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.22012年4月Journal of Harbin University of Commerce ( Natural Sciences Edition)Apr. 2012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，北京1008摘要:生活污水经过二级处理后的废 水中仍含有相当数量污染物,尤其是N、P含量较高采用衰函流人工湿地处理系统,选取了3种常见的水生植物:香蒲、浮萍和芦苇作为主体植物进行废水的深度处理研究试验结果表明,在水力负荷为0.04m2/m2.d时,三类人工湿地系统均有较好的效果,对BOD,的平均去除率分别为83.9% .82.6%和77.1%;对NH,- N的去除率分别为80.4% .81.5%、74.2% ,对TN的去除率分别为37.0% .50.6%和36.2% ;对TP的去除率分别为71. 9% .72.2%和69.7%;采用一级反应动力学方程对试验数据进行枫合,得到了该试验条件下污染物去除的反应速率常数.关键词:人工湿地;生活污水;深度处理;水力负荷中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1672 -0946(2012)02 -0162 -04Mechanism study about advanced treatment ofdomestic sewage by constructed wetlandsXIE Wei-ping' , WANG Xin2(1. Yiring Emironmental Monior Station, Yixing 214206 , China;2. School of Environment, Tsingbua University , Beijing 100804 , China)Abstract: The efluent from second biological wastewater treatment plants has some pollu-tant, especially about of N ,P contaminants. This paper selected three surface flow construc-ted wetland systems with different plants : attail, duckweed and reed to refne the wastewatersaid above. It was found out that three constructed wetlands had good purification efect.When hydraulicloads of these system were 0.04 m'/m2●d, the removal rate of BOD, was83.9% ,82.6% and 77.1% , respectively. While the NH,- -N had the removal rate of 80.4% ,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 ftting the experimental data using first- order kinetics equation.Key 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接近于天然湿地,管理方改善,生活污水的产生量日渐加大,废水中N、P含中国煤化工收稿日期:201 -09 - 10.基金項目国家科技支撑计划课题(2008BA)08B13).MYHCNMHG作者简介: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●163●量较高排人受纳水体后会导致富营养问题i2.为进一步去除生活污水二级处理后水中所含的N、P 2.1.2 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 C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0.04 m'/m2●d,停留时间为2 d时,3种人工湿地在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种温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进水质出水质去除率项目量浓度最放魔m,面积为25 m2 ,植物的种植密度为30株/m'./(m:L”(理心%选择处理植物时,要考察其耐污能力、去污效83.9果、适合当地环境根系、抗病虫害能力及景观效果BOD,1.52.082.6等原则,通过前期静态水培试验筛选出3种相对条w11.8_2.777.14.0.8880.4件较好的水生植物:香蒲、浮萍和芦苇,并将3种植NH,-N4.10.7681.5物分别栽种于表面流人工湿地试验装置中(W、3.10.8074.2W2、W).13.58.537.0rN15.450.61.2 进水水质15.29.36.2实验用污水采取自某北方农村生活污水处理2.60.7371.9厂的二级生物处理后的污水,其水质指标如表1所2.0.7572.2 .3.0.9469.7_示表1进水水质2.2 BOD, 去除效果分析项目.. 《(ng:L"/(哩少(/(m.心)在表面流人工湿地系统中,有机污染物通过沉范围10-243-514-221.2-3.5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ss .NH,-N ,TN.TP对BOD,的去除起到了重要的作用”。Scholz等等.按照《水和废水监测分析方法》(第4版)中提人[“指出湿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BOD,的净化都呈现出较好的效果，对2.1 人工湿地运行效果BOD,的平均去除率分别为83.9% .82. 6%和77.2.1.1水力负荷的确定1% ;BOD,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,质量浓度逐渐的设计条件下,不需要考虑污染物负荷的上限,但降低.在7.8两月处理效果最好,3种植物人工湿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. 0.2.0、2.7 mg/差,因此,水力负荷的上限是必须考虑的因素.表2L列举了不同水力负荷条件下，人工湿地系统的去除率,可以看出当水力负荷为0.06 m'/(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0.06 m'/(m2.d)以下,本研究中的水力负荷取0.04 m'/(m2●d).表2不同水力负荷条件下的水质净化效辜水质指标去除率%水力负荷/( ma●d)中国煤化工8 00.02 0.04 0.06 0.08 0.191.5 90.3 56.5 31.1 25.8T73.2 70.5 44.2 28.5 25.3CTHCNMH G■浓度●164.哈尔滨商业大学学报(自然科学版)第28卷2.3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*、Fe'*、Al+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,°- -N、NH,- -N)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( NO-、NO2- )[)].湿地系统中氮的去除土壤"0].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'0 ,发挥主要率,温度由20 C升高到30 C ,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.7、8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NH,-N为71.9%、72. 2%和69.7%.的去除.另外温度也是影响去除率的重要因素,图1002列举了3种湿地系统在不同温度下对NH,-Ns0的平均去除率.可以看出随着温度的升高,湿地系60-统对NH,- -N 去除率逐渐升高.试验中,湿地系统40-对NH,-N的处理效果较好, 7、8月份中NH,-N出水质量浓度的平均值在0.7 ~0.9 mg/L之间，NH - -N的去除率分别为80. 4%、81.5%、74. 2%.2253(0/0但对TN的去除效果并不理想，TN的平均出水质量浓度在7 ~ 10 mg/L之间，平均去除率分别为團3不同温度下3 种湿地TP的去除辜37. 0%、50. 6%和36.2% .可能的原因是污水进入人工湿地后,有机氮、氨氮等也快速的转化为NO'-2.5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NO'- 向N,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- -级反应动力学为基础,常假设模型中的一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. - -级动力学模型通常的表达方式为:40ln(C%/C,) = k/q. .(1)是20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.上述的一级动力学模型中只包含一一个参数k,图2不同温度下3种湿地NH, -N的去除率在Eeckenfelder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2.4磷的去除效果分析湿地中磷的存在形式为有机磷和无机磷两种,质量浓度项.在湿地中,即使没有不可生物降解的污染物,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- -级反应动力学方或沉淀物等(". Soto等(8]证明植物量大的人工湿程中加入背景质量浓度项c*l1:地系统对磷的去除要更好些，水生植物可去除ln(Co-C*/C,-C*)= k/q.(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中国煤化工值可以看出，水体中,所以必须及时的收获植物.湿地土壤对磷BOD,L之间,均值的去除也有着至关重要的作用,Dunne等')发现磷为2.TH.CNMHC度甚至低于的吸附量与土壤中非结晶态的铁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●165.便计算,忽略背景质量浓度.(2):!56 -160.[2]尹振娟,杨 扬,卢建,等 生物法-人工湿地组合工艺对因此公式(2)变形为:小城镇混合污水氮素去除效果研究[J].生态环境学报。.Cp= C; exp( k/q).(3)2010, 19(5): 1044 - 1049.将本试验中7、8月份的试验数据按公式3进[3] FLSHEIKH M A, SALEH HI, ELQUOSY DE,at al. Improring行拟合.从表4可看出,采用一级动力学方程模拟waler quality in polualed drains with froe water surfuce construc-污染物的去除效果,拟合效果较好.ted weluds[J]. Eolojical Enginering, 2007 ,36( I0):1478畏4拟合动力学方程- 1484.[4] SCHOLZ M, HARRINGTON R, CARROLL P,a al. The into参数撒合方程(m.d-)grated conlnuctoed wetlands (ICW) concepl. [J]. Wellands,Cg= C, exp(6.775/q)6.775 0.913 402007, 27 (2):337 - 354.NH,-N Co= C exp(6.190/q)6.190 0.932 40[5]张军,周琪何蓉表面流人工湿地中氮磷的去除机理ICo= G exp(2.06/q)2.06 0.87 40[].生态环境，20040, 13(1):98 -101.TC= C ep(4. 952/q)4.952 0.891 40[6] VYMAZAL J. Removal of nutrients in various types o construc-ted welande[J]. Sei. Toul Enwirun, 2007, 380: 48 -65.3结语[7] KADLEC R H. Phuporus Removal in Emergent Froo Surface试验结果说明表面流人工湿地深度净化二级Wetlands[ J]. Joumal of Emivnnent Seience und Helth,2005, 40;1293 - 1306.生物出水是适宜的，具有较好的净化效果且运行效[8] SOTOF, GARCIA M, LIs E.et al. Role of Sipus Lacustris果稳定.所选取的三种水生植物:香蒲、浮萍和芦苇in bactenial and nttrient removal from wastewater[J]. Walter.可以很好地适应湿地环境,在污水中生长状况良Sei. Technol, 1999 40 (3):241 -247.好.试验表明,三种不同植物人工湿地在处理效果[9] DUNNE E J, CULIETON N, 0' DONOVAN G.a al. Phaer-方面没有表现出较显著的差异,对有机物、悬浮物、phorus retention and sorpion by constnucted welland soils inNH,- -N TP均有较好的去除效果,对TN的去除率Southeat leland[J]. Water Res. 2005, 39 (18):4355 -4362.均较低.各类污染物的去除率随温度的升高而逐渐[10] Us Environnent Prleetion Ageney. Munual - Conetlncted提高.采用- -级反 应动力学方程对试验数据进行拟Welands Trulment of Municipal Waslewalers (EPA/625/R一合,拟合效果较好,得到了该试验条件下BOD、99/010)[ R]. Cncinati,Ohio; 0fice of Resrarh und Devekp-NH,- :N .TN和TP去除的反应速率常数.ment, Natonal Risk Management Reseurch Labonlony, 999[11] KADLEC R H, KNICHT R L, HILENDORF H M. The ue of参考文献:trealment welands for petoleum industy efuents[J]. Environ-mental Stience & Technology, 199 33 (7) :973 -980.[1] 谭学军,唐 利,周琪人工湿地污水处理技术原理与数学楨型[J].哈尔滨商业大学学根:自然科学版,2008,24(.上接152页)1990.86;190 - 196.可达85.39% ,COD的去除率为34. 60% ,浊度的去[4]蒋明亮铜防腐剂及百菌清处理3种木材的野外耐久性能[J].木材工业，2006, 20(5):11-13.除率为87. 01 % .通过投加助凝剂只能改善浊度的[5] ASCE&AWWA. Water Treutment Plnt Design[M]. 2nd od.去除效果,对百菌清和COD的去除影响不是很大，New Yort:MeCRAW - Hill Pbising cO. ,990.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, EVA I,eal. Impact of明混凝剂来去除污水中的百菌清.hanced and opinied cogulatin on renoval of organie matterand is bidegadable faction in drinking water[J]. Wwater Re-seach, 2000, 34(12) :3247 -3257.[1]史秀珍， 百菌清降解菌的筛选及其降解特性研究[M].北[7]半敏.强化混凝处理做污染水源水[D].武汉: 武汉科技大学，2005: 12.点:中国农业科学院，2007.2] 杜益平.百慕清排放标准限值的探讨[D].南京:南京信息8] 石文扬，盛力,姜志飞加药量与pH值对强化混凝去除有机物的影响研究[J].吉林广播电视大学学报. 2008(1);工程大学，2007.3] W00Ds T L, BELL J P. Development of Chlorothalonil 8 a中国煤化工Wood Prerative. Proe. Am[J]. wood Peerers . Assoe. ,YHCNMHG