垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究

武俊梅,王 荣,徐 栋,张翔凌,贺 锋*,吴振斌 (.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 40072；2.中国科学院研究生院,北京 00049；.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉 40070)

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.

图1 实验装置系统示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 各填料主要化学成分(%)Table 1 Main chemical composition of the tested substrates (%)

1.3 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Table 2 Concentrations of pollutants in the influent

1.4 分析指标及方法

温度和 pH值采用在线测定仪(Thermo ORION 5-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.

图2 进水和各实验柱出水各阶段pH值Fig.2 Average pH of the influent and the effluents in five periods

图3 各阶段各种填料对COD的平均去除率Fig.3 Average COD removal rates in the columns with different substrates in five periods

2.3 不同填料对污水中氮素的净化能力

8种填料对污水中的TN和NH4+-N净化效果存在显著性差异(图4,图5,表3).其中沸石对污水中氮素的处理效果最好且稳定,对 TN和NH4+-N 的平均去除率分别高达 82.03%和91.32%,陶瓷滤料和蛭石次之,其他填料对氮素平均去除率较低,其中钢渣对 NH4+-N的去除率在整个实验过程中表现为负值.

图4 各阶段各种填料对TN的平均去除率Fig.4 Average TN removal rates in the columns with different substrates in five periods

图5 各阶段各种填料对NH4+-N的平均去除率Fig.5 Average NH4+-N removal rates in the columns with different substrates in five periods

2.4 不同填料对污水中磷素的净化能力

8种填料对污水中的TP和SRP净化效果存在显著性差异(图6,图7,表3).其中无烟煤从第3阶段开始对TP的去除率至少达到85.38%,从第2阶段开始对SRP的去除率至少达到91.65%;钢渣在整个系统运行阶段对TP和SRP的平均去除率分别高达89.61%和96.77%,且净化效果非常稳定;2者对SRP的去除率高于TP.沸石、页岩、蛭石、陶瓷滤料和砾石对TP的平均去除率均较低,对SRP的平均去除率均表现为负值,且波动性较大,对磷素的净化能力随实验阶段总体为下降趋势.

图6 各阶段各种填料对TP的平均去除率Fig.6 Average TP removal rates in the columns with different substrates in five periods

图7 各阶段各种填料对SRP的平均去除率Fig.7 Average SRP removal rates in the columns with different substrates in five periods

3 讨论

3.1 供试填料对有机物的净化效果的变化趋势

随着系统运行时间的延长,填料表面逐渐生成比较稳定的生物膜,填料对COD的去除率均有不同程度的提高,第5阶段各实验柱出水均达到城镇污水处理厂污染物排放标准[13]一级 A标准.李怀正等[6]指出填料随着表面生物膜的形成,对有机物的去除率得到了提升,但钢渣对有机物的去除率略有降低.与之不同的是,本研究中钢渣对COD的去除率有一定程度的提高.付国楷等[14]的研究也表明页岩和钢渣对COD的去除效果随实验进行呈上升趋势.

表3 不同填料对各污染物去除效果的方差分析(%)Table 3 ANOVA analysis of removal rates of COD、N and P in the columns with different substrates(%)

3.2 供试填料对氮的净化效果的变化趋势

本实验中沸石对污水中氮素的处理效果最好且稳定,且对 NH4+-N的去除率高于 TN,与张曦[15]等的研究结论一致,这是由沸石填料特性决定的,沸石对 NH4+有着很强的选择吸附功能,吸附容量可达 11.15mg/g[16].在无植物栽种的实验柱中,去除氮素的主要机制是物理化学吸附和填料表面微生物的作用.沸石内部具有发达的孔道结构,为微生物的生长提供了良好的场所,沸石吸附的 NH4+在硝化细菌作用下转化为 NO3-,使沸石表面吸附位点恢复再生[17].随着系统的运行,沸石对污水中 NH4+-N的处理效果基本保持在运行初期的水平,而随着生物膜的形成及稳定,沸石对污水中 TN的净化效率有所上升.钢渣对NH4+-N的去除率均为负值,可能是水的pH值较高不利于氨氧化细菌的生长[6,18].8种填料出水中NO2--N和 NO3--N含量均较低,平均值分别在0.012～0.123mg/L和 0.047～0.261mg/L之间,与Huang等[19]的结论一致.

3.3 供试填料对磷的净化效果的变化趋势

人工湿地中磷素的去除或固定机制中填料吸附和沉淀可能发挥着最重要的作用,同时也是最容易控制的因素[7].比较填料在相同实验条件下进行等温吸附实验所得到的数据,理论最大吸附容量为:钢渣(2500.00mg/kg)＞页岩(666.67mg/ kg)＞砾石(0.54mg/kg)[20];页岩(0.65±0.07g/kg)＞沸石(0.46±0.08g/kg)[7];蛭石(3473mg/kg)＞沸石(813.7mg/kg)[21];陶粒(71mg/kg)＞沸石(39mg/ kg)[22],其大小关系与本实验中填料对 SRP的去除效果吻合,因此填料对磷的理论饱和吸附量可以用于除磷填料的筛选.而根据进出水浓度估算实验柱中吸附的磷,去除率出现负值的 5种填料还未达到吸附饱和,因为在高负荷水力条件下,污水中的磷不能与填料进行充分的接触,填料表面的活性吸附位得不到充分利用,因此填料对磷的理论饱和吸附量过高地估计了相应系统对磷的去除能力,这与Richardson[23]的结论一致.同时实验系统中填料在某种程度上是作为一个“磷缓冲器”来调节进出污水中磷浓度的,那些吸附磷较少的填料也最容易释放磷[24].由于进水水质不稳定,较高浓度的含磷污水能导致磷的去除,而低浓度的进水则易导致填料中磷的释放[25],所以吸附能力较差的填料对磷的去除波动性较大.钢渣主要成分中CaO占36.13%,在适宜的pH条件下,生成大量稳定的羟基磷酸钙沉淀,Al和Mg氧化物含量也较大,也会与磷酸根形成沉淀.钢渣表面的金属氧化物、氢氧化物与磷酸根离子的吸持(表面络合配位反应)是出水pH值增加呈强碱性的原因[26].第 2阶段实验后无烟煤主要成分中CO3和SO3分别降低到67.14%和5.28%[11],其溶出可能是无烟煤出水呈酸性的原因,机理有待进一步研究.钢渣和无烟煤对 TP的高效去除主要在于其对SRP吸附能力强,其他填料虽然吸附能力较差,但是各种填料均对颗粒态磷有不同程度的截留作用,所以对TP的去除率高于SRP.

4 建议

在高负荷垂直流人工湿地中,针对水质特性选择稳定长效安全的填料,可减小人工湿地占地面积和延长人工湿地使用年限.当特征污染物分别为有机物、氮和磷时,可对应选用生物陶粒、沸石和无烟煤;当所处理污水为含有有机物、氮和磷的综合污水时,可选用3者的组合;钢渣单独使用时出水呈强碱性,不宜直接排放,可按一定比例掺加到其他填料中用于提高对磷的处理效果.

5 结论

5.1 实验系统运行一段时间后逐渐成熟,各填料对COD的去除率较运行初期有不同程度的提高,在第5阶段均具有较好去除有机物的能力,其中生物陶粒去除效果最好.

5.2 沸石对污水中氮素的去除率显著性高于其他填料,并且处理效果稳定,陶瓷滤料和蛭石次之,其他填料对氮素平均去除率较低,且随着系统的运行均有一定程度的降低.

5.3 钢渣和无烟煤具有长期去除磷素的能力,生物陶粒次之,而其他填料对 TP的去除率较低,且均有不同程度的SRP释放.

[1] Brix H, Arias C A. The use of vertical flow constructed wetlands for on-site treatment of domestic wastewater: New Danish guidelines [J]. Ecological Engineering, 2005,25:491-500.

[2] Aslam M M, Malik M, Baig M A, et al. Treatment performances of compost-based and gravel-based vertical flow wetlands operated identically for refinery wastewater treatment in Pakistan [J]. Ecological Engineering, 2007,30(1):34-42.

[3] 于 涛,成水平,贺 锋,等.基于复合垂直流人工湿地的循环水养殖系统净化养殖效能与参数优化 [J]. 农业工程学报,2008, 24(2):188-193.

[4] 吴振斌.复合垂直流人工湿地 [M]. 北京:科学出版社,2008: 293-354.

[5] Gray S, Kinross J, Read P, et al. The nutrient assimilative capacity of maerl as a substrate in constructed wetland systems for waste treatment [J]. Wat. Res., 2000,34(8):2183-2190.

[6] 李怀正,叶建锋,徐祖信.几种经济型人工湿地基质的除污效能分析 [J]. 中国给水排水,2007,23(19):27-30.

[7] Drizo A, Frost C A, Grace J, et al. Physico-chemical screening of phosphate removing substrates for use in constructed wetland systems [J]. Wat. Res., 1999,33(17):3595-3602.

[8] 袁东海,景丽洁,张孟群,等.几种人工湿地基质净化磷素的机理[J]. 中国环境科学,2004,24(5):614-617.

[9] 崔理华,朱夕珍,骆世明,等.煤渣-草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水的净化效果 [J]. 应用生态学报,2003,14(4):597- 600.

[10] Yang Y, Xu Z C, Hu K P, et al. Removal efficiency of the constructed wetland wastewater treatment systems at bainikeng, Shenzhen [J]. Water Science and Technology, 1995,32(3):31-40.

[11] 张翔凌.不同基质对垂直流人工湿地处理效果及堵塞影响研究[D]. 武汉:中国科学院水生生物研究所, 2007,130-134.

[12] 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法 [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[13] GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准 [S].

[14] 付国楷,周 琪,杨殿海,等.潜流人工湿地深度净化二级处理出水研究 [J]. 中国给水排水, 2007,23(13):31-35.

[15] 张 曦,吴为中,温东辉,等.生物沸石床污水脱氮效果及机理[J]. 环境科学, 2003,24(5):75-80.

[16] 张 曦,吴为中,温东辉,等.氨氮在天然沸石上的吸附和解吸[J]. 环境化学, 2003,22(2):166-171.

[17] 李 明.人工湿地不同基质中微生物群落结构及活性的比较研究 [D].武汉:中国科学院水生生物研究所,2009,59-68.

[18] Lahav O, Green M. Ammonium removal using ion exchange and biological regeneration [J]. Wat. Res., 1998,32(7):2019-2028.

[19] Huang J, Reneaujr R B, Hagedorn C. Nitrogen removal in constructed wetlands employed to treat domestic wastewater [J]. Wat. Res., 2000,34(9):2582-2588.

[20] 谭洪新,周 琪.湿地填料的磷吸附特性及潜流人工湿地除磷效果研究 [J]. 农业环境科学学报, 2005,24(2):353-356.

[21] 袁东海,景丽洁,高士祥,等.几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析 [J]. 环境科学, 2005,26(1):51-55.

[22] 尹 炜,李培军,傅金祥,等.潜流人工湿地不同基质除磷研究[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2006,22 (6):985-988.

[23] Richardson C J. Mechanisms controlling phosphorus retention capacity in freshwater wetlands [J]. Science, 1985,228:1424-1427.

[24] Wang N M, Mitsch W J. A detailed ecosystem mode1 of phosphorus dynamics in created riparian wetlands [J]. Ecological Modelling, 2000, 126:101-130.

[25] Kadlec R H, Wallace S D. Treatment wetlands [M]. 2nd ed. New York: CRC Press, 2009:374-375.

[26] 黄 玲,邓雁希.钢渣吸附除磷性能的试验研究 [J]. 四川环境, 2005,24(6):5-13.