萬(wàn) 蕾,張 妮

(徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

前 言

隨著污水排放量的增加和對(duì)污染物排放濃度的限制的提高，越來(lái)越多的組合工藝應(yīng)用于污水處理中[1～4]。人工濕地作為一種高效、節(jié)能的新型污水處理技術(shù)，在世界各地被廣泛應(yīng)用于地表水、生活污水甚至工業(yè)廢水和垃圾滲濾液的處理中[5～8]，但是其也存在工藝不穩(wěn)定、受季節(jié)影響大及占地面積大等缺點(diǎn)。因此，為了最大程度發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，人工濕地常常與其它工藝組成組合工藝來(lái)凈化污水，例如生物濾池-人工濕地組合工藝、接觸氧化池-人工濕地組合工藝、SBBR-人工濕地組合系統(tǒng)[9～12]，這些組合工藝都有成功運(yùn)行的實(shí)例。目前這些組合工藝都是采用的串聯(lián)的形式，存在占地面積大，管理維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

本研究通過(guò)構(gòu)建新型生態(tài)接觸床，采用淺層人工濕地和生物接觸池并聯(lián)的形式，研究其對(duì)污水中總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)的去除效率，探討了不同季節(jié)及不同濕地植物對(duì)污染物的去除率，為新型工藝的工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的裝置如圖1所示，主要包括淺層人工濕地、支撐結(jié)構(gòu)、生物接觸氧化池。淺層人工濕地置于上層，采用鏤空塑料筐裝填礫石，生物接觸氧化池置于下層，立體彈性生物膜填料懸掛于塑料筐底部。其中1、淺層人工濕地植物 2、人工濕地內(nèi)部硬質(zhì)濾料(礫石) 3、進(jìn)水區(qū) 4、塑料容器 5、穿孔布水板 6、彈性生物填料 7、集水板 8、塑料筐 9、集水區(qū)。整個(gè)生態(tài)接觸床采用塑料容器作為外表面(58cm×44cm×35cm)，上層淺層人工濕地深度10cm，硬質(zhì)填料采用粒徑0.6～1cm的礫石。礫石上種植具有凈化能力且根系較發(fā)達(dá)的耐寒水生植物。塑料筐作為中間支撐結(jié)構(gòu)，下層生物接觸氧化池，深度25cm，內(nèi)部懸掛生物膜填料。

圖1 生態(tài)接觸床剖面示意圖Fig.1 Eco-contact bed section diagram

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)用水采用C6H12O6、NaNO3、KH2PO4分別作為碳源、氮源和磷源來(lái)模擬富營(yíng)養(yǎng)化污水，并投加少量花園土保證植物生長(zhǎng)所需要的微量元素。其中，進(jìn)水TN濃度為2mg/L左右，TP濃度為0.2mg/L左右，有機(jī)物(高錳酸鹽指數(shù))濃度為40mg/L左右。設(shè)置4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別種植水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、花葉蘆竹(Arundodonax‘Versicolor’)，還有一組為無(wú)植物對(duì)照組。設(shè)計(jì)進(jìn)水流量10L/d，水力停留時(shí)間4d，采樣頻率4天一次，在集水區(qū)下部取樣，每次采集100ml水樣進(jìn)行檢測(cè)。每組各設(shè)置一個(gè)平行樣，測(cè)定出水的TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)，取平均值進(jìn)行分析，測(cè)定方法參考參考國(guó)家環(huán)境保護(hù)局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5～6月及當(dāng)年10～11月，每天記錄氣溫變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 春夏季污水凈化效果

5月1日將植物種植到生態(tài)接觸床上，1周以后正式進(jìn)水開始實(shí)驗(yàn)。5月～6月間，最低和最高氣溫分別為24℃和31℃，平均氣溫為27.1℃，氣溫變化如圖2所示。實(shí)驗(yàn)期間TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的濃度變化如圖3～5。由圖3可以看出，春夏季4種生態(tài)接觸床對(duì)TN去除效果較好，4種生態(tài)接觸床均在第50天時(shí)，去除效果達(dá)到最好。第50天時(shí)，無(wú)植物組生態(tài)接觸床出水TN濃度為0.54mg/L，水芹為0.56mg/L，菖蒲為0.53mg/L，花葉蘆竹為0.63mg/L，去除率分別為73.1%、72.0%、73.6%、68.7%，種植菖蒲的生態(tài)床效果最好。經(jīng)方差分析，在p=0.05水平下，各實(shí)驗(yàn)組差異不顯著(p=0.152)。

圖2 春夏季溫度變化圖Fig.2 Temperature variation in spring and summer

圖3 春夏季TN濃度變化Fig.3 TN concentration changes in spring and summer

由圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)第12天之前，TP濃度下降較快，12天以后TP濃度下降較為平緩，至實(shí)驗(yàn)50天，達(dá)到最好的去除效果，4種生態(tài)接觸床對(duì)TP的去除率分別為87.5%、84.5%、76.5%、71.5%，無(wú)植物床去除率最高，水芹次之。經(jīng)方差分析，各實(shí)驗(yàn)組差異顯著(p<0.001)。

圖4 春夏季TP濃度變化Fig.4 TP concentration changes in spring and summer

圖5為4種生態(tài)接觸床對(duì)水體中有機(jī)質(zhì)的凈化效果變化圖。由圖中可以看出，春夏季，4種生態(tài)接觸床對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除效果較好，在第50天時(shí)，去除率分別為51.8%、59.8%、55.8%、52.0%，水芹生態(tài)床凈化效果最好。經(jīng)方差分析，各實(shí)驗(yàn)組差異顯著(p=0.004)。

圖5 春夏季高錳酸鹽指數(shù)變化Fig.5 Permanganate index changes in spring and summer

2.2 秋冬季污水凈化效果

圖6為秋冬季實(shí)驗(yàn)期間氣溫變化圖，在此期間，最低和最高氣溫分別為-2℃和18℃，平均氣溫為8.8℃。圖7顯示了秋冬季4種生態(tài)接觸床TN濃度的變化。在10月初到11月中旬，4種生態(tài)接觸床對(duì)TN有著較好的去除效果。隨著氣溫的降低，植物部分枯萎，11月中旬后，4種生態(tài)接觸床TN出水濃度下降緩慢，隨著植物慢慢適應(yīng)環(huán)境，到12月中旬出水趨于穩(wěn)定。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，去除率分別為79.5%、77.0%、77.0%、79.5%，無(wú)植物和花葉蘆竹生態(tài)床效果相當(dāng)好于水芹和菖蒲組。經(jīng)方差分析，各實(shí)驗(yàn)組差異顯著(p=0.017)。

圖6 秋冬季溫度變化圖Fig.6 Temperature variation in autumn and winter

圖7 秋冬季TN濃度變化Fig.7 TN concentration changes in autumn and winter

圖8為秋冬季4種生態(tài)接觸床TP濃度變化。11月中旬由于氣溫相對(duì)適宜(平均氣溫為13℃)，TP出水濃度下降較快。后期由于植物生長(zhǎng)緩慢，加之氣溫的降低，4種生態(tài)接觸床中的TP濃度呈平穩(wěn)緩慢的趨勢(shì)下降。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，去除率分別為88.5%、73.5%、88.0%、73.5%，無(wú)植物組和菖蒲生態(tài)床效果較好。經(jīng)方差分析，各實(shí)驗(yàn)組差異顯著(p<0.001)。

圖8 秋冬季TP濃度變化Fig.8 TP concentration changes in autumn and winter

秋冬季，溫度下降，植物生長(zhǎng)緩慢，其供氧氣的能力也隨之下降，微生物活性降低，有機(jī)質(zhì)的去除能力也下降。由圖9可以看出，秋冬季，水芹有機(jī)質(zhì)出水濃度下降較快，對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除效果較好。同樣在實(shí)驗(yàn)前期，10月初到11月中旬，氣溫適宜，有機(jī)質(zhì)大量去除。到實(shí)驗(yàn)后期，隨著氣溫下降，4種生態(tài)接觸床對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除效果緩慢。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，無(wú)植物組對(duì)水中有機(jī)質(zhì)的總體去除率達(dá)到65.9%，水芹的總體去除率達(dá)到88.8%，菖蒲的總體去除率達(dá)到70.2%，花葉蘆竹的總體去除率達(dá)到70.1%，水芹效果最好。經(jīng)方差分析，各實(shí)驗(yàn)組差異顯著(p<0.001)。

圖9 秋冬季高錳酸鹽指數(shù)變化Fig.9 Permanganate index changes in autumn and winter

2.3 討論

本實(shí)驗(yàn)采用的是人工濕地和生物接觸池相并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)裝置，人工濕地和生物填料對(duì)污水的凈化共同起作用。外界因素如溫度等環(huán)境條件，系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、進(jìn)水方式、處理水質(zhì)、植物組成、水力負(fù)荷及停留時(shí)間等都會(huì)影響系統(tǒng)的凈化效率。

2.3.1 關(guān)于組合工藝對(duì)污水的凈化效果的研究，谷先坤[13]采用生物接觸氧化和人工濕地組合工藝，研究其對(duì)生活污水的凈化效果，結(jié)果表明TN和TP的去除主要通過(guò)人工濕地系統(tǒng)，濕地系統(tǒng)對(duì)TP去除貢獻(xiàn)率超過(guò)了70%，COD的去除主要在接觸氧化池內(nèi)。不同運(yùn)行方式下，40天對(duì)TN、TP和COD的去除率可以達(dá)到60%以上。許東陽(yáng)[14]研究了改進(jìn)生物滴濾池/人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，通過(guò)曝氣等強(qiáng)化措施，得出組合工藝運(yùn)行4個(gè)月對(duì)CODCr、TN、TP、的平均去除率分別為92.53%、62.26%、63.82%。本研究采用淺層人工濕地和生物接觸氧化池并聯(lián)的形式，春夏季對(duì)TN、TP的去除率可以達(dá)到60%以上，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率可以達(dá)到50%以上；秋冬季對(duì)TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的去除率均可以達(dá)到60%以上。本研究采用的并聯(lián)組合工藝可以節(jié)省用地，達(dá)到與串聯(lián)組合工藝相近的去除效果。

2.3.2 春夏季，人工濕地的植物和微生物生長(zhǎng)較快，其輸送氧氣和光合作用釋放氧氣的作用較強(qiáng)，微生物所需的氧氣較充足，微生物活性較高，對(duì)污水中氮磷和有機(jī)質(zhì)的去除效率較高。即使不種植植物，僅僅依靠濕地濾料和生物填料的作用，對(duì)氮磷和有機(jī)質(zhì)的去除均能達(dá)到50%以上，加上濕地植物的作用對(duì)污染物的去除效果更好。趙麗娜等[15]研究了南京地區(qū)常見的植物菖蒲、香蒲、美人蕉和蘆葦幾種濕地植物在春季對(duì)生活污水中主要污染物的處理能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，菖蒲和香蒲的處理能力較好，其對(duì)TN、TP和COD的去除率分別達(dá)到了72.64%、90.36%、65.05%和69.82%、91.32%、77.15%；蘆葦?shù)奶幚硇Ч源斡谳牌押拖闫眩廊私兜奶幚硇Ч^差。與本研究結(jié)論一致，在春季，菖蒲生態(tài)床的對(duì)污水的凈化效果較好，尤其是TN。在濕地系統(tǒng)中，無(wú)機(jī)磷酸鹽主要通過(guò)基質(zhì)的吸附與沉淀作用脫磷，有研究表明，基質(zhì)吸附與沉淀作用去除的磷可達(dá)總?cè)コ康?0%以上，在濕地系統(tǒng)中基質(zhì)的選擇對(duì)磷的去除很重要，且去除效率受基質(zhì)填料理化性質(zhì)的影響較大。本研究中，在春季，無(wú)植物生態(tài)接觸床對(duì)TP的去除率較高，主要是由于人工配置的污水主要有無(wú)機(jī)磷，因此基質(zhì)的作用較為明顯，植物的作用不明顯。

2.3.3 根據(jù)王鳳香[16]的研究，在低溫季節(jié)，人工濕地中植物對(duì)污染物去除貢獻(xiàn)微小，對(duì)污染物的去除主要是通過(guò)人工濕地床體部分得以實(shí)現(xiàn)；溫度對(duì)濕地中磷及有機(jī)物的去除效果影響較小。但是不同植物的耐寒性不同，耐寒植物在低溫季節(jié)正常生長(zhǎng)，能對(duì)污水的凈化起到促進(jìn)作用。本研究選用的幾種濕地植物，均為較為耐寒物種，秋冬季實(shí)驗(yàn)期間平均氣溫在10℃以下，幾種植物的凈化效果差異顯著。通過(guò)比較春夏季和秋冬季的凈化效果可以看出，TN和TP的處理效果相當(dāng)，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除效果秋冬季要高于春夏季，也就是說(shuō)，選擇耐寒植物，在秋冬季仍然能夠?qū)ξ鬯械腡N、TP和高錳酸鹽指數(shù)保持較高的去除效果。根究張敬申[17]的研究，溫度較低的冬季里，水芹菜生長(zhǎng)狀態(tài)良好，沒有病害現(xiàn)象，可以作為一種耐寒越冬植物應(yīng)用到北方地區(qū)的人工濕地工程中。本研究中無(wú)論是春夏季還是秋冬季水芹對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率均最高?；ㄈ~蘆竹和菖蒲對(duì)TN、TP的去除率較高，本研究的三種植物均可以作為低溫季節(jié)人工濕地植物的選擇對(duì)象。

3 結(jié) 論

本研究采用淺層人工濕地和生物接觸氧化池并聯(lián)的生態(tài)接觸床凈化污水，上部淺層人工濕地分別種植水芹、菖蒲、花葉蘆竹，并設(shè)無(wú)植物對(duì)照組，主要結(jié)論如下。

3.1 生態(tài)接觸床對(duì)污水的凈化效率較高，春夏季TN、TP的去除率可以達(dá)到60%以上，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率可以達(dá)到50%以上；秋冬季對(duì)TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的去除率均可以達(dá)到60%以上。

3.2 春夏季，菖蒲生態(tài)床對(duì)TN的去除效率最高，無(wú)植物床對(duì)TP的去除率最高，水芹生態(tài)床對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率最高；秋冬季無(wú)植物和花葉蘆竹生態(tài)床對(duì)TN的去除效果好于水芹和菖蒲組，無(wú)植物組和菖蒲生態(tài)床對(duì)TP的去除率最高，水芹生態(tài)床對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率最高。除春夏季各實(shí)驗(yàn)組對(duì)TN的去除差異不顯著，其它實(shí)驗(yàn)組均差異顯著。

3.3 水芹對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除率均最高，花葉蘆竹和菖蒲對(duì)TN、TP的去除率較高，本研究采用的并聯(lián)組合工藝可以節(jié)省用地，達(dá)到與串聯(lián)組合工藝相當(dāng)?shù)娜コЧ?/p>