中水湿地去氮效果研究

孙秀敏,王 琳,甘 泓,邵福建

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038;2.山东省平阴县污水处理厂,山东平阴 250400)

中水湿地去氮效果研究

孙秀敏1,王 琳1,甘 泓1,邵福建2

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038;2.山东省平阴县污水处理厂,山东平阴 250400)

以山东省平阴中水湿地为研究对象,通过对湿地水体、底泥的氨态氮(NH3-N)、硝态氮(NO-3-N)沿程变化的分析,研究湿地对中水中氮(N)的去除效果。结果表明:湿地对水体中NH3-N的去除效果较好,而作为水体中N主要存在形式的NO-3-N沿水流方向却呈增加趋势,微生物硝化作用强烈。底泥中总氮(TN)沿水流方向也呈增加趋势,累计效应比较明显。研究结果为湿地设计的进一步改进提供理论支持。

人工湿地;中水;水样;底泥;去氮效果

南水北调东线工程输水渠道的90%是利用现有的河道湖泊,为满足受水区用水要求,输水干线及其支流的水体水质必须达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。而这些作为输水渠道的河道湖泊,水环境现状较差,特别是里运河及南四湖至东平湖区间和小清河的水质现状极差,几乎全部为劣Ⅴ类,这必然影响到输水水质安全,影响工程效益的发挥,因此治污是东线工程成败的关键。在改善干线本身水环境的同时,也要防止沿线城市的生活、工业污水进入调水干线,影响调水水质。这就需要建设截污导流工程对污水进行截、蓄、导、用,以期实现污水就地资源化利用,用作城市环境、绿化和城市居民冲洗用水等。相对于投资较大的截污导流工程而言,人工湿地作为一种高效、低耗的污水处理新工艺已得到广泛应用[1-3]。它利用基质-微生物-植物复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化[4],尤其是对N、P的去除效果明显。N、P作为造成水体富营养化的主要营养物质,如果在水中大量积累,会使藻类大量繁殖,导致水质恶化。因此降低N、P浓度一直是污水处理、水环境治理的重点。笔者选择距济平干渠较近的平阴中水湿地为研究对象,通过分析湿地对中水中N的去除效果,研究人工湿地在东线治污中的实际功效,并为人工湿地的进一步改善和运行管理提供理论依据,以期为人工湿地在整个东线工程沿线的推广起到示范作用。

一般说来,湿地系统的脱N过程主要包括:有机基质对N的吸附;阳离子交换作用和固N作用;作物的吸收及因其收获而去除;NH3的挥发而逸入大气;被微生物代谢而形成生物质的一部分;化学的、生物的硝化反硝化;随净化水流出;渗入地下水[5]。有研究表明,微生物的硝化反硝化作用和植物吸收是人工湿地脱N的主要途径[6]。一般情况下,污水中有机氮被微生物分解成NH3-N,NH3-N作为营养成分被植物分解吸收合成蛋白质等,通过收割植物,有机氮和NH3-N从污水和湿地中去除[7]。NO-3-N则通过反硝化菌的反硝化作用被还原为N2或N2O,从系统中逸出。另外,NH3-N也可经硝化反应转化为NO-3-N,但这个过程只改变了N的存在形式,反硝化作用才能实现N从系统的去除。

1 平阴中水湿地概况

实验地平阴县是山东省济南市的郊县,地处南水北调东线工程黄河以南段,是山东省环境保护工作的关键地区,影响着省城济南居民的饮用水质量。县污水处理厂位于南水北调胶东输水干线与入黄中水输送工程的交汇处,设计规模为日处理污水4万t,于2005年7月开始运行,平均日处理污水2万t,处理率在95%以上,出水执行国标一级B标准。2007年,为进一步治理城市水环境,污水处理厂对其西侧原有的多个鱼塘(共33.3 hm2)进行改造,经排水清淤后串联打通建立了水力联系,并引入芦苇、蒲草等水生植物,建成平均水深1.5m的表面流中水人工湿地(图1),对污水处理厂的出水进行进一步净化处理。通过项目实施,平阴县污水处理将确保由原设计排放一级B标准提高到一级A标准,污染物年削减量按设计规模预计,重点污染物COD可削减1300t/a,增加削减量150t/a。

图1 采样点分布示意图

2 样品采集

平阴中水湿地采取S形绕流和回流设计,如图1中箭头所示,尽可能增加水体流程,延长水体在区内停留时间,达到较好的污染物去除效果。2008年3月在湿地中沿水流方向选取25个采样点(图1)。其中1～14点在Ⅰ区、15～25点在Ⅱ区,处理后的污水先流经Ⅰ区再经过Ⅱ区,Ⅱ区水质理论上要比Ⅰ区好。另外,在距中水湿地1km处未受污染的水域选择一个26号采样点作为对照。在26个采样点各取一个水样 ,在 2 ～ 12、14、16、18、20、21、23、24 点采集新鲜底泥样品,置于保鲜袋中,密封包扎后带回实验室备用。

湿地污水中的N主要以NH3-N和NO-3-N(包括NO2--N在内)两种形式存在,此次主要测定样品的NH3-N和NO-3-N浓度。测定方法采用比色法,在连续流动分析仪上进行测定。

3 结果与讨论

3.1 水样结果分析

3.1.1 NO-3-N

为去除实验过程中所用的水和KCl溶液对结果的影响,增加了水、KCl两个空白样,测定结果表明:两个空白样的NO-3-N质量浓度分别为0.36mg/L和0.4mg/L。采样点的NO-3-N质量浓度应为实测质量浓度减掉空白样质量浓度值。对照点26点的NO-3-N质量浓度为7.96 mg/L。由结果可见,湿地中的NO-3-N质量浓度比正常水域高出很多。图2给出了NO-3-N质量浓度沿水流的变化趋势,在1点和14点之间,也就是Ⅰ区内,NO-3-N质量浓度略有波动,但总体没有大的变化。而Ⅱ区内NO-3-N质量浓度增长很快,从15点的23.76mg/L增加到25点的35.32mg/L,增长率为48.7%。

图2 水体NO-3-N随水流变化情况

温度、pH值、溶解氧(DO)是影响湿地去污效果的三个主要因素,温度和pH值随水流的变化不大,但是DO变化较大,如图3所示。DO随水流不断升高,与NO-3-N变化一致。Ⅱ区湿地DO质量浓度高,好氧微生物进行好氧过程,硝化作用强烈,NH3-N在好氧情况下经硝化细菌氧化,转变为NO-3-N[8-9]。硝化作用只改变了N的存在形式,对N的去除是不完全的。建议对该区采取措施,使反硝化细菌有适宜的厌氧缺氧环境和充足的有机物来源,以加强反硝化作用,将NO-3-N还原为N2或N2O,从而真正降低TN质量浓度。

图3 湿地水体中DO的沿程变化规律

3.1.2 NH3-N

和NO-3-N的测定过程相同,增加的水、KCl两个空白样的NH3-N质量浓度均为0.76mg/L。根据GB18918—2002《污水处理厂污染物排放标准》的规定,出水执行一级A标准,NH3-N质量浓度应不大于5mg/L,湿地各采样点均满足这一水质标准,NH3-N质量浓度进口为1.24mg/L,出口为0.64mg/L,去除率为48.4%,湿地系统对NH3-N的去除效果比较明显。水流沿程各点的NH3-N变化情况如图4所示,污水进入湿地的前一段,即9点之前,NH3-N持续增加,主要是因为水中有机氮化合物被微生物的氨化作用分解产生了NH3-N。之后随微生物硝化作用等不断加强,NH3-N不断转化为NO-3-N。NH3-N去除效果虽然很好,但其质量浓度跟NO-3-N的相比小很多,无机氮总质量浓度还是出口大于进口,以致不能满足TN排放标准[10],因此水体NO-3-N去除是湿地下一步改进的主要目标。

图4 水体NH3-N随水流变化情况

3.2 底泥结果分析

底泥样品N质量浓度测定与水样测定稍有不同,首先要从固体中提取N,再根据测得的底泥含水量反推称取新鲜底泥样的干重,最后算得单位干重的N质量浓度。图5、图6给出了底泥中NO-3-N、NH3-N沿水流的变化趋势。跟水样中N的分布规律恰恰相反:水样中NO-3-N质量浓度约为NH3-N质量浓度的 20倍左右,而底泥中NH3-N质量比约为NO-3-N质量比的10倍左右。说明水和底泥中,N的主要存在形式是不同的,水中以NO-3-N为主,底泥中以NH3-N为主。就变化规律而言,NO-3-N总体上是不断减少的,从进水口的0.01167mg/g减少到出水口的0.00327mg/g,去除率约为72%,主要的去除过程可能是反硝化作用。底泥NH3-N大致呈增加趋势,这与底泥有机质对水中N的吸附沉淀作用有一定的关系,TN随着NH3-N的增加而增加,在底泥中的累积效应比较明显。

图5 底泥NO-3-N随水流变化情况

图6 底泥NH3-N随水流变化情况

4 结 论

a.湿地对水体中NH3-N的去除效果较好,去除率为48.4%。但水体中N主要以NO-3-N的形式存在,且在Ⅱ区,NO-3-N质量浓度沿水流方向增加,导致TN质量浓度超过排放标准,建议营造水体更利于厌氧细菌生存的厌氧环境,加强反硝化作用,增强湿地对NO-3-N的去除效果。

b.底泥中,N主要以NH3-N的形式存在,NH3-N质量浓度沿水流方向增加,导致TN在底泥中累计效应比较明显,建议定期清理更换底泥,增强去N效果。

c.总体而言,平阴湿地是由鱼塘改建而成的,采用天然基质,没有特别的强化脱N设计,使得去N效果并不理想。湿地的设计和运行维护还需要进一步改进,如引入去污效果较好的水生植物,定期更换底泥等。

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[10]GB18918—2002,城镇污水处理厂污染物排放标准[S].

Removal of nitrogen in reclaimed water by constructed wetland

SUN Xiu-min1,WANG Lin1,GAN Hong1,SHAO Fu-jian2
(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;2.Pingyin Sewage Treatment Plant of Shandong Province,Pingyin 250400,China)

The Pingyin constructed wetland of Shandong Province was selected for study of removal efficiency of nitrogen in reclaimed water through analysis of the changes of NH4+-N and NO-3-N contents along the flow direction both in wetland water and sediments.The results showed that the removal of NH4+-N inwetlandwater was significant;however,as the main existing form of nitrogen in wastewater,NO-3-N increased along the flow direction,and the microbial nitrification was strong.Total nitrogen(TN)in sediments also tended to increase and accumulate.The results from this study could provide theoretical support for further improvement of the constructed wetland design.

constructed wetland;reclaimed water;water sample;sediment;nitrogen removal efficiency

X703

A

1004-6933(2010)02-00010-03

“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAB04A15);国家重点基础研究发展规划(973)资助项目(2006CB403408);国家自然科学基金创新研究群体基金(50721006)

孙秀敏(1985—),女,河北故城人,硕士研究生,研究方向为水资源规划、配置与管理。E-mail:xiumin.sun@126.com

(收稿日期:2009-08-10 编辑:徐 娟)