组合式垂直流人工湿地工艺及其污水处理效果

2018-09-14王昀

中国资源综合利用 2018年8期

王昀

（南京理工大学，南京 210000）

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为组合式垂直流人工湿地，其主要由三个垂直流人工湿地构建而成。将试验材料放入开放环境中。组合式垂直流人工湿地总共分为三个级别，其长、宽、高均为0.5 m，填充深度为0.45 m；而一级填料为沸石（1～2 cm）、二级填料为石英砂（0.8～1.6 cm）、三级填料为陶粒（0.4～0.8 cm），湿地植物可栽种美人蕉、千屈菜、鸢尾，种植方式为20株/m。两级填料的表面高度差为0.25 m，主要是将系统内的水体重力流形式进行维系。水流方向有三种：下向流、上向流、下向流。

1.2 系统运行

本次试验用水主要是生活污水，其主要取自南京市仙林污水处理厂，水质情况：进水温度（22.4±3.6）℃，溶解氧（0.1±0.1）mg/L、化学需氧量（128.6±37.4）mg/L、总氮（38.9±9.2）mg/L、氨氮（32.5±5.2）mg/L、硝氮（0.6±0.2）mg/L、亚硝氮（0.O1±0.01）mg/L、总磷（4.5±0.7）mg/L、磷酸（3.1±4.4）mg/L。水力负荷为10 cm/d，运行方式采用间断性进水，每运行1 h需要间隔1 h，每一级停留时间在12 h左右。采用蠕动泵为进水提供动力支持。试验系统可稳定运行12个月后便可进行试验。

1.3 样品采集及测试

样品采集的为进水、三个级别的出水，样品采集的频率为每周1次。需要检测的指标有：温度（T）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、亚硝氮（NO2--N）、总氮（TN）、磷酸盐（PO43--P）、总磷（TP）等。对于温度、溶解度进行在线检测；通过DRB200、DR2800对化学需氧量进行检测；通过标准方法对相关的物质进行检测。

1.4 统计学处理方法

污染物质的清除率采用的公式为：清除率=（1-C进/C出）×100%；质量清除速率采用的公式为：质量清除速率 =（C进V进-C出V出）/（S·HRT）。

降解常数k在Kadlec、Knight基础上的清除速率使用的公式为：

式中，HLR为水力负荷率，m/a；HRT为水利停留时间，d；C进为进水浓度、C出为出水浓度，mg/L；V进为进水体积；V出为出水体积，m3；S为人工湿度面积，m2。

对于数据的分析使用SPSS22.0统计学软件进行处理，应用X2对各组数据进行检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果与讨论

2.1 运行中系统内温度、溶解氧变化

在试验过程中，系统进水温度与各级出水温度无明显差异，随着试验的开展气温有所降低，如图1所示。试验材料处于敞开环境，所以其会受到外界气温的影响。系统各级出水溶解氧的浓度相比于进水溶解氧的浓度更高，可见系统具备较高的充氧能力。第2级溶解氧浓度相比于其他进、出水溶解氧浓度更高，且浓度呈现上下浮动的情况，此种情况与环境温度及第2级填料表面的自然复氧可能有关[1]。

图1 系统运行中温度的变化

2.2 对污水中化学需氧量的清除效果

在进水COD浓度出现较大波动时，系统对COD有着相对稳定的清除效果，各级出水COD浓度无较大差异，可见在第1级便开始COD的清除，如图2所示。人工湿地中的有机物可通过微生物在厌氧或有氧条件下利用有机物的新陈代谢来清除，湿地主要通过自然扩散及植物根茎泌氧来构建有氧环境。在第1级系统进水COD通过微生物吸收代谢、填料截留、植物根茎截留来获得较高的清除率，第2级、第3级也能将残余的COD进行清除，最终系统的总清除率将超过90%。

图2 系统运行中溶解氧的变化

2.3 对生活污水中氮的清除效果

组合式垂直流人工湿地能够将污水中总氮进行有效的清除，且在第1级变呈现出较高的清除效果，如图3所示。在进水中呈现出多样化的氮形态，其主要呈现氨氮形式及少量其他态氮、硝氮、亚硝氮。通过系统处理后氨氮的分量便会不断降低，由进水份额83.5%降低出水份额32%；且亚硝胺的分量不断升高，由进水份额1.5%升高到出水份额67.4%。系统中氮形态出现变化的致因为：人工湿地对于氮的清除极为烦琐，主要有挥发作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、植物吸收、厌氧氨氧化等，一系列的反应促使氮在系统中呈现出各种形态[2]。以上系统中氮形态的变化证实系统内部存在的异养菌具有氨化作用、硝化作用，这些微生物能够将TN中的有机氮转化为氨氮后再转化为硝态氮。相关研究显示，垂直流人工湿地中有着大量且多样的微生物菌群，主要有变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门。而在第1级主要进行其他态氮的清除，相应的氨氮不断降低，在第3级亚硝氮会不断上升，证实第1级主要进行氨化反应，第1级、第3级也同时进行硝化反应。由于硝化反应需要消耗大量的氧气，所以促使第1、3级出水中DO浓度相比于第2级更低。

2.4 对生活污水中磷的清除效果

在组合式垂直流人工湿地系统中，TP是逐渐减少的。在系统整个运行过程中，组合式垂直流人工湿地对TP有着稳定的请粗效果，其中第1级清除率约27%、第2级清除率约30%、第3级清除率约44%，如图4所示。对于磷的清除主要通过颗粒态磷的沉淀、截留等，异养菌会将颗粒态磷中的有机磷转化为无机态的磷酸盐，在此其中部分磷将与钙、镁等金属离子或水合物发生反应而出现沉淀现象，而没有发生沉淀的磷酸盐就会进入水体中，促使水体中的磷酸盐浓度上升。在组合式垂直流人工湿地的第1级、第2级将会进行少部分正磷酸盐的清除，第2级、第3级出水的磷酸盐浓度没有发生明显的变化，其主要原因就是磷在系统中发生反应将有机磷转化为无机磷，经过人工湿地工艺处理后，获得的出水的磷酸盐/总磷约69%，获得的出水的磷酸盐/总磷约92%。然而系统的第3级填料对于正磷酸盐的清除效果极为显著，最终获得的出水浓度为（2.34±0.4）mg/L。