垂直流人工湿地系统的发展及对其水力负荷的分析顾国泉

第五章环境污染防治技术研究与开发.2239·垂直流人工湿地系统的发展及对其水力负荷的分析顾国泉邓欢欢李建华(同济大学水污染控制与资源化研究国家重点实验室上海市武东路100号同济大学沪东校区0428信箱2仪旧9)2摘要本文主要回顾了过去20年垂直流(V)F湿地的发展。通过一些具体实例,分析了垂直流(包括在组合系统中的垂直流)的运行效果。对两代垂直流湿地分别进行了介绍,并对历来湿地中水力负荷(HLR)作了分析。关健词人工湿地水力负荷硝化垂直流系统一、介绍垂直流(veirtc以now,V)F湿地指废水沿着垂直方向流动,氧供应能力较强,硝化作用较充分,占地面积较小,一般采用间歇进水,可实现较大的水力负荷长期运行。但是废水的流程较短,反硝化作用较弱,且工程技术要求较高。由于垂直流湿地可方便的采用工程手段来改善系统的供氧状况,提高布水均匀性,营造更加有利于硝化和反硝化发生的系统环境,故越来越受到人们的重视[1,2,5]。组合系统,即垂直流(V)F和潜流水平流(HF)湿地的组合,已经表明能够实现非常好的出水水质。单一的VF湿地在过去的巧年中得到了逐渐的发展,并且表明其硝化能力较强,同时对BoD,和悬浮物(55)有很好的去除作用,而且可以应用在多种地方处理污水,包括村庄、单个家庭、小型社区以及像高尔夫球场和垃圾填埋场等这样相对偏远的地方[’,’]。尽管如此,人们仍然担心系统会出现表面堵塞以及由此而引起的漫流。所以在VF湿地的设计中,要注意构造能够在下次进水之前使上次进水排出的填料层,同时又能够保持进水足够的停留时间使污水充分接触生长在填料表面的微生物,从而实现去除要求,即要有合适的H服01[。二、垂直流湿地的发展和运行1.组合系统和VF系统(第一代VF湿地)的运行效果早期的组合系统是由并行的VF湿地后加一定数量的潜流水平流(H)F湿地组成,其进水轮流通过单个VF湿地,然后再进人水平流湿地。很多早期VF湿地的运行效果数据都采自于组合系统中前段的VF湿地,而非单独的VF湿地。表l一表4中介绍了两个例子。衰1英国OaklandsPakr的二级处理组合系统的净化效果(Coo伴r,1999)分分析参数m了LLL进水水第一段VFIII第二段V凡凡第三段HIIIF第四段H凡凡第五段氧化塘塘BBBOD,,285555777l444巧巧777l111巧巧SSS169995333l77711119992lllNNNH一NNN50.55529.222l44415.44411.1118.111TTTONNN1.77710.22222.55510.0007.2222.333正正磷酸盐盐22.77722.77716.99914.55511.99911.222从表1可看出3[],由于还有大量的NH4一N残留在vF湿地段的出水中,表明在英国oak-landsPakr的组合系统中vF湿地段面积相对小了些。该系统中两段vF湿地面积是以1mZ/PE设计计算的。最近Meteterr一Riehcmann(2X()2)报道了对奥地利VF系统所有数据的分析评价,她2240中国环境科学学会学术年会优秀论丈集(2侧巧)认为在奥地利的人工湿地中大约有700个处理的是不到500人口当量(EP)的污水,而且她还研究了200个使用vF湿地的处理单元。这些vF系统是按照5.5m2/PE,150UPE.d来设计的,也就是说平均HLR是27m耐d。所有床体都是连续运行的,不存在停止运行阶段[’〕。表2表明奥地利的1型湿地在去除BoD,和NH4一N方面跟2型湿地有同样的效果l’〕,但是出水中的硝酸盐却能低很多。这可能是因为在低BODS的情况下,1型湿地中HF段产生了内源(使用自身的碳源)反硝化反应。表22佣个奥地利湿地系统的平均进、出水数据(Meteterr一Rieclunann,2佣2)分分析参数m『LLL进水水系统出水水1型出水水2型出水水3型出水水BBBODSSS2877757771444巧巧777CCCODDD511115333l777llll999NNNH一N,aaa77.55529.222l44415.44411,111NNNH一N,bbb77.99910.22222.55510.0007.222NNN03一NNN1.22226.33311`99947.33333orrr4一PPP9.4443.8883.0005.77777l型二VF+HF2型二VF3型=1999后有专门排水层的V;Fa为所有温度范围;b为温度大于12℃2.强化型VF系统(第二代VF湿地)在那些早期的VF系统中,其中部分存在停止运行阶段的湿地床现在被称作是第一代VF系统。过去的5年左右,不少设计者报道了VF系统有较佳的处理效果,此类VF系统只使用一个单独的湿地床,也就是说没有并行湿地床的轮流进水和停止运行周期。这些系统被称作是第二代VF系统或者叫强化型。衰3在英国iw“,SBam的CVF系统两年的平均监测数据(Wedeon,双犯3),单位;叫好LBBBBBODSSS飞SSSNH4一NNNNNNT即即CCCVF进水水350.888258.11193.999124.55516.666CCCVF出水水5.000.9.88810.299955.8887.777衰4丹麦CVF系统的运行裹现(Bixretal,2X()2),单位:功岁L(除H研和温度)CCCCCW进水水CWI出水水P虑床出水水CWZ出水水BBBO几几2打打399923339.444TTTSSSS137775.9995.9993.000NNNH。一NNN38884.7774.7772.000TTTONNN0.555l33313331888HHHLRm.叼ddddddddd23666温温度℃℃℃℃℃5.222tvertiealifowbeds,CVF)系统。表3(Weedon,2X()l)和表4(Birxetal2002)说明了这些系统的运行效果。表3描述了weedon在英国will’,Banr的系统两年的运行表现[.]。该系统面积为16.7扩用来第五章环境污染防治技术研究与开发·2241·处理SPE产生的污水,也就是说是以2.1mZ/PE设计的。由于污水浓度极高,就BOD,、仆S甚至是NH4一N来说,其处理效果是非常显著的。表4汇总了一部分在2002年9月于坦桑尼亚Aurhsa会议中的一些文章数据屯’,’“〕,详细描述了在丹麦CvF系统下的设计和研究,而且系统对于净化BODS、STS和NH;一N效果很好。表4中两段vF湿地面积是以2.7m,/PE设计的。该研究已成功应用到丹麦的一些小型工程和家庭污水处理上川。3.潮汐流(t记alnow,TF)系统TF系统是一种新型的vF系统[’`〕。由于早期的vF系统常常发生堵塞,因此便逐渐发展TF系统以试图克服这一问题。TF系统是在同一个湿地床中结合了下行流和上行流。上行流系统已经被应用了大概巧年,但其一个问题就是布水系统在填料表面以下使研究者很难观察内部布水的状况。在作系统运行开始时,污水由预埋的接底部布水系统的通气管进人湿地床底部。然后污水由布水管上的小孔中溢出,直至湿地床表面被水淹没。当充分淹没后,泵就停止运作,使得停留在床体中的污水与填料表面的微生物充分接触,起到净化的效果。经过一定的时间后,水向下排出。当排水结束后,一个处理周期就完成了。然后空气重新进人床体中的空隙,这样周而复始运作。这种系统的好处在于避免了传统垂直流湿地上部直接进水导致的床体表面的堵塞问题。进水和出水一般两小时完成一个周期。su。等人【川在英国的uRggeley建立了第一个该种系统并作了相应的研究。最近的一些研究中也有学者用此类系统做了关于污水硝化的研究{”],他们认为要完全实现污染物的硝化,系统应以2.sm,/PE左右来设计。三、水力负荷(HLR)在设计中,所选定的HLR能防止漫流的出现是非常重要的。因此有必要确定合适的水力负荷范围,使得在最高HLR的情况下能通过系统的最大流量,同样,在进水流量最小时要使系统能够均匀布水。在最大HLR时是否出现漫流,主要是由以下几个因素决定的:(l)填料粒径和布水(2)生物膜的生长率(也就是有机负荷率)(3)邓S负荷率lPatzer和Mauhc以及aLnger肛aber等人做了许多关于vF系统堵塞的研究〔`,,’礴],报道了他们使用第一代和第二代VF系统在处理生活污水时的关于产生堵塞或者是无堵塞的一些经验,此外他们还对系统的设计和运行的HLR作了相关的研究。1.第一代VF系统1993年,CooePr等人设计和建造了用来氧化NH。一N的vF三级处理系统〔”〕。该系统以平均HLR为306m功了d运行,但在进水期的峰值为1500m而d。四个并行的VF湿地床轮流间歇进水,摘期性停止运行,湿地床最上层覆以细沙。lPatezr和Manhc关于第一代vF系统的研究中,vF湿地床也是轮流间歇进水,周期性停止运行,并建议保持有机负荷小于25邪OD/耐.d以防止堵塞发生。I五Ilger『日光r通过VF小试系统研究了堵塞问题,表明在HLR小于loom而d时不发生堵塞。奥地利的Mietter:一Riehcmann作了一份关于200个第一代vF系统的调查[’】,表明以5.sm勺PE设计的平均HLR为27m耐d。这些奥地利的系统采用的无并行湿地床方式(也就是说没有停止运行阶段),但是HLR却低于下面要讨论的第二代VF系统,即CVF系统。2.第二代VF系统在weedon关于cvF/第二代vF系统的研究中!’〕,表明系统可以在33一1027m而d下运行而不出现漫流,但是在1270m而d时即出现漫流,而且此时有必要采取措施防止堵塞。Jhoansen等·2242·中国环境科学学会学术年会优秀论文集(2侧拓)人〔`”〕认为系统在200一2100m而d可以良好运行,并认为在soom而d下出现漫流是不影响系统正常运行的,而且也可看出CVF系统中的HLRs比前述奥地利学者的大很多。这些CVF系统长效运行的关键是选择合适的填料并能够有效的均匀布水。除了Jhoansen等人描述了关于填料的选择外,到现在为止,文献中很少有关填料选择的描述。经过比较,在英国的设计规范中〔’`〕,选择粒径为12mm,水力传导率为l〕汉力皿1“d的填料作为三级硝化生物反应器的填料,该系统的负荷率为80一380gNH4一N/扩·d,也就是说需要OTR为160一760四2/耐.d,这已是一个较高的负荷了。四、结论(l)在VF和组合系统中,出水基本能达到BOD10m岁L,STS10m岁L,NH4一NZmg/L。(2)研究表明,如果能良好的控制H皿,VF系统不必存在停止运行阶段。(3)以Zm,/PE设计的vF湿地能达到较佳的去除效果。(4)已开始认识到单独和串联式(两段式)垂直流湿地能够像组合系统一样得到很好的出水效果。现在CvF湿地床已开始慢慢取代以前由组合系统扮演的角色。参考文献川川HasnBixr,Calro。A.irA.ashTeuseOfve币ealifowcosn加eedtweitandsfo:on一。iet加eaonentOfdomesitewasewtater:NewD丽shguldeiln、EeoliogealEnigneeir雌,2X()5;25:491一5X()【2」P.Molle,.Auen耐,C.Meiiln,A.lwe二Howoteatrtawr~age讯htcosnutrcedtwedands:anvoe币ewofhteFerneh叮set眺WaetrcSienee&Techool呵,2005;51(9):11一21[3]Cooper,.P.FAerviewofhtedesi,and伴而而朋eeofve币e公nowandhybird此de目廿曰时mein叮setms.WatercSicene&Tcehnology,1999;4()(3),l一9[4〕CihrsotphlPatzeLDesi,cerommendaitonsforsubsll而cefloweosncutrdetwed如dsforintir石eiatonanddein川6e-ait叽wat