水平芦苇湿地有机物和氨氮去除动态研究

[尼泊尔] K.R.佰斯塔 等

水平芦苇湿地有机物和氨氮去除动态研究

[尼泊尔] K.R.佰斯塔 等

尼泊尔一直以来使用水平和垂直潜流湿地进行废水处理，并依据其他国家的经验成果设计湿地处理单元。到目前为止，由于处理单元的性能对微生物的特性、气候条件和当地环境的其他属性比较敏感，导致已开发的合理设计标准存在一些局限性。其次，目前为此而对湿地系统特性开展的研究相当有限。考虑到以上因素，确立了主要研究目标：①从有机物和氨氮去除方面，评估潜流芦苇湿地系统的特性；②评估反应速率常数和有效比表面积；③评估湿地系统性能与使用年限间的关系；④探讨反应速率常数的动态特征。研究选择了3个全尺度和1个中试规模的生活污水处理单元，其水平流湿地的使用年限为1～5 a。

芦苇湿地；动态特征；有机物和氨氮去除；潜流系统；废水处理；尼泊尔

1 概 述

发展中国家城市化和经济活动的快速增长，导致废水量不断增长，而废水对地表水和地下水源造成巨大威胁。人们一直在竭尽全力建设传统的废水处理设施。然而，由于处理设施建设成本高、运行复杂和维护不便，其应用受到限制。在天然废水处理系统中，人工湿地(CW)被认为是一种简易且性价比高的生态废水处理技术。通过对植被和系统其他部分进行更好的水力控制，可优化工艺，克服自然湿地缺点。曾有专家指出，利用水生植物处理废水的人工湿地已在各个国家得到广泛应用，如德国、美国、澳大利亚、英国、中国和印度。这些植物对废水处理过程的起到重要的物理作用，包括过滤、创造生物膜表面、大型植物吸收营养盐和释放氧气的新陈代谢。

自从1997年以来，尼泊尔院校和中小型规模社区使用水平流和垂直潜流芦苇(卡开芦种)湿地处理废水，目前，正在运行的湿地有10多个，处理能力为0.5～115 m3/d，根据其他国家湿地的经验成果进行设计。为了判定合理标准，对少数湿地进行了系统特性的研究。

在此背景下，本研究将有助于了解芦苇湿地处理城市污水中有机物和氨氮的动力学机制。研究目标主要有：评估有机物特性、有机负荷(OLR)不同量级下的氨氮去除率、水平潜流湿地(HFB)运行年限；评估湿地纵向不同横断面处理性能；确定反应速率常数和生物膜细菌利用的基质比表面积。

方程(1)为基于一阶动力学和平推流模型的推理公式，运用于人工湿地的总体设计。

Ce=Coe-kt

(1)

式中,Ce表示COD出水浓度，mg/L；Co表示COD进水浓度，mg/L；k表示反应速率常数，d-1；t表示水力停留时间(HRT)，d。

曾有学者提出用方程(2)评估反应速率常数：

k=ks+asηsLfkb

(2)

式中，k表示整体反应速率系数，d-1；ks表示细菌悬浮反应速率系数，d-1；as表示有效比表面积，m2/m3；ηs表示生物膜有效因子；Lf表示生物膜厚度，m；kb表示生物膜反应速率常数，d-1。

众多学者先后指出，处于运行阶段的人工湿地，其有效比表面积本质上就是生物膜面积，它有助于基质分解或转移，该基质为有机质或以氨氮或磷形式存在的营养盐。

为了比较可用生物膜面积不断变化的各种自然处理系统的有效比表面积，有学者引进一个面积系数(δ)，为无量纲，见方程(3)。

δ=ash

(3)

式中h为系统深度，m。

大型浅水盆地仅将占地面积作为生物膜细菌可利用的有效表面积，δ值是单一的。曾有学者提出，如果将挺水植物看作额外的生物膜表面，密集的挺水植物的δ值则约为5，再加上水中的垃圾，能进一步提高δ值，δ≈10。

本文也讨论了αs、δ的理论值和经验值，以及假设条件下芦苇湿地早期和成熟期孔隙率。以上参数经验值可从实际反应速率常数和使用方程(2)，(3)得到。

表2 湿地废水进水特征汇总

2 材料与方法

2.1 芦苇湿地简介

该研究在3个全尺度和1个中试规模的生活污水处理设施上进行，设施均包括人工湿地，分别位于尼泊尔加德满都大学(KU)、什里克汉德普尔(Shrikhandpur)社区(SC)、杜里克尔(Dhulikhel)医院(DH)及普尔乔克(Pulchowk)工程学院(PE)。以上设施已分别运行0.8，2，4，5 a。每个设施基本情况和运行条件见表1。

表1 芦苇湿地基本情况及运行条件汇总

水平潜流芦苇湿地的横断面示意见图1。

图1 芦苇湿地典型横断面示意

2.2 采样与分析

以上4套废水处理设施都包括沉淀池和水平流湿地(HFB)。然而，KU和DH处理设施还包括垂直流湿地(VFB)，HFB处理后的出水为VFB的进水。湿地通过重力作用维持水流的连续性。为了更好地比较湿地的处理效率，本研究仅分析HFB。对KU和DH每4 h采一次水样，连续3 d进行1轮采样，每套设施共进行4轮采样。对PE按连续1周每天采样1次，针对3种流量(8，11，15 m3/d)应用相同的采样方案。而对SC，连续3 d每天采样1次。

KU、DH和SC湿地高程为1 550 m，PE湿地高程为1 324 m。两处年均雨量分别为1 711 mm和1 430 mm，其中90%以上的降雨发生在6～8月份。两处年均气温分别为17 ℃和18 ℃。研究在冬季开展，因此未考虑湿地蒸散发量的损失。根据“水和废水分析标准方法”进行水样分析。

3 结果与讨论

3.1 废水特征

表2汇总了芦苇湿地处理废水的特征。数据表明，KU、PE 和DH湿地进水量处于中等强度，而SC湿地进水量处于高等强度。

3.2 湿地整体特性

KU芦苇湿地有机物和氨氮平均去除率分别为66%和52.0%，PE相应为86.6%和54.7%，SC相应为80.0%和5%，DH相应为63%和6%。试验表明，去除率取决于过程变量，如HRT和芦苇湿地的运行年限。湿地整体性能见表3。

表3 各芦苇湿地污染物去除特征汇总

表4 有机物和氨氮的反应速率常数汇总

3.3 沿河床方向的不同特性

PE湿地各采样点有机物和氨氮的去除特征见图2。从图2可见，沿河床方向2个参数的浓度显著下降。然而，随着负荷的增加，2个参数的去除性能减弱。图2也呈现了分明的分解趋势。前一半线性关系明显，而后一半则表明污染物去除处于饱和阶段。图2也说明了有机物的分解在河床的前半段完成更快，而氨氮去除发生在河床的后半段。

图2 有机物沿HFB湿地长度方向去除率变化示意

3.4 反应速率常数

表4汇总了方程(1)使用特征值获得的反应速率常数。标准偏差反映了进水特征和河床特征的变化。Ku的HFB平均反应速率常数k为1.1 d-1，这同基质孔隙率为0.25～0.45的潜流CW系统的1.104 d-1建议值相差很小。PE湿地3个HRT下的反应速率常数分别为0.83-1、1.4 d-1和1.3 d-1，该湿地运行了2 a。研究发现反应速率常数也取决于河床的使用年限。调查发现，在2 a时间范围内，k值成倍增加。早期的研究反映k值是外部因素和内部因素的函数。1997年卡德莱茨指出，k值与HLR和OLR或湿地HRT关系密切。与此相似，众多学者先后提出k值为可利用生物膜细菌比表面积的函数。然而，本研究的调查结论强调了k值的重要性，明确指出人工湿地的运行优化意味着废水应能到达湿地所有地方，以充分利用生物膜细菌。然而，做出这样的假设似乎是不现实的，人工湿地绝不会存在透水性和有效比表面积最佳值这样的理想境况。即使能取得这样的条件，也仅是一个暂时现象。

湿地渗透系数取决于基质颗粒直径、颗粒级配和形状、河床孔隙率和颗粒分布。植物根系提高了颗粒大小和颗粒数量，从而改变了孔隙率，同时孔隙率在垃圾和颗粒沉积的作用下也会发生连续性变化。渗透系数特性超出了设计人员或是运行人员的控制，预测也比较困难。与此相似，全面控制外部因素，如负荷率和HRT，也是不可能的，因为湿地运行中要控制k值是相当麻烦的。由表4可见，在上述讨论的基础上，PE湿地得到的k值最高，为1.4 d-1，其他OLR为103 kg/(hm2·d)，HRT为3.5 d，为中间值。这表明，高负荷率或较短的HRT相应低负荷率或较长的HRT代表着湿地系统未得到优化，或未充分利用可获得生物膜细菌的潜在区域。

3.5 有效比表面积

使用方程(2)和方程(3)，所得结果见表4，采用卡蒂瓦达等学者于1999年提出用ηs、Lf和kb估计值估算每个芦苇湿地的αs和δ值，结果见表5。结果表明，湿地河床提供的有效比表面积在27～71 m2/m3范围内变化，这意味着可利用的生物膜面积是湿地河床占地面积的15～42倍。曾有学者估算出潜流湿地的αs和δ理论值分别为360 m2/m3和162，它假设湿地河床充填的圆形颗粒直径为1 cm。与此相似，1999年卡蒂瓦达等学者估算出潜流湿地的理论值，假设河床仅充满植物根系。本文提出若植物根系直径为100 μm下，αs和δ理论值分别为24 000 m2/m3和16 800。估算这2个值的基本假设为生物模以柱状形式与植物根部接触。尽管如此，由于堵塞、死水、渗透系数小、植物根系相对庞大或垃圾累积等，可认为生物膜应与这一平板几何形状相吻合。这类表面生成生物膜的概率极低，导致αs和δ值较低。使用表4资料，方程中用卡蒂瓦达等学者建议的平板形状代替柱状形状，发现芦苇湿地的αs和δ值变化范围分别仅为10～26 m2/m3和5～15。这些发现引出一个重要的推论，即k值较低的湿地河床，其有效比表面积大幅度下降。这一结论有助于理解早期湿地和成熟湿地河床k值的差异。

表5 比表面积和面积系数汇总

3.6 动态特征

基质出水浓度和HRT间的关系见图3。使用方程(1)可得到3类湿地早期的(<1 a)、中间的(1～4 a)和成熟的(>4 a))的出水浓度随HRT的增加而下降的变化图形。从图3可见，当湿地成熟以后，在HRT较短情况下，可获得与HRT较长情况下相同的处理水平。这可用表5和下列2个理论关系加以说明。

图3 湿地动态动力学特征示意(C0=300 mg/L)

(4)

(5)

式中,θ为河床的孔隙率;dp为颗粒直径。

当湿地河床的反应速率常数和相应的有效比表面积随着时间的推移而增大时，2个参数的变化必然与植物根系数量和直径的增加及河床孔隙率下降有关。河床孔隙率因植物根系直径的增加而发生重大改变，有效比表面积则根据方程(4)和方程(5)中显示的关系相应增加。

1996年中国学者提供了颗粒大小和形状间的关系及相应的孔隙率。2003年毕斯塔观测到1 a生长期植物根系体积下，KU湿地的孔隙率下降了3%。尽管如此，由于堵塞、死水、渗透系数小、植物根系较大或垃圾累积等，预计αs值和相应的反应速率常数将增加至临界值。期望开展进一步的研究，找到以上参数的权衡值。

4 结 论

本研究目的是规范水平流芦苇湿地系统的设计属性。对3个全尺度和1个中试规模的芦苇湿地开展了调查。HRB湿地有机物去除率在65%～87%范围内变化，氨氮去除率在5%～80%范围内变化。如果考虑绝对去除率，有机物去除率高于氨氮。研究结果清楚表明有机物分解和氨氮去除的发生存在先后顺序。沿湿地河床方向的实测污染物去除率论证了以上事实。反应速率常数作为HRB设计的动态参数，有机物、氨氮与比表面积变化范围分别为1.1～2.91 d-1，0.09～0.73d-1和27～71 m2/m3，相应的面积系数变化范围为16～42。以上研究结果与其他研究人员的研究结果一致。反应速率和相应有效生物膜面积随着湿地的成长而增加。尽管如此，研究结果也表明，在湿地退化之后，由于湿地出现堵塞、死水、渗透系数小、植物根系过于发达或垃圾累积等，出现了临界值。

邱训平 译

(编辑：朱晓红)

1006-0081(2017)03-0040-04

2016-11-28

X703:S342.2

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