垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究

中国环境科学2010,30(5)：633~638ChinaEnvironmentalScience垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究武俊梅1,2,王荣1,2,徐栋1,张翔凌3,贺锋1*,吴振斌1(1.中国科学院水生生物研究所,淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北武汉430072；2.中国科学院研究生院,北京100049；3.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430070)摘要：在高水力负荷(2400~3400mm/d)条件下,以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣和生物陶粒为填料,进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验(历时25个月).结果表明,随着系统的运行,各填料对COD的去除能力均有不同程度提高.沸石对污水中氮素的处理能力保持在较高的水平,对TN和NH4+-N的平均去除率分别高达82.03%和91.32%.钢渣对TP和可溶性反应磷(SRP)的平均去除率分别高达89.61%和96.77%,且净化效果稳定;无烟煤第2阶段对磷素的净化能力低于钢渣,之后与钢渣无显著性差异.在垂直流人工湿地中,针对水质特性选择长期高效的填料,如沸石、无烟煤和生物陶粒,在高水力负荷条件下可获得更好的处理效果.关键词：人工湿地；水力负荷；填料；去除效率；长期运行中图分类号：X829文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)05-0633-06Longtermperformanceofpilot-scaleverticalflowconstructedwetlandusingdifferentsubstrates.WUJun-mei1,2,WANGRong1,2,XUDong1,ZHANGXiang-ling3,HEFeng1*,WUZhen-bin1(1.StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China；2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China；3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(5)：633~638Abstract：Inordertoinvestigatethelong-termperformanceofpilot-scalevertical-flowconstructedwetland(CW),differentsubstrates,includingzeolite,anthracite,shale,vermiculite,ceramicfiltermedia,gravel,blastfurnacesteelslagandbio-ceramicwereused.Columnexperimentswerecarriedoutinagreenhouse,andtheirpurificationperformanceatahighhydraulicloadingrateof2400~3400mm/dwasassessed.Thewholeexperimentlastedfor25months.Withtheoperationofthesystems,CODremovalratesbyallthesubstratesincreasedgraduallyinvaryingdegrees;nitrogenremovalbyzeolitemaintainedatahighandstableefficiency,amongwhichtheremovalratesoftotalnitrogen(TN)andammonianitrogen(NH4+-N)wereupto82.03%and91.32%,respectively.Theremovalratesoftotalphosphorus(TP)andsolublereactivephosphate(SRP)bysteelslagreached89.61%and96.77%,respectively.Removalefficiencyofphosphorusbyanthracitewaslowerthanthatbysteelslagduringthesecondstage,whereasnosignificantdifferencesbetweenthemduringthefollowingstages.Properselectionoflong-termhigh-efficiencysubstrates(e.g.,zeolite,anthraciteandbio-ceramic)basedonthecharacteristicofwastewaterwasaguaranteeofbetterperformanceatahighhydraulicloadingrate.Keywords：constructedwetland；hydraulicloading；substrate；removalefficiency；long-term当前,垂直流人工湿地被广泛运用于处理生活污水[1]和部分行业废水[2-3].填料在人工湿地的结构中占有最大体积,是人工湿地区别于自然湿地的重要方面[4].国内外有关学者对填料的研究主要集中于不同填料对有机物、氮和磷污染物的净化效果研究[5-6]和不同填料对磷素去除机理的研究[7-8].在众多对净化效果的研究中,采用的水力负荷较低(300~1000mm/d),监测时间较短[3,6,9-10].本研究基于适用性、经济性和易得性选择8种收稿日期：2009-09-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808172,20877093,30870221);“十一五”国家水专项(2009ZX07106-002-004);武汉市青年科技晨光计划项目(200850731398)*责任作者,副研究员,[e-mail]634中国环境科学30卷填料为研究对象,填充组成模拟垂直流人工湿地实验系统,研究高水力负荷长期运行条件下不同填料净化能力的差异以及填料净化能力随时间的变化趋势,为选择合适的填料从而减小人工湿地占地面积和延长人工湿地使用年限提供参考.1材料与方法1.1实验装置构建实验系统装置(图1)采用内径250mm的PVC管实验柱共8根,高度均为1000mm,其中填料高度为900mm,管顶预留有100mm的保护层.混合调节池中的混合污水利用蠕动泵(PULSAFEEDER计量泵DC3B)提升,通过转子流量计(红旗LZB-10)调节水量,然后由管顶的环形穿孔布水管进入,由管底出水.考虑到温度和降水的影响,该系统建于温室内.供试填料依次为沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣和生物陶粒.其中沸石和无烟煤取自河南巩义华龙滤料厂,页岩取自湖北宜昌光大陶粒制品有限责任公司,蛭石取自辽宁大连中德珍珠岩厂,陶瓷滤料取自山东淄博铝业公司,砾石取自湖北武汉建材市场,钢渣取自武汉钢铁公司冶金渣分公司,生物陶粒取自江西萍乡三和轻化有限公司.所有填料均为颗粒状并经过粗筛,粒径8~12mm,各填料主要成分见表1[11].1.2实验系统运行管理实验系统每周运行2次,每次连续运行8h后采样进行水质分析,间歇时保持饱水状态,液面略低于填料表面.每根实验柱水力负荷控制在2400~3400mm/d,其COD、TN和TP负荷分别为175~250,26~36,2.3~3.3g/(m2·d).实验周期为2006年4月至2008年5月,共历时25个月.为便于比较不同填料净化能力随时间的变化趋势,根据运行时间将实验周期平分为5个阶段,钢渣和生物陶粒实验柱从第2阶段开始运行.2311110987654图1实验装置系统示意Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsystem1.混合调节池;2.蠕动泵;3.流量计;4.沸石;5.无烟煤;6.页岩;7.蛭石;8.陶瓷滤料;9.砾石;10.钢渣;11.生物陶粒表1各填料主要化学成分(%)Table1Mainchemicalcompositionofthetestedsubstrates(%)填料CO3SiO2SO3Na2OMgOAl2O3K2OCaOFe2O3TiO2沸石n.d.66.46n.d.1.08n.d.13.142.423.161.30n.d.无烟煤74.606.987.65n.d.n.d.7.36n.d.1.101.69n.d.页岩n.d.63.86n.d.1.412.3618.783.95n.d.7.53n.d.蛭石7.9740.62n.d.n.d.23.5513.084.33n.d.5.48n.d.陶瓷滤料n.d.52.53n.d.n.d.n.d.33.841.801.786.241.60砾石44.701.70n.d.n.d.17.830.38-35.060.16n.d.钢渣n.d.33.092.50n.d.8.4014.88n.d.36.131.05n.d.生物陶粒n.d.64.07n.d.n.d.4.0619.841.46n.d.8.690.86注:n.d.为未检出5期武俊梅等：垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究6351.3供试污水特性供试污水采用湖水和生活污水在混合调节池搅拌后的混合水,其中湖水取自武汉东湖茶港雨水排污口,生活污水取自中国科学院水生生物研究所办公楼前化粪池,混合调节池中供试污水水质监测结果如表2所示.表2供试污水水质Table2Concentrationsofpollutantsintheinfluent指标范围平均值标准差温度()℃9.3~29.420.84.9pH值7.28~8.367.820.25COD(mg/L)21~1557333TN(mg/L)3.950~17.47410.7013.420NH4+-N(mg/L)1.573~16.0498.0143.464NO2--N(mg/L)0.007~0.2290.0690.062NO3--N(mg/L)0.007~0.4260.1380.109TP(mg/L)0.326~1.7810.9710.364SRP(mg/L)0.213~1.0860.5700.2021.4分析指标及方法温度和pH值采用在线测定仪(ThermoORION5-STAR)测定;COD采用重铬酸钾消解哈希仪(HACH-DR/2400)测定,其他指标采用标准分析方法[12].数据采用SPSS13.0进行分析.2结果与分析2.1系统进出水pH值变化进水和各实验柱出水各阶段pH值如图2所示.对实验数据进行方差分析表明,无烟煤、钢渣和生物陶粒实验柱出水与进水pH值存在显著差异,其中无烟煤实验柱出水pH值低于进水,平均值仅为7.00,特别在第2阶段pH值最低时为3.36;钢渣实验柱出水为强碱性,平均pH值为11.45;生物陶粒实验柱出水pH值略高于进水,平均值为8.12;其他各实验柱出水pH值均略低于进水.2.2不同填料对污水中COD的净化能力方差分析结果表明(表3),页岩和钢渣对COD的净化能力与生物陶粒存在显著差异.生物陶粒和无烟煤对COD的净化效果最好,平均去除率分别为60.36%和54.40%.由图3可见,各填料对COD的去除率随运行时间的延长呈上升趋势,第5阶段各填料对COD的净化效果均较好,其平均去除率在48%~66%之间.进水沸石无烟煤页岩蛭石陶瓷滤料砾石钢渣生物陶粒01234567891011121314pH值填料种类阶段1阶段2阶段3阶段4阶段5图2进水和各实验柱出水各阶段pH值Fig.2AveragepHoftheinfluentandtheefflue