三种人工湿地处理校园生活污水的实验研究

作者简介：潘龙（1988—），男，内蒙古锡林浩特人,满族,西南林业大学环境科学与工程学院硕士研究生。中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：16749944(2014)05017506

1引言

人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统,其设计和建造是通过优化自然湿地的功能,利用湿地中的物理、化学和生物的共同作用,进行废水的处理［1,2］。人工湿地具有处理效果好、氮磷去除能力强、运转维护管理方便、工程基建和运行费用低及对负荷变化适应性强的优点［3］,受到广泛的关注。然而,随着高校人数不断增加,校园污水产生量越来越大,如何有效的处理校园污水成了当今校园内主要问题。笔者选用3种人工湿地进行处理生活污水,以扩大湿地类型选取范围,增强人工湿地的实用性。

2材料与方法

2.1试验装置

试验中采用了3种技术工艺:水平潜流人工湿地,垂直潜流人工湿地,以及自然曝气内循环垂直潜流人工湿地系统图1、图2、图3,具体规格见表1。

图1自然曝气内循环潜流湿地系统示意

2.2运行方式

三套装置从2012年5月初开始试运行,从5月17日到10月11日,运行21个周,装置的水力停留时间为一周,在污水进入装置之前取进水浓度,进行单一系统的内循环,在之后的运行过程中每天取一次样进行监测,在第7天取出水浓度。水样采集后立即送入实验室进行测定。采集原则是每次在同一点进行水样采集,采集时间应每次都在同一时间（表2）。

图2垂直潜流湿地系统示意

图3水平潜流湿地系统示意

表1系统规格参数

湿地类型湿地单元尺寸参数

(长×宽×高)/m3基质类型及填料规格植物

种类自然曝气人工湿地2×1×1从上往下依次为厚0.2m粘土(空隙率49%),0.2m陶粒(粒径5~15mm),0.1m碎石(粒径8~16mm)茭草模拟人工

湿地系统垂直潜流人工湿地5.2×2×1.2从上往下依次为厚0.3m粘土(空隙率49%),0.3m碎石(粒径5~8mm),0.3m碎石(粒径8~16mm)芦苇水平潜流人工湿地6.2×2×0.5从上往下依次为厚0.1m粘土(空隙率49%),0.1m碎石(粒径5~8mm),0.1m碎石(粒径8~16mm)茭草

表2原水水质mg/L

项目范围均值TN5.70~77.9239.43NH+4-N5.53~53.1230.19TP0.48~6.802.99PO3-40.43~6.172.90CODcr95.41~366.39213.16

2.3测试水质和分析方法

水样检测指标包括CODcr、TP、PO3-4、NH+4-N、TN、测定方法采用中国环境保护标准汇编——水质分析方法,分别为重铬酸钾法、过硫酸钾消解-721分光光度法、钼锑抗分光光度比色法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法,具体方法见表3。

表3水质检测项目的分析方法

检测项目分析方法TN碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法NH3-N纳氏试剂分光光度法TP过硫酸钾消解-分光光度法PO3-4钼锑抗分光光度比色法CODcr 重铬酸钾法

3结果与讨论

3.1运行参数对人工湿地处理效果影响

3.1.1最佳水力停留时间(HRT)选择

HRT决定了污水与湿地的接触程度,对处理效果有很大影响,根据试验进行的6月7~27日,3个试验小周期的研究,考察统一HRT下湿地系统对生活污水的处理效果。其中TN,TP,CODcr,如图4所示。

结果表明:在统一HRT条件下,随着的时间延长,3种人工湿地的去除率都逐步提高并且趋于稳定。其主要原因有:湿地系统中的基质、微生物和植物的吸附和降解是污染物去除的重要途径,当HRT过短时,污染物去除达不到较好的效果。但HRT过长也会因厌氧作用而产生负效应［4］,由于部分好氧微生物进入内源呼吸,降解活性下降,导致处理效率增加缓慢。此外,水力停留时间过长也会增加实验周期,所以当HRT=5d时湿地系统的除污效果已经较好,各个湿地系统对TN的去除率均达到50%~70%、对TP的去除率在70%以上、对CODcr的去除率基本上稳定在80%~95%,并且去除率无统计学意义差异,因此5d为系统最佳水力停留时间。

图4三种湿地系统对TN,TP,CODcr,6月份三周去除率

3.1.2植物收割对人工湿地处理效果的影响

根据湿地的运行情况设计在植物生长情况最好的7月和8月之间进行植物的收割,其中TP,TN,CODcr如图5所示。

由图5可知,适当的植物收割有利于水质净化,夏季植物生长旺盛的时候,植物会达到其最大生物量,当进行收割以后,植物的生长将会对TN,TP,CODcr的去除率大幅增加。各个湿地系统在收割前TN的在第一天去除率均在60%以下、对TP的去除率在40%以下、对CODcr的去除率基本在 15%~30%,而收割以后,TN第一天去除率达到70%以上,TP去除率达到60%以上,CODcr平均去除率都达到了40%~50%,同时最终去除率也有所增加。这是因为夏季植物生长,需要大量的氮磷营养物质,而进水提供了这些营养物的需要,所以收割后植物的吸收成了污染物去除的主要动力。

3.2不同人工湿地对处理效果的影响

3.2.1对TN的去除效果

氮在湿地系统中的循环转化是一个很复杂的生物化学过程,人工湿地系统对氮的去除主要依靠微生物的硝化、反硝化以及植物的吸收和氨氮的挥发作用。根据实验数据3种地系统对TN去除率和单位体积削减量,作图如图6、图7所示。

图5三种湿地系统收割前后TN,TP,CODcr去除率

从图6可知自然曝气人工湿地在连续运行的21周内保持了一个良好的处理能力,去除率在80.86% ~98.74%,平均去除率达93.79%,生物硝化过程需要菌群的存在以及必要的好氧环境,自然曝气可以为硝化提供良好的环境,所以自然曝气人工湿地对TN的去除率极高。水平潜流人工湿地其去除率也相对平稳,去除率在71.25%~98.91%,平均可达90.58%,而垂直潜流人工湿地,去除率在59.86%~95.33%,平均范围在75.83%,两个湿地处理能力有一些的跳跃,可能是由于其地下部分在高浓度进水运转时会产生一定堵塞,从而造成去除率的不稳定而引起的。

图6不同人工湿地系统对TN的去除率图7不同人工湿地系统对TN的削减量

从图7可知,其中自然曝气人工湿地平均单位体积削减量为13.20g/m3,垂直潜流人工湿地平均单位体积削减量为9.26g/m3,水平潜流人工湿地平均单位体积削减量为9.97g/m3,在周期内单位体积的削减量呈现出自然曝气人工湿地大于水平潜流人工湿地,而垂直潜流人工湿地其削减量最小,且三种类型的人工湿地系统的削减量与浓度呈正比关系,进水浓度越高削减量越高。

进水浓度范围在5.70~77.92mg/L之间,波动较大。进水浓度波动较大是因为实验开始到7月中旬和9月初至2013年1月是学校正常上课时间(即1~8周期和14~21周期),在校学生较多,导致污染负荷较大。而2012年7月中旬到9月初是暑假(8~14周期),在校学生较少,产生的污染负荷较少。

2014年5月绿色科技第5期3.2.2不同人工湿地对NH+4-N的去除效果

NH+4-N的去除主要取决于植物的供氧能力,植物输送氧至根区,根茎部产生好氧环境消耗污染物,在这种环境下,NH+4-N被氧化为NO2-N和NO3-N,其机理是通过硝化反应先将NH+4-N氧化成硝酸盐,再通过反硝化将硝酸盐还原成气态氮而从水中逸出［5］。

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