH4-N氧化需要1.98mgHCO3-。图5显示出水循环降低了pH，而没有循环时，pH值变化不大。（五）O2的消耗速率无循环N组分不同途径去除6%11%83%出水硝态氮其他途径出水循环N组分不同途径去除39%32%29%出水硝态氮其他途径图4垂直流湿地NH4-N不同去除途径7.46.46.36.16012345678pH值00.52出水循环率7.27.56.84.52.20246800.250.512出水循环率出水DO浓度，mg/l图5不同循环率出水pH值图6不同循环率出水DO值出水DO浓度。当循环率提高时，出水DO含量也提高，表明出水循环带入了部分氧气。根据BOD5、NO2-N和NO3-N含量的变化，可以估计BOD5降解和NH4-N氧化所消耗的氧气量。计算式如下：O2=BOD5+aNH4-Na－单位NH4-N物质完全耗氧量，值为4.75TN(