不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究徐丽花

君油;`袖种牙ShanghaiEnvironmentalScienees2002年第21卷第10期不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究StudyonPurifieationAbilityofArtifieialWetlandsWithDifferentFIllers徐丽花周琪(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200()92)XuLihuahZouQi(StaetKeyLab.ofPollutionConotrlandResocuxsReuse,OTngjiUniversity,ShanghiaZ。汉刃2)摘要研究了沸石、沸石一石灰石、石灰石3种填料的人工湿地的净化能力。结果表明:(l)沸石和石灰石混合使用,不会降低沸石吸附氨氮的能力;(2)沸石可促使难溶性P的释放,使得石灰石吸附P被植物和微生物吸收利用;(3)沸石和石灰石发生了协同作用,对TN、TP的去除效果均好于其单独使用。关键词:沸石石灰石人工湿地1引言人工湿地污水处理系统已经在污水处理中得到广泛应用,但还存在一些问题,如污水中的氨氮难以去除「`;]无机P在填料吸附饱和之后,去除率明显下降[2]。本实验针对这些问题,利用沸石吸附NH4一N,并可以进行生物再生【’一4]、活化土壤中难溶性1P5]等特点和石灰石除P的特性,采用沸石和石灰石的混合物作为人工湿地的填料处理污水,并与其单独使用比较处理效果。周运行1次,停留时间为1天。每次取样后,用自来水将其填满,下一次进水时再将其排空。实验从2001年10月3日到2002年1月30日,历时4个月。.23分析项目「“一“]水样分析:CODer、NH4一N、NO3一N、N02一N、TN、PO4一P、TP。填料分析:NH4一N、po4一p。植物分析:全P。2试验部分2.1试验装置试验中采用盆栽实验模拟潜流型人工湿地,盆底为不透水材料,以防渗漏,盆内放置填料,支持挺水植物葛蒲生长,总间隙体积约为IL。实验设置了3个装置,填料分别为料径5一10mm的沸石、石灰石、沸石和石灰石的混合物(混合比例为1:1)。实验所用沸石来自浙江省绪云县矿山原料总厂,主要成分为丝光沸石。营蒲的栽种采用移植方式,直接将生长茂盛的葛蒲移人盆中,每盆栽种1株。2.2运行条件投加葡萄糖、NH4CI、KN03、KHZpO4及其他少量微量元素到自来水中配成中等浓度的人工污水,pH中』胜,COD47.33一137.lmgL/:NH4一N8.33一24.25毗/L:N03一N6.51一20.67mg/L;TN18.26一46.77mg/L:TP.047一7.77mg/L,进水量1L。采用间歇运行方式,每3结果与讨论3.1COD的去除由于实验主要在冬季运行,因此3个模拟人工湿地COD的平均去除率较低,为60%一70%(见图1)。由图1可知,沸石人工湿地的平均率最高,沸石一n气ùn`万月6ùO亡.ù重哥钱邢00口1一沸石人工湿地;图1lgUFe2一沸石一石灰石人工湿地;3一石灰石人工湿地。3种人工湿地系统COO的去除率CODremovalrateofthreeartifieialwet!ands科技部“十五”攻关项目“淇池流域面源污染控制技术研完”,编号:2000一09。第一作者徐丽花,女,1972年生,1999年毕业于太原理工大学,现为同济大学在读博士生。一603一不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究徐丽花石灰石人工湿地次之,石灰石人工湿地效果最差。对各系统的处理效率做t检验,沸石人工湿地与沸石-石灰石人工湿地无显著差异,石灰石人工湿地则与其他两种有显著差异。说明单独采用石灰石做填料,不太适合微生物生长,因此COD去除率较低。3.2NH4一N的去除在实验的前3个月,沸石人工湿地与沸石一石灰石人工湿地的出水均为0,进入第2年1月,出水含有NH4一N,平均去除率分别为96.9%、97.7%,仍保持很高的去除率。这是由于间歇运行,沸石吸附的NH4一N在间歇期进行了生物降解,使得沸石一直保持高效去除NH4一N的能力,即沸石发生了生物再生。而1月份气温降低,植物停止生长,微生物代谢缓慢,沸石不能进行充分的生物再生,因此出水含有少量NH4一N。石灰石人工湿地对NH4一N的去除率为59.2%-94.3%,变化趋势如图2。从图2可以看出,在11月份,去除率最高,因为在10月份,实验刚开始,生物膜尚未建立,硝化一反硝化作用微弱,N主要靠植物的吸收来去除。进人12月份后,气温降低,植物和微生物生长代谢受到影响,去除率逐渐降低。1011121(月份)图2石灰石人工湿地N氏一N去除率变化Figure2TimevariationofNH4一Nremovalrateinlimestoneartifieia!wetland有0.2m,厌氧环境空间相对较小,限制了反硝化,因此这3种人工湿地的反硝化效果都较差。而在深度为o.6m的人工湿地中,反硝化比较完全,出水NO3一N浓度均在1.Omg/L以下(同一时期),该内容将另有报道。这说明反硝化作用主要发生在人工湿地的下部。3.5TN的去除由上可知,人工湿地反硝化效果较差,因此TN去除率较低。沸石、沸石一石灰石和石灰石人工湿地出水的TN平均去除率分别为68%、78.3%、6.09%。而沸石一石灰石人工湿地的去除率最高,这是由于沸石吸附NH4一N,石灰石促进了硝化作用,而且该湿地反硝化效果相对较好。3.6TP的去除实验中TP的去除可划分为两个阶段:第1阶段主要是填料吸附和植物吸收;第2阶段填料吸附饱和,主要通过微生物和植物进行降解。第1阶段为10~11月,沸石、沸石一石灰石和石灰石人工湿地出水的TP平均去除率分别为71.4%、77.6%、81.0%。第2阶段为12一1月,TP平均去除率分别为75.5%、80.2%、78.4%。由此可知,沸石人工湿地和沸石一石灰石人工湿地的去除率有所提高,而石灰石人工湿地却降低了,这是因为随着时间的延长,生物膜逐步建立,微生物的降解作用增强;而石灰石吸附PO4一P比沸石多,一旦吸附饱和,去除率便明显下降。另外,从表1可知,沸石一石灰石人工湿地的除P能力逐步高于石灰石人工湿地。田80印40200全已哥逝梢Zes呀困74000少,乙rOO口n11444……000óUCU八”,-4lnj4山l内、úù、11支心11心舀且占`l3.3NOZ一N的含量沸石、沸石一石灰石和石灰石3种人工湿地出水的NoZ一N平均含量分别为o.12omg/L、0.165mglL、O.560mg/L。由于石灰石呈碱性,而且吸附NH4一N很少,水中NH4一N浓度比其他两个高,硝化反应速率较快,因此石灰石人工湿地的NOZ一N含量较高。而在沸石一石灰石人工湿地中,水中NH4一N浓度与沸石人工湿地相同,只是含有石灰石,硝化速率增加较少,因此N02一N浓度只比沸石人工湿地多一点。3.4NO3一N的含量沸石、沸石一石灰石和石灰石人工湿地出水的NO3一N的平均含量分别为7.68mg/L、5.72mg/L、6·34mg/L。t检验表明三者无显著差异,说明填料对反硝化影响不大。由于本实验采用盆栽实验模拟人工湿地,深度只出水时间进水沸石沸石一石灰石石灰石人工湿地人工湿地人工湿地10一02一10一0311一10一11一1111一24一11二2512一01一12一0212一29一12一3001一19一01一202.020.290.170.380.250.340.220.470.380.480.350.490.333.7沸石对NH4一N的吸附实验结束时,对沸石的NH4一N吸附量做了测定(沸石的本底值为omgNH4一Ng/)。沸石人工湿地和沸石一石灰石人工湿地中的沸石吸附量分别为:o.039mgzg、o.o69mg/g。由于发生了生物再生,两者均一604一不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究徐丽花未达到饱和。与沸石人工湿地相比,沸石一石灰石人工湿地中的沸石量较少,因此,沸石一石灰石人工湿地中的沸石吸附量较多。另外,还说明沸石和石灰石混合,并不会降低沸石对NH4一N的吸附能力。3.8石灰石对P04一P的吸附沸石一石灰石和石灰石人工湿地中的石灰石(其本底值为o.42mgP04一P/kg)吸附PO4一P量分别为:4.ssmgzkg、4.somgzkg,两者无显著差别,但沸石一石灰石人工湿地除P效果较好。为了分析原因,往2个人工湿地注人自来水(PO4一P为omg/L),6天后测定石灰石和水中的P04一P、营蒲根部的全P含量(由于冬季营蒲叶子大部分凋谢,因此只测定了根部)。测定结果见表2。由表2可知,沸石一石灰石人工湿地的石灰石比湿地类型石灰石吸附PO,一P量(mg/kg)营蒲根部全P含量(干重%)水中PO4一P量(mg/L)沸石一石灰石人工湿地石灰石人工湿地0.3860.7200.330.280.0690.040石灰石人工湿地中的多解吸了0.334mg/kgP04一P,水中只多了oO29mg/L,而沸石一石灰石人工湿地中曹蒲根部的全P含量高于石灰石人工湿地中的。说明在间歇期,沸石一石灰石人工湿地中的石灰石释放了较多的PO4一P,供植物吸收和微生物降解,从而保持了长期吸附PO4一P的能力。这就是沸石一石灰石人工湿地除P效果好的原因。沸石一石灰石人工湿地中的石灰石可解吸较多P04一P,是由于沸石通过其本身的吸附性阳离子和石灰石中的Ca+2进行交换,以重新释放石灰石中累计的难溶性P「5]。在农业上,土壤施用沸石后,可活化土壤中难溶性P,促使难溶性P的缓慢释放「5〕。本实验证明了沸石和石灰石混合,同样可促进与石灰石结合的难溶性P的缓慢释放。这样可使人工湿地中填料吸附的P04一P被植物和微生物降解,长期保持除P的功能。4结论4.1沸石和石灰石发生了协同作用,对TN、TP的去除效果均好于其单独使用。.42沸石和石灰石混合使用,不会降低沸石吸附NH4一N的能力,仍然可进行生物再生。4.3沸石可促使难溶性P的释放,使得石灰石吸附的PO4一P被植物和微生物利用。由上可知,将沸石和石灰石用作人工湿地的填料,不仅解决了去除NH4一N的难题,增强了除P能力,而且只要设计得当,不超过系统的最大去除能力,并有一定的间歇期,使填料上吸附的N、P被植物和微生物利用,其去除N、P的能力就不会因时间的推移而降低,从而使人工湿地系统更加有效地运用于污水处理。参考文献孙广智,于忠明.人工芦苇床污水处理技术.污染防治技术,1999,12(l),1一4.BenUrbonasetal.Stormwater:bestmanagementPraetieesanddetentionforwaterquality,draina罗,andCSOmanagement,1993,382一389.MiehalGreenetal.Biologieal一ionexehangeProeessforammoniumremovalfromseC0fldeffluent.Wat.Sei.Teeh.,1996,34(l一2),449一458.Lahav0etal.AmmoniumremovalfromPrimaryandseeondaryeffluentsusingabioregeneratedion一exehangeproeess`Wat.Sei.Teeh.,2000,42(1一2),179一185.李长洪等.天然沸石对土壤及养分有效性的影响.土壤与环境,2000,9(2),163一165.国家环保局《水和废水监测分析方法》编写组.水和废水监测分析方法.北京:中国环境科学出版社,1989,230~351。劳家怪.土壤农化分析手册.北京:农业出版社,1988,241一280.作物分析法委员会.栽培植物营养诊断分析测定法.北京:农业出版社,1984,83一89.责任编拜陆文浩(收到修改稿日期:2002一06一18)一605一ShanghaiEnvironmentalSeieneesVol.21,No.10,Oetober2002AbstraCtSronmentalPollution,andfromProduetion,teehnology,Po