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潛流人工濕地中污染物凈化處理技術(shù)

2018年03月21日 13:29:22人氣:1701來(lái)源:山東千里環(huán)保工程有限公司

人工構(gòu)造濕地可利用植物、微生物和基質(zhì)間的物理、化學(xué)及生物作用共同達(dá)到污水凈化的目的。植物根系能形成網(wǎng)絡(luò),傳遞和釋放氧,吸收一部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),為微生物提供生長(zhǎng)場(chǎng)所,并提供好氧、厭氧條件,但植物有一定的生長(zhǎng)期,且需要收割。好氧微生物可將有機(jī)物分解成CO2和H2O,硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌可去除氮,聚磷菌去除磷?;|(zhì)能截留污染物、吸附氨氮、沉淀磷,并沉淀吸附懸浮物質(zhì),為微生物提供附著面,其主要作用為吸附沉淀,但存在吸附飽和度。目前對(duì)人工濕地去除的機(jī)理研究比較深入,但對(duì)人工濕地中污染物隨高度變化的凈化程度很少有研究報(bào)道。為此,筆者考察了潛流濕地系統(tǒng)中污染物沿高度的凈化程度,并對(duì)COD、氮、磷的去除機(jī)理及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行分析。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。該裝置有效高度80cm,超高20cm,直徑30cm,壁上設(shè)置一排間距為15cm的取樣口,用于取樣和排水。

1.2污水水質(zhì)

針對(duì)天津?yàn)I海高新區(qū)代表性湖泊及周邊水域的水質(zhì)情況,采用人工配水方式模擬其水環(huán)境特點(diǎn),其中COD由葡萄糖提供,堿度由NaHCO3提供,氨氮由NH4Cl提供,硝態(tài)氮由KNO3提供,KH2PO4提供磷。進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3填料種類及組合

目前,人工濕地去除污染物主要是通過(guò)控制不同因素來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些因素有基質(zhì)選擇、濕干比、配水周期、基質(zhì)厚度等。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,種植植物與不種植植物對(duì)污染物的去除作用差別不大,因此本實(shí)驗(yàn)運(yùn)行并不種植植物。

人工潛流濕地處理系統(tǒng)的基質(zhì)填充深度是根據(jù)種植的植物根系能夠到達(dá)的深度確定的,種植蘆葦一般可達(dá)到60~70cm。本實(shí)驗(yàn)的填料厚度定為75cm,其中承托層厚度為15cm。

為了綜合發(fā)揮各基質(zhì)優(yōu)勢(shì),潛流濕地床往往由多種基質(zhì)組成。一般來(lái)說(shuō),基質(zhì)比表面積越大,污水與基質(zhì)的接觸面積越大,凈化效率也會(huì)相對(duì)增加〔4〕。傳統(tǒng)人工濕地的基質(zhì)采用土壤、砂、礫石等,雒維國(guó)等〔5〕對(duì)比了土壤、礫石、煤渣對(duì)NH4+-N的吸附效果,結(jié)果表明,在基質(zhì)未達(dá)到吸附飽和度之前,煤渣的脫氮效果。而陶粒是目前研究較多的新型基質(zhì),具有較大的比表面積,質(zhì)輕多孔。因此本實(shí)驗(yàn)基質(zhì)選擇礫石、土壤、陶粒、煤渣進(jìn)行組合,其中煤渣粒徑在2~5mm,陶粒粒徑10mm,下層以礫石做承托層,高度15cm,中間填充煤渣,高度30cm,上層對(duì)土壤和陶粒的去除污染物能力進(jìn)行對(duì)比,高度30cm。

1.4濕干比

適宜的濕干比能確保人工濕地系統(tǒng)、穩(wěn)定地運(yùn)行〔6〕。優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行濕干比參數(shù)、促進(jìn)氮脫除,是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵。干濕交替的工作方式zui早源于快滲系統(tǒng),其可以防止快滲系統(tǒng)的表層孔隙被過(guò)度堵塞,有效恢復(fù)系統(tǒng)的滲透性能,并保持穩(wěn)定的處理水量;同時(shí)可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)氧,使系統(tǒng)內(nèi)部潛層剖面上交替形成氧化、還原環(huán)境,以利于有機(jī)污染物的降解〔7〕。李英華等〔8〕從系統(tǒng)脫氮效果及處理效率角度推薦系統(tǒng)穩(wěn)定濕干比為1∶1。本實(shí)驗(yàn)在相同進(jìn)水周期條件下,設(shè)計(jì)了兩種濕干比,分別為濕干比較小的1∶6和濕干比接近1∶1的3∶4。

1.5實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方式

綜上所述,實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組人工濕地系統(tǒng)模擬裝置,在不同填料組成及不同濕干比條件下,考察污染物沿高度的凈化程度。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況見(jiàn)表2。

1.6分析方法

分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法〔9〕:NH4+-N采用納氏試劑光度法;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO3--N采用紫外分光光度法;TN采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法;TP采用過(guò)硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法。

2結(jié)果與討論

2.1污染物去除效果的整體分析

兩種填料組合在不同濕干比下對(duì)COD、TN、NH4+-N、TP的去除效果見(jiàn)圖2。

由圖2可知,對(duì)于相同組合填料的濕地系統(tǒng),濕干比為3∶4的凈化效果要優(yōu)于濕干比為1∶6。這是因?yàn)闈窀杀葹?∶6時(shí),落干時(shí)間長(zhǎng),雖然系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)氧充分,但容易造成土壤中微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏,致使其生長(zhǎng)緩慢、活性變差,zui終影響出水水質(zhì);而濕干比為3∶4時(shí),既可以恢復(fù)系統(tǒng)內(nèi)的好氧環(huán)境,又不影響微生物活性,所以去除率較高。

濕干比在1∶6或3∶4時(shí),陶粒+煤渣組合填料的凈化效果均好于土壤+煤渣組合填料。這是因?yàn)樘樟]p質(zhì),內(nèi)部多孔,比表面積大,化學(xué)和熱穩(wěn)定性好,具有較好的吸附性能,對(duì)氨氮和COD有較強(qiáng)的去除作用。此外土壤一般帶負(fù)電荷,而陶粒表面一般帶正電荷且親水性好,更有利于微生物固著生長(zhǎng)。

2.2COD沿高度的變化

COD沿高度的變化情況見(jiàn)圖3。由圖3可知,在上層30cm處,4組實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)COD的去除率分別為62.15%、77.34%、58.48%、60.79%。

4組裝置的COD去除率曲線可用二項(xiàng)式模擬,其方程分別為:

1#:y=-0.097x2+0.752x-0.606(R2=0.952);

2#:y=-0.103x2+0.793x-0.602(R2=0.868);

3#:y=-0.075x2+0.647x-0.521(R2=0.953);

4#:y=-0.088x2+0.720x-0.585(R2=0.959)。

這說(shuō)明4個(gè)系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果是顯著的,而且均集中在上層(此時(shí)COD去除率呈線性),隨著深度的增加,去除率降低。有機(jī)物的去除主要由過(guò)濾截留、吸附和生物降解作用共同完成;其中不溶性有機(jī)物主要通過(guò)填料的過(guò)濾截留、沉淀作用而被微生物吸附利用;可溶性有機(jī)物則通過(guò)填料表層生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解而被去除。由于系統(tǒng)上層可接觸空氣,復(fù)氧充分,有利于好氧微生物分解有機(jī)物,所以COD可通過(guò)好氧微生物的降解作用得到去除。

2.3TP沿高度變化情況

TP沿高度的變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可知,1#、2#系統(tǒng)在上層的TP去除率呈線性關(guān)系,TP去除率分別為91.45%、86.12%,說(shuō)明土壤層對(duì)TP的去除效果非常好。3#、4#系統(tǒng)在上層的TP去除率幾乎呈線性,分別為49.86%、59.54%,由于陶粒的孔隙率比土壤高,對(duì)磷的吸附截留相對(duì)較差,所以3#、4#在上層的除磷效果劣于1#、2#。到中層時(shí)1#~4#的TP去除率分別為95.01%、97.97%、96.34%、95.58%。由于人工濕地對(duì)磷的去除主要是靠填料的吸附和沉淀作用,說(shuō)明中層填料對(duì)磷的吸附已經(jīng)基本完成。4組裝置中TP去除率隨高度的變化曲線能用二項(xiàng)式曲線模擬,且相關(guān)系數(shù)都在0.96以上:

1#:y=-0.011x2+0.090x+0.776(R2=0.999);

2#:y=-0.032x2+0.269x+0.444(R2=0.962);

3#:y=-0.111x2+0.942x-0.934(R2=0.973);

4#:y=-0.092x2+0.770x-0.567(R2=0.960)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,4組裝置對(duì)TP的去除主要發(fā)生在上層和中層。

2.4TN沿高度變化及氮基質(zhì)的濃度變化

TN沿高度的變化情況見(jiàn)圖5。由圖5可知,4#系統(tǒng)出水的TN質(zhì)量濃度<3#<2#<1#。系統(tǒng)對(duì)TN的去除發(fā)生在上、中、下層,說(shuō)明去除TN經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng),這與硝化細(xì)菌的世代時(shí)間長(zhǎng)有一定關(guān)系。采用二項(xiàng)式曲線進(jìn)行模擬,得到4組裝置的TN去除率曲線方程:

人工濕地對(duì)TN、氨氮具有良好的降解效果,其中微生物的硝化與反硝化是人工濕地脫氮的主要作用〔2〕。實(shí)驗(yàn)考察了4組裝置的三氮(NH4+-N、NO2--N、NO3--N)沿高度的變化情況。氨氮去除率分別為86.9%、91.8%、52.2%、84.5%,亞硝酸鹽積累率(NO2--N/NOx--N)分別為21.1%、60.8%、66.5%、81.9%。4個(gè)裝置上層均出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累和氨氮的減少,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)裝置上層去除氨氮只是將其轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮等其他形式的氮。而裝置中層和下層的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮減少,說(shuō)明發(fā)生了反硝化反應(yīng)。

3結(jié)論

(1)對(duì)于相同組合填料的濕地系統(tǒng)中,濕干比為3∶4的凈化效果優(yōu)于1∶6。濕干比為1∶6和3∶4時(shí),陶粒+煤渣組合填料的凈化效果均好于土壤+煤渣組合填料。

(2)4個(gè)裝置沿程去除COD、TN、TP具有類似的規(guī)律。COD的去除主要發(fā)生在上層(30cm),TP主要在上層和中層去除,TN的去除率發(fā)生在上、中、下整個(gè)裝置中,其中上層主要去除氨態(tài)氮,中、下層發(fā)生反硝化反應(yīng),zui終脫氮。

(3)各污染物去除率沿程變化關(guān)系可用二項(xiàng)式模擬,且相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。實(shí)際工程中可用二項(xiàng)式模擬曲線計(jì)算系統(tǒng)凈化COD、TP、TN所需的填料厚度,為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:組合填料
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