生物炭折流湿地对生活污水的净化效果

2020-10-09王若凡汪文飞王煜钧孙鹤洲刘傲展

农业环境科学学报 2020年9期

王若凡，汪文飞，王煜钧，孙鹤洲，刘傲展

（兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州730070）

我国西北农村地区低温期较长，生活污水水质日变化系数大，人工湿地的填料在其处理污水过程中起主导作用，因此在湿地系统中填料对污染物的截留吸附特性和其内部的水力特性是决定湿地对污染物去除效率的关键因素[1]。现有的研究表明，生物炭具有较大的比表面积和较强的稳定性，可为微生物提供良好的生存空间，并具有很强的吸附性。生物炭在土壤重金属的修复和废水处理得到了广泛的应用。如徐德福等[2]研究表明生物炭能够显著增加人工湿地中的植物根系生物量，提高溶解氧含量。王宁等[3]研究表明生物炭投加可强化曝气湿地系统脱氮能力，实现N2O气体减排。Saeed等[4]研究表明生物炭和粉碎砂浆组合可实现人工湿地对废水的高效处理。但仅用生物炭作湿地填料的研究较少，本研究的宗旨是以生物炭为填料构建折流人工湿地处理生活污水，并结合西北地区年平均气温特征，待其稳定运行后，确定折流湿地的最佳水力停留时间（HRT），考察湿地沿程对去污性能的影响，分析生物炭对各污染物的去除效果和微生物的降解过程；然后对其运行监测12个月，初步评价生物炭应用于折流湿地处理污水的可行性，以为西北地区农村分散式生活污水处理和人工湿地模型建立提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

生物炭购买于当地活性炭厂，该生物炭由农业秸秆经风化、破碎后，放入马弗炉中，以10℃·min-1的升温速度，从室温加热到500℃炭化3 h，而后冷却至室温装瓶备用，其物理性质[5-6]见表1。

1.2 实验方法

1.2.1 折流湿地装置

采用潜流湿地结构设计构建水平折流湿地，以生物炭为填料构建湿地系统。如图1所示，垂直方向分别是5 cm的承托层（粒径15～25 mm的砾石），30 cm的主填料层（下层20 cm、上层10 cm，分别由粒径6～8 mm和4～5 mm的生物炭填料构成），10 cm的土壤层（过10目筛的均匀黄土），湿地植物为株高0.3～0.7 m的芦苇，每平方米20棵。水平方向是由5个隔室、进水池和出水池组成，每个隔室的长×宽×高=60 cm×20 cm×50 cm，其可处理污水容积为20 L。进水池铺设高15 cm、粒径10～15 mm的砾石，对污水进行预处理。湿地进水为居民区的生活污水（参数见表2），由进水池均匀投配，逐步通过5个隔室，经填料层到达出水池的收集管排出。

图1折流湿地结构Figure 1 Baffled constructed wetland structure

1.2.2 折流湿地对污染物处理效果的研究

（1）HRT对生活污水处理的影响

折流湿地运行稳定后，分别在0.25、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 d追踪测定出水温度、pH、化学需氧量（COD）、-N、-P和悬浮物（SS）的含量，确定湿地的HRT，分析生物炭床对生活污水的降解作用。

（2）沿程对生活污水处理的影响

在最佳HRT下，分别测定湿地沿程在0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 m的出水温度、pH、COD、NH+4-N、PO34--P和SS的含量，分析沿程对生物炭床处理生活污水的影响。

（3）折流湿地稳定性监测

在最佳HRT和沿程的条件下，以每2.5 d为一个处理周期，折流湿地运行12个月，总计年处理污水量为2.920 m3。不定期地监测湿地进出水温度、pH、COD、-N、-P和SS的变化，分析其运行参数和稳定性。

表1生物炭的物理性质Table 1 Physical properties of biochar

表2折流湿地进水参数Table 2 Influent parameters of baffle wetland

1.2.3 指标测定

COD采用重铬酸钾氧化法测定，NH+4-N采用纳氏试剂分光光度法测定，PO3-4-P采用钼酸铵分光光度法测定，SS采用重量法测定，具体操作步骤详见《水和废水监测分析方法》[7]。

研究结果均采用OriginPro 8.0及SPSS软件进行数据显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 不同HRT对生活污水处理的影响

在水温8～12℃条件下，采用间隔配水方式不间断地投加生活污水，并进行微生物挂膜处理，观察湿地出水水质，待湿地去除性能趋于稳定后，进行折流湿地对各污染物的去除实验。由图2可知，折流湿地对各污染物的去除率与HRT的增加呈显著正相关（R2＞0.90，P＜0.05）。在2.5 d之前，各污染物的含量明显降低，COD和-N的去除率相比于-P和SS的去除斜率较大，去除率明显上升。其一，是因为SS在湿地前段被沉淀、过滤截留-P被生物炭吸附去除，Kizito等[8]在对生物炭的研究中也证实生物炭对磷具有一定的吸附作用；其二，是因为生物炭可作为微生物的固定化载体，保护其在不利环境因素下的活动[9]，通过提升微生物新陈代谢的稳定性来提高湿地系统对COD和-N的去除率，并且Mohan等[10]研究表明，生物炭对-N具有一定的吸附能力；其三，是因为生物炭具有高碳含量，为异氧生物提供反硝化碳源；其四，可能是因为生物炭内部可以形成缺氧环境导致反硝化作用形成。在2.5 d之后，水中各污染物的去除率趋于平缓，是因为湿地系统中的溶解氧源于进水过程，而随着湿地运行时间的延长，溶解氧被逐渐消耗，湿地内部硝化作用受到了抑制[11]，导致湿地对污染物的去除趋于平缓。综合考虑处理效率和经济效益，宜选2.5 d为折流湿地去除污染物的最佳HRT，在此条件下，折流湿地出水中COD-N、-P、SS的去除率分别为90.51%、72.38%、90.73%、94.57%，这与程龙等[12]以折流式潜流人工湿地对氮磷的净化效果的HRT相似。

图2污染物浓度随时间的变化Figure 2 The change of pollutants concentration over time

2.2 不同沿程对生活污水处理的影响

在水温8～12℃和最佳HRT的条件下，折流湿地出水中各污染物的去除率随沿程的变化如图3所示。湿地沿程的增加与各污染物的去除率呈显著正相关（R2＞0.97，P＜0.05）。在1.2 m之前，污染物的去除率迅速上升，这一方面是因为污水刚进入生物炭床时由水体带入溶解氧，供氧水平较高，微生物降解速率较快，使得污染物的去除率提高；另一方面是因为生物炭床对污染物具有截留、沉淀作用。在1.2～3.0 m时，各污染物的去除率呈缓慢上升趋势，NH+4-N去除率偏低。这是因为氨化反应快于硝化反应，进水中溶解氧在湿地前段大量被氨化消耗，湿地中后段呈现缺氧（或厌氧）环境，硝化反应被严重抑制，呈现出高-N积累的特征[13]-N去除率低。因此，折流湿地对污染物的去除前段最为明显；在3.0 m时，湿地对COD、-N、-P、SS的去除率分别为90.00%、67.46%、86.24%、96.30%，这与黄有志等[14]以表流人工湿地对污水去除的研究结论一致。

图3污染物浓度随沿程的去除率Figure 3 The removal rate of pollutants concentration along the way

2.3 折流湿地稳定性监测

图4折流湿地对污染物的去除Figure 4 The removal of pollutants by baffled wetland

在HRT为2.5 d，沿程为3.0 m的条件下，将折流湿地连续运行12个月，湿地对污染物的去除如图4所示。随着湿地运行时间的增加，各污染物的去除率整体呈上升趋势。运行过程中-P和SS的去除率波动幅度较小，COD和NH+4-N的去除率随着月份的增加先上升后下降，在7月达到峰值，分别为94.7%和91.73%。折流湿地对各污染物的去除率夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季相比于冬季湿地对COD、-N、-P、SS的去除率分别提高了0.12、0.21、0.08、0.02倍，这与王学华等[15]研究的人工湿地污染物去除率随季节变化的结论一致。主要原因是：温度等外界条件因素对-P和SS去除的影响较小，其主要是靠生物炭床吸附、过滤、沉淀和离子交换等物理化学作用去除；COD和-N的去除除了物理化学作用外，在湿地系统中还要通过微生物的同化作用去除，而湿地进水中污染物浓度不稳定，使得生物炭床中微生物群落受到冲击，微生物新陈代谢不稳定[16]；夏季到冬季过渡时，环境温度逐渐变低，湿地系统中温度也相应降低，导致微生物活性下降；此外，生物炭床上的生物膜经过长时间的运行，膜加厚，内部出现厌氧产酸，导致生物膜脱落，填料堵塞；因此，出现了COD和-N的去除率降低的现象。折流湿地经过12个月的运行，对COD、-N-P、SS年平均去除率分别为88.16%、83.16%、92.55%、96.30%，出水中COD-P、SS的含量均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，出水水质稳定。所以，运用折流湿地处理常规的生活污水能够达到稳定运行，且确保出水达标排放。

2.4 污染物随HRT和沿程变化的动力学模型

人工湿地在对污染物的降解过程中，主要考虑处理负荷与去除效率之间的关系，一级动力学模型经常用于描述潜流人工湿地对污染物的去除规律[17-18]。通过一级动力学模型可以拟合出最适的工艺参数，以用于优化生化处理的条件，预计微生物降解污染物的趋势，其直线方程如公式（1）和公式（2）所示。

式中：kv为污染物体积去除速率常数，d-1；C0为进水浓度，mg·L-1；Ce为出水浓度，mg·L-1；a为污水在折流湿地中的停留时间或沿程，d或m。

随运行时间和沿程的增加，折流湿地系统中污染物浓度呈下降趋势。以ln（Ce/C0）为纵坐标，以时间t和沿程l为横坐标，绘制一级动力学拟合图，得到拟合数据。由表3可知，一级动力学模型对折流湿地处理COD、-P、SS的拟合过程相比于-N处理的拟合过程要好（R2＞0.91），表明一级动力学模型能够更好地描述折流湿地对COD-P、SS的生化降解过程，这与HRT和沿程对生活污水处理影响所得结论一致。这也进一步说明了生物炭由于其孔隙率大、比表面积大，更有利于微生物在其表面附着，提高微生物的稳定性；碳源充足，为反硝化提供充足的电子供体[19]；渗透系数小，可延长水力停留时间[5]，从而极大地提高了生物炭折流湿地对污染物的去除率。

将折流湿地的HRT为第2.5 d和沿程为3.0 m时的COD-N-P、SS测定结果代入公式（2），计算出kv值，结果如表3所示。kv的大小代表以生物炭为填料的折流湿地对各污染物降解速率的大小[20]，由表3可知，在HRT为2.5 d时，速率常数的大小顺序为SS＞-P＞COD＞-N；沿程为3.0 m时，速率常数的大小顺序为SS＞COD＞-P＞-N，以上各污染物的kv值普遍高于袁敏等[21]（kv：0.218～0.543 d-1）和Huang等[22]（kv：0.089～0.139 d-1）的研究[21-22]，接近于王小晓等[23]（kv：0.354～1.999 d-1）的研究，表明生物炭作为折流湿地填料对各污染物中SS的降解速率最大。因此，生物炭折流湿地能够更好地去除污水中的污染物，达到有效净化生活污水的目的。