人工湿地深度处理生活污水的机理研究

第28卷第2期哈尔滨商业大学学报(自然科学版)Vol 28 No. 2F4 Journal of Harbin University of Commerce( Natural Sciences Edition) Apr人工湿地深度处理生活污水的机理研究谢卫平,王欣2(1.宜兴环境监测站江苏宜兴214206;2.清华大学环境学院,北京100084)摘要:生活污永经过二处理后的废永中仍含有相当数量污染物,尤其是N、P含量较高采用表面流人工湿地处理系統,选取了3种常见的水生植物;香清、泞萍和芦苇作为主体植物选行废水的深度处理研究试验结果表明,在水力负荷为0.04m3/m2·d时,三类人工湿地系统均有较好的效果,对BOD3的平均去除率分别为83.%%、86和.1%;对NHN的去除率分别为80.4%、815%、74.2%,对TN的去除率分别为37.0%、50.6%和362%;对TP的去除奉分别为71.9%72.2%和69.7%;采用一蚁反应动力学方程对试验数据进行拟合,得到了该试验条件下污染物去除的反应速率常数关镳词:人工湿地;生活污水;深度处理;水力夤荷中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1672-09×46(2012)02-0162-04Mechanism study about advanced treatment ofdomestic sewage by constructed wetlandsXIE Wei-ping, WANG Xin2(1. Yixing Emironmental Monitor Station, Yixing 2142062. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The effluent from second biological wastewater treatment plants has some polltant, especially about of N, P contaminants. This paper selected three surface flow construe-ted wetland systems with different plants: cattail, duckweed and reed to refine the wastewatersaid above. It was found out that three constructed wetlands had good purification effectWhen hydraulicloads of these syslem were 0. 04 m/m".d, the removal rate of BODs was83.9%, 82.6% and 77. 19, respectively. While the NH, -N had the removal rate of 804%,81.5% and 74.2%, the TN had the removal rate of 37. 0%, 50. 6% and 36. 2%, theTP had 71.9%, 72. 2% and 69. 7%, respectively. The reaction rates of pollutant removalunder the experimental conditions were computed by fitting the experimental data using firstorder kinetics equatioKey words: constructed wetlands; domestic sewage; advanced treatment; hydraulicload人工湿地作为一种生态型污水处理技术,具有便、运行稳定、生态景观效果好等特点因此,表面投资运行费用低、处理效果好、运行稳定等优流人工湿地已经被广泛应用于河流、湖泊水质保点,按湿地结构形式可分为表面流人工湿地、潜持、面源污染控制、受污染水体修复等流人工湿地和垂直流人工湿地等.相比之下,表面随着我国农村经济社会的发展,生活条件日趋流人工湿地具有结构形式按近于天然湿地管理方改善生活污水的产生量日渐加大,废水中NP含收稿日期:2011-09-10基金项目:国家科技支撑计划果题(2008BA8B13作者筒介:谢卫平(1973-)男,高级工程师研究方向;环境监测与管理第2期谢卫平,等:人工湿地深度处理生活污水的机理研究量较高,排入受纳水体后会导致富营养问题2.为进一步去除生活污水二级处理后水中所含的N、P2.1.2综合运行效果等元素,本研究以人工湿地处理系统,采用不同的本试验期为8个月,期间气温在20~35℃之处理植物,探讨三类处理系统的净化效率和效果间表3列出了水力负荷为0.04m/m2d停留时间为2d时,3种人工温地在7、8月份连续运行1试验装置与方法后的进出水平均质量浓度1.1试验装置表33种沮地系统进出水平均质量浓度本试验装置为表面流人工湿地,水深为0.5进水研出水质量浓度嚥浓度,面积为25m2,植物的种植密度为30株选择处理榷物时,要考察其耐污能力、去污效果、适合当地环境、根系抗病虫害能力及景观效果等原则,通过前期静态水培试验筛选出3种相对条4.5件较好的水生植物:香蒲、浮萍和芦苇,并将3种植N1-N啊76物分别栽种于表面流人工混地试验装置中(W、13.51.2进水水质实验用污水采取自某北方农村生活污水处理厂的二级生物处理后的污水,其水质指标如表1所1进水水质22BOD去除效果分析NH-N在表面流人工湿地系统中,有机污染物通过沉(ng·L)m·L')《mg·L")/(mg:L3514-221.2-3.5淀、过滤吸附等作用截留在湿地中,然后被微生物降解去除反应过程中主要氧源来自水面复氧和植1.3监测指标及方法物产氧湿地系统中附着生长在植物表面的微生物本试验主要测定项目包括NH1N、mN,TP对BO3的去除起到了重要的作用),Sho等等,按照《水和度水监测分析方法》(第4版)中提人“指出混地系统拥有强大的去污功能主要基于供的方法进行监测两点原因:一是其内部存在着大量而丰富的微生物,二是具有较长的水力停留时间三种植物人工2结果与分析湿地对BOD3的净化都呈现出较好的效果,对2.1人工湿地运行效果BOD3的平均去除率分别为83.9%、82.6%和72.1.1水力负荷的确定1%;BOD3月平均出水质量浓度如图1所示,可以针对进水为二级出水的湿地系统而言在正常看出,随着温度的升高,出水BOD,质量浓度逐淅的设计条件下,不需要考虑污染物负荷的上限,但降低在78两月处理效果最好,3种植物人工太高的水力负荷通常会导致处理系统出水效果变地的平均出水质量浓度分别是2.0.0、2.7mg差,因此,水力负荷的上限是必须考虑的因素表2列举了不同水力负荷条件下,人工温地系统的去除W+W一龌率可以看出当水力负荷为006m3/(m2·d)以上时,出水水质急剧变差,因此适宜的水力负荷应该在006m3/(m2·d)以下,本研究中的水力负荷取004m3/(m2·d)表2不同水力负荷条件下的水质净化效率水质指标去除率%水力负荷/(m3·m2d-)NH-N91590.356.531.125.87320.54.228.525.3图13种温地BOD4月平均出水质量浓度164哈尔滨商业大学学报(自然科学版)第28卷23氮的去除效果分析的正相关性水中的磷酸盐会与土壤间隙水中表面流人工湿地中含氮化合物主要包括颗粒Ca2+、Fe3、AP离子及其氧化物等反应生成难溶有机氮溶解有机氮氨态氮(NH一N、NH2N)物质经过互相聚合或吸附在土壤颗粒上形成新的和硝态氮(NO3、N03).湿地系统中氮的去除土壤,试验期间TP的去除率随温度的升高而提途径包括氨挥发硝化-反硝化,固氮微生物和植高图3列举了不同温度下三种湿地对TP的去除物的吸收氨化厌氧氨氧化吸附等,发挥主要率温度由20℃升高到30℃,去除率提高了25%作用的是硝化-反硝化和植物的吸收其中NH左右78月份温度适宜,植物生长迅速促进了湿N的去除主要取决于污水中微生物量和含氧量,水地系统对TP的去除,三种湿地的平均去除率分别生植物可通过根区向水中释放氧气促进NH2N为71.9%22%和6.7%的去除另外温度也是影响去除率的重要因素,图日W:口W:口W2列举了3种湿地系统在不同温度下对NH2N的平均去除率可以看出随着温度的升高湿地系统对NH2N去除率逐渐升高试验中,湿地系统对NH3N的处理效果较好,7、8月份中NHNFNH2-N的去除率分别为80.4%、81.5%、742%20但对TN的去除效果并不理想,TN的平均出水质量浓度在7~10m/L之间,平均去除率分别为图3不同温度下3种湿地TP的去除率37.0%、50.6%和362%.可能的原因是污水进人工湿地后,有机氮、氨氮等也快速的转化为NO2.5表面流人工湿地动力学模拟方程和NO等无机氮有机污染物迅速被降解去除,导用于湿地的一级动力学方程,主要考虑处理负致反硝化时碳源不足限制了N03向N2的转化,荷与处理效率之间的关系模型的推导以基质的降降低了TN的去除率解服从一级反应动力学为基础,常假设模型中的一四的些参数如速率常数等为常量,与水力负荷或进水质量浓度无关,以及湿地中的水流形态为稳定的柱塞80流等.一级动力学模型通常的表达方式为:In(Co/C ) k/q其中:C为系统进水质量浓度,mg/L;C为系统出水质量浓度,mg/L;k为面积速率常数,cm/d;q为系统水力负荷,cm/d图2不同温度下3种湿地NHN的去除率上述的一级动力学模型中只包含一个参数k,在 Eckenfelder:模型中,如果污染物种存在不可生物降解部分,则需在方程中加入不可生物降解物质24磷的去除效果分析质量浓度项在湿地中,即使没有不可生物降解的湿地中磷的存在形式为有机磷和无机磷两种,污染物,大气或地下水的贡献化学作用以及生物其中只有游离态的正磷酸盐是可以被水生植物和地理化学循环也会产生背景质量浓度于是 Kadlec藻类可以直接利用的湿地中磷的去除途径包括:和 Knight建议引入背景质量浓度低于背景质量吸附和沉降、植物和微生物的吸收及形成新的土壤浓度的污染物不能被降解并在一级反应动力学方或沉淀物等.s等证明植物量大的人工湿程中加入背景质量浓度项c(m地系统对磷的去除要更好些水生植物可去除n(C0-C/C-C)=kq(2)17%左右的正磷酸盐和约10%的TP但储存在植依据北美人工湿地数据库中用于三级处理的物体内的磷会随着植物的枯萎和死亡重新释放到表流人工湿地的出水年平均质量浓度值可以看出,水体中,所以必须及时的收获植物湿地土壤对磷BOD背景质量浓度在12-3.0mg/L之间均值的吸附量与土壤中非结晶(等以发现磷为20mL本试验中的出水质量浓度甚至低于的去除也有着至关重要的作和氧化铝有显著此值说明试验中的背景质量浓度很低,同时为方第2期谢卫平,等:人工湿地深度处理生活污水的机理研究便计算,忽略背景质量浓度(2):156-160.因此公式(2)变形为2]尹振娟杨扬,卢建等.生物法一人工湿地组合工艺对小镇泥合污水貳素去除效果研究[冂].生态环境学报Co=C: exp( k/g)2010,19(5):1044-1049将本试验中78月份的试验数据按公式3进3) ELSHEIKH M A, SALEH HI, ELQUOSY DE,a. Improvi行拟合从表4可看出,采用一级动力学方程模拟water quality in podlualed drains with free water surface construc-污染物的去除效果,拟合效果较好ted wetlands[J). Eeological Engineering, 2007, 36( 10):1478表4拟合动力学方程[4] SCHOLZ M, HARRINGTON R, CARROLL P, et al. The inte-拟合方程grated eonsnuctead wetlands(ICW) concept. [J. WetlandsD3C=Cep(6775/q)6.750.913402007,27(2):337-354NH3-N Co=C2ep(6.190/q)6.1900.93240[5]张军,周琪何蓉表面流人工湿地中氮磷的去除机理INC=C,p(2.06/q)2.060.840刀].生态环境,2004,13(1):98-101C=C,exp(4.952/q[6 VYMAZAL J. Removal o nutrients in various types of construe.3结语led wetland[]]. Sci. Tutal Envirun, 2007, 380: 48-65[7] KADLEC R H. Phosphorus Removal in Emergent Free Surface试验结果说明表面流人工湿地深度净化二级生物出水是适宜的,具有较好的净化效果且运行效2005,40:1293-1306果稳定所选取的三种水生植物:香蒲、浮萍和芦苇8100 F. GARCIA M,usE. et al. Role ef Scirpus可以很好地适应湿地环境,在污水中生长状况良好.试验表明,三种不同植物人工湿地在处理效果[9] DUNNE E J. CULlETON N.o' DoNoVAN G d al.Ph方面没有表现出较显著的差异,对有机物、悬浮物、phorus retention and sorption by construeted wetland soils inNH12N、TP均有较好的去除效果,对TN的去除率outheast Ireland[J]. Water Res, 2005, 39( 18 ): 4355均较低各类污染物的去除率随温度的升高而逐渐1 US Environment Protection Agency, Mamual- Conatructed提高.采用一级反应动力学方程对试验数据进行拟合,拟合效果较好,得到了该试验条件下BOD、99/010)[R]. Cincinnati, Ohio: Office of Research and Develop-NH2一N、TN和TP去除的反应速率常数ment, National Risk Management Research Laheralory, 1999.[11]KADLEC R H, KNIGHT R L, OHLENDORF H M. The use of参考文献treatment wetlands for petoleum industry effluents[ J] .Environ-1]谭学军唐利周琪人工湿地污水处理技术原理与数mental Science Technology, 1999, 33(7): 973-980学横型[门].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2008,24(上接152页199086:190可达8539%,C0D的去除率为3460%,浊度的去(41防腐剂及百菌清处理3种木材的野外耐久性能除率为87.01%.通过投加助凝剂只能改善浊度的[J]木材工业,2006,20(5):11-13.[5] ASCE&AWWA Water Treatment Plant Design[M]. 2nd ed去除效果,对百菌清和COD的去除影响不是很大,New York: MeCRAW-Hill Publishing CO., 1990.因此从经济和出水水质的角度来讲,没有必要投加[6] CHRISTIAN V, KIMBERLY B,EVAL,wa. Impact of en混凝剂来去除污水中的百菌清hanged and optimized coagulation on removal of organic matterand its biodegradable fraction in drinking water[ J]. Water Re-参考文献ssch,2000,34(12):3247-3257[7]丰敏.强化混蜒处理微污染水源水[D].武汉:武汉科技[1】史秀琀.百菌凊降觯菌的斯选及其降解特性研究!M]·北大学,2005:12京:中国农业科学院,2007[2]杜益平百该清株放标准限值的保讨[D,南京:南京信息8]石文扬,盛力妻志飞加药量与p值对强化混凝去除有机物的影响研究[】],吉林广播电视大学学报.2008(1)工程大学,2007103-105[3] WOODS T L, BELL J P. Development of Chlorothalonil as aWood Preservative. Proc. Am[J. Wood Pheservers'Assoc