两种不同基质的垂直潜流人工湿地对尾水的处理效果研究*

孙 健 李 卿 蔡世颜 夏 娜 汪博飞 万年红 程禹皓 陈 骞

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430010;2.中信清水入江(武汉)投资建设有限公司,湖北 武汉 430200)

2022年,全国污水处理总量约626亿m3[1]。污水处理厂尾水主要执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准,但氮、磷等污染物的总体排放量仍然很大,存在引起水体富营养化的问题[2-3]。因此,针对排放要求更高的地方,尾水需要进行深度处理。

目前,尾水深度处理主要包括物化法和生化法,其中物化法有臭氧/活性炭处理工艺、高效沉淀池、膜分离等[4-6];生化法有生物滤池、人工湿地等[7-8]。人工湿地具有运行费用低、维护简单、景观效果好等优点,在尾水深度处理中得到广泛应用[9-11]。然而,尾水C/N低,导致人工湿地脱氮效果不佳[12]。为提升人工湿地脱氮效果,学者一方面投加碳源以促进人工湿地的异养反硝化,如向人工湿地中投加小分子有机物、植物碳源或者高分子聚合物以补充碳源,可有效提高脱氮效率[13-15],但需注意C/N的稳定控制,否则会导致人工湿地出水化学需氧量(COD)偏高[16];另一方面强化人工湿地对尾水的自养反硝化作用,如氢自养反硝化和硫自养反硝化[17]。

硫自养反硝化需要向人工湿地中投加硫源,常见硫源有硫磺、单质硫、硫代硫酸盐和黄铁矿等。其中,黄铁矿作为一种经济性基质得到较多研究,比如在含氮废水[18]、受污染河水[19]人工湿地处理中的应用,而在尾水人工湿地深度处理中的研究较少。为将黄铁矿应用于尾水人工湿地处理,开展相关研究十分有必要。

2019年1月,《长江保护修复攻坚战行动计划》颁布,沿江城市大力推进污水处理厂的建设与提标改造。基于此,本研究以武汉某污水处理厂尾水为研究对象,采用黄铁矿为垂直潜流人工湿地基质开展对尾水净化的试验研究,以期为后期黄铁矿垂直潜流人工湿地尾水处理工程的设计应用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1 装置示意图Fig.1 Schematic diagram of device

1.2 试验方法

人工湿地通水运行稳定后开始试验,试验时间为168 d。两组人工湿地设置4种不同的水力负荷(0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)),在一个水力负荷运行42 d后,通过调节进水阀门改变至下一个水力负荷运行42 d,依次调节,直至设置的4个水力负荷运行完成。

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果

对比1#和2#人工湿地,发现1#人工湿地在水力负荷为0.4、0.7 m3/(m2·d)时出水COD显著高于2#人工湿地,但两组人工湿地在水力负荷为1.0、1.3 m3/(m2·d)时部分出水COD差异不显著(第112、126、133、147、154、161天)。在低水力负荷(0.4～0.7 m3/(m2·d))运行时,2#人工湿地对COD的处理效果较好(见图2)。1#人工湿地水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时COD平均去除率分别为60.17%、51.27%、46.75%和38.87%;2#人工湿地水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时COD平均去除率分别为72.83%、63.09%、58.17%和48.02%。结果表明,随着水力负荷的增加,人工湿地对COD的处理效率降低。

图2 人工湿地出水COD变化Fig.2 Change of COD in effluent of constructed wetland

2.2 氨氮去除效果

1#人工湿地的出水氨氮为0.05～0.49 mg/L(见图3),水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时的氨氮平均去除率分别为48.39%、48.88%、69.72%和71.59%;2#人工湿地的出水氨氮为0.06～0.49 mg/L,水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时的氨氮平均去除率分别为51.87%、50.42%、71.43%和69.00%。高水力负荷(1.0～1.3 m3/(m2·d))有利于人工湿地对氨氮的去除。对比1#和2#人工湿地的出水氨氮,发现除在第140天两者存在显著差异外,其余均无显著差异。

图3 人工湿地出水氨氮变化Fig.3 Change of ammonia nitrogen in effluent of constructed wetland

2.3 TN去除效果

1#人工湿地出水TN为2.01～8.02 mg/L(见图4),水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时的TN平均去除率分别为42.82%、36.13%、29.18%和27.92%;2#人工湿地出水TN为0.86～6.87 mg/L,水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时的TN去除率分别为69.65%、59.43%、47.36%和41.25%。人工湿地对TN的去除率随着水力负荷的增加而降低。对比1#和2#人工湿地出水TN,发现除了第147、161、168天两者无显著差异外,其他时间2#人工湿地出水TN均显著低于1#人工湿地。

2.4 TP去除效果

1#和2#人工湿地的出水TP分别为0.18～0.29、0.08～0.19 mg/L(见图5),对比发现1#人工湿地出水TP均显著高于2#人工湿地。1#人工湿地水力负荷为0.4、0.7、1.0、1.3 m3/(m2·d)时的TP平均去除率分别为49.11%、46.31%、35.79%和30.77%,2#人工湿地TP平均去除率分别为74.64%、74.05%、65.55%和60.96%,且水力负荷≥1.0 m3/(m2·d)时,两组人工湿地对TP去除效果变差。

图6 人工湿地出水变化Fig.6 Change of in effluent of constructed wetland

2.6 出水

图7 人工湿地出水变化Fig.7 Change of in effluent of constructed wetland

2.7 微生物分析

2.7.1 多样性分析

比较1#和2#人工湿地的Chao1指数和Shannon指数发现,2#人工湿地的Shannon指数和Chao1指数均大于1#人工湿地,说明2#人工湿地基质中微生物多样性和丰富度高于1#人工湿地(见表1)。

表1 微生物群落的多样性Table 1 Diversity of the microbial community

2.7.2 属水平微生物组成及相对丰度

对1#和2#人工湿地基质进行属水平的微生物组成和相对丰度分析发现,1#人工湿地中的主要菌属为类固醇杆菌属(Steroidobacter),其相对丰度为4.56%;2#人工湿地中的主要菌属为硫杆菌属(Thiobacillus)和硫氧化菌属(Sulfurifustis),其相对丰度分别为16.68%和4.62%。对比发现,1#和2#人工湿地的主要菌属不相同。

2.8 讨 论

图8 试验前后黄铁矿的XRD分析Fig.8 XRD analysis of pyrite before and after experiment

3 结 论