复合垂直潜流人工湿地处理低温生活污水的研究赵雪锋

第２卷第４期黑　龙　江　大　学　工　程　学　报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４２０１１年１１月Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎｏｖ．，２０１１复合垂直潜流人工湿地处理低温生活污水的研究赵雪锋１，王　欣２（１．北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京１０００８４；２．清华大学环境学院，北京１０００８４）摘　要：探讨复合垂直潜流人工湿地用于处理北方农村地区低温生活污水的效果。为获得潜流人工湿地运行与管理的有效方法，从水力停留时间和水力负荷率方面探讨系统对ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除效果。研究发现，当水力停留时间在７２～９６ｈ时，各项水质指标的去除率较高，ＮＨ３－Ｎ和ＴＮ的去除率为３７．６％和３５．３％。当水力负荷率在１．０ｍ３／（ｍ２·ｄ）时，水质指标均有较高的去除效果，ＣＯＤ和ＴＰ的去除效果分别能达到７９．５％和６６．７％。通过增加污水回流提高湿地对有机物、氨氮及总氮的去除率，最佳回流比为１。同时对比研究了系统抵御温度变化的能力，分析了温度降低对水质处理效果的影响。关键词：人工湿地；水力停留时间；水力负荷率；回流比中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：２０９５－００８Ｘ（２０１１）０４－００６２－０５Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｙ　ｈｙｂｒｉｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄＺＨＡＯ　Ｘｕｅ－ｆｅｎｇ１，ＷＡＮＧ　Ｘｉｎ２（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｇｕｏｈｕａｎ　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ＣＯ．ＬＴＤ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｅｖａｌｕａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｎｏｒｔｈｅｒｎ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｅｔｅｆｆｅｃｉｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅｓ　ｏｆ　ＣＯＤ，ＮＨ３－Ｎ，ＴＮ，ａｎｄ　ＴＰａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｒｅｔａｉｎ　ｔｉｍｅ（ＨＲＴ）ａｎｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄ　ｒａｔｅ（ＨＬＲ）．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ＨＲＴ　ａｔ　ａ－ｂｏｕｔ　７２～９６ｈ，ａｌｌ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ　ｉｎｄｅｘｓ　ｈａｖｅ　ｇｏｏｄ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　３７．６％ｏｆ　ＮＨ３－Ｎ　ａｎｄ　３５．３％ｏｆ　ＴＮ．Ａｔｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅｙ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｉｏ　ｗｉｔｈ　７９．５％ｏｆ　ＣＯＤ　ａｎｄ　６６．７％ｏｆ　ＴＰ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅＨＬＲ　ａｔ　１．０ｍ３／（ｍ２·ｄ）．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ａｄｄｉａｔｉｏｎａｌ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｒｅｆｌｕｘ　ｉｓ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒｓ，ａｍｍｏｎｉａ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｒｅｆｌｕｘ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　１．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｅｔｌａｎｄ　ｗｉｔｈｓａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ’ｓ　ｃｈａｎｇｅ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｒａｔｅｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｒｅｔａｉｎ　ｔｉｍｅ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄ　ｒａｔｅ；ｒｅｆｌｕｘ　ｒａｔｅ收稿日期：２０１１－０９－０４；修订日期：２０１１－０９－２２基金项目：国家科技支撑计划课题（２００８ＢＡＪ０８Ｂ１３）作者简介：赵雪锋（１９７７－），男，浙江诸暨人，工程师，主要从事工业废水污染控制技术、农村生活污水处理技术研究等，Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]。DOI:10.13524/j.2095-008x.2011.04.010０　引　言垂直潜流人工湿地（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　Ｗｅｔｌａｎｄ，ＶＳＳＦＣＷ）以过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化，实现对Ｎ、Ｐ及ＣＯＤｃｒ等污染物的去除［１－３］。由于氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统，垂直潜流人工湿地其内部充氧更为充分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行，氮、磷去除效果较好［４－６］。许多学者一直以来对湿地类型、基质种类、基质粒径和组配、植物种类及搭配进行了大量的研究。人工湿地除污机理相当复杂，很多化学过程与生物化学过程至今尚未完全弄清或存在不同观点，运行和管理还需要进一步研究。本研究选择复合垂直潜流人工湿地（Ｈｙｂｒｉｄ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　ＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＦｌｏｗ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　Ｗｅｔｌａｎｄ）处理工艺，研究低温条件下ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ等水质指标在不同水力停留时间（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｒｅｔａｉｎ　Ｔｉｍｅ，ＨＲＴ）、水力负荷率（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄ　Ｒａｔｅ，ＨＬＲ）和回流比Ｒ及温度等控制参数下的去除规律，寻求组合工艺处理低浓度生活污水的最佳处理方案。１　实验材料与方法１．１　实验水样本实验水样采取于北方某农村集中住宅区污水处理厂进水口，水质指标见表１。该污水的年水温为１２．５～２４．０℃，实验水温为１２．６～１４．９℃，平均水温为１３．５℃，属低温废水。本试验主要测定项目包括ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ等。按照《水和废水监测分析方法》（第四版）中提供的方法进行监测。１．２　工艺设备与运行条件本研究采用复合垂直潜流人工湿地工艺进行污水的处理。垂直潜流人工湿地可以分为垂直上行潜流人工湿地和垂直下行潜流人工湿地，两者主要是水流方向不同。垂直下行潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流至填料床的底部，其出水装置一般设在湿地底部，床体处于不饱和状态，污水直接与基质接触，氧可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统。实验用工艺装置由连续交替的垂直下流／垂直上流处理单元串联组合而成，共分为５个单元，每单元２格，每个尺寸为４．０ｍ×２．０ｍ×２．０ｍ。水流以上下折流方式通过湿地，在上向流的距离池底０．２ｍ及下向流０．４ｍ处分别设置取样管。填料采用Φ（１０～３０）ｍｍ市售陶粒。由前至后粒径逐级减小，顶部栽种芦苇，设计过流断面水力负荷率为１７．５ｍ３／（ｍ２·ｄ），有机负荷为０．２３ｋｇ　ＢＯＤ５／（ｍ２·ｄ）。湿地内植被选择芦苇，它是一种较好的湿地处理植物。实验中芦苇种植密度为３０株／ｍ２，污水通过潜流湿地后部分污水进行回流，再次进行湿地处理。启动时设定水力停留时间为７２ｈ，水力负荷率为０．５ｍ３／（ｍ２·ｄ）。湿地基质挂膜采用连续进水和水位控制的方式进行。垂直潜流人工湿地示意图见图１。表１　废水水质指标Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ项目ＳＳ／ｍｇ·Ｌ－１ＣＯＤ／ｍｇ·Ｌ－１ＴＰ／ｍｇ·Ｌ－１ＮＨ３－Ｎ／ｍｇ·Ｌ－１ＴＮ／ｍｇ·Ｌ－１ｐＨ数值１３９～２５６２２５～４２０３．２２～５．２３５０．５～６２．５６３．５～９１．５６．５～８．０图１　垂直潜流人工湿地示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＳＳＦＣＷ２　运行条件对污水处理效果的影响　　为获得较为合适的运行条件，研究人工湿地系统低温条件下ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ等水质指标在不同水力停留时间、水力负荷率、回流比和温度等控制参数下的去除规律。２．１　ＨＲＴ对废水处理效果的影响ＨＲＴ对人工湿地系统的处理效果影响密切。３６第４期　　　　　　　　　　　赵雪锋，等．复合垂直潜流人工湿地处理低温生活污水的研究停留时间短生化反应不充分，污染物降解的不够彻底，处理效果不好；停留时间过长，污水在系统内停滞会造成厌氧区的形成，影响处理效果，同时会滋生蚊虫影响环境卫生。本研究在污水低温条件下（平均１３．５℃），进行不同水力停留时间２４、３６、４８、６０、７２、９６、１２０和１４４ｈ的运行，分析在不同运行条件下湿地的ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除效果。水力负荷为１ｍ３／（ｍ２·ｄ），无回流，进水水质指标ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ平均分别为３１５．５、５５．５、７１．２和４．８１ｍｇ／Ｌ，运行时间为６０ｄ。由图２可见，污染物随着水力停留时间的延长，去除率逐渐升高，在ＨＲＴ＝７２ｈ达到较高的稳定去除率，ＨＲＴ＝９６ｈ达到峰值，此后仅ＣＯＤ有缓慢增长的趋势，ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ及ＴＰ污染物去除率均出现不同程度下降，因此确定最佳ＨＲＴ宜为（７２～９６）ｈ。图２　ＨＲＴ对污水处理效果的影响Ｆｉｇ．２　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＨＲＴ　ｔｏ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｒａｔｅＣＯＤ在给定水力停留时间内，去除率随时间的增长而逐渐上升，在ＨＲＴ＝７２ｈ去除率达到７３．３％，当ＨＲＴ＝１４４ｈ，去除率提高到７４．１％；同样说明停留时间过长时，系统会进入厌氧状态，并且微生物活性降低，导致ＣＯＤ去除率降低，因此ＣＯＤ的去除效果出现缓慢增长的状态。对ＮＨ３－Ｎ和ＴＮ而言，去除效果随水力停留时间增长有减弱的规律。当水力停留时间＜９６ｈ时，去除效果随时间而增长，当水力停留时间＞９６ｈ后，去除率呈现较为明显的下降趋势，说明停留时间过长导致的厌氧状态严重抑制了硝化作用。ＴＰ与ＴＮ有相似的去除规律，在ＨＲＴ＝７２ｈ已达到最佳去除率，随着ＨＲＴ增加，去除率开始下降，说明基质的吸附和络合是磷素去除的主要途径。当ＨＲＴ过大，系统进入厌氧状态，嗜磷菌开始厌氧释磷，而停留时间延长期间植物吸收数量有限，导致磷去除率下降。２．２　ＨＬＲ对污水处理效果的影响ＨＬＲ同样对湿地处理系统的处理效果产生重要影响。目前常用的ＨＬＲ采用湿地表面负荷计算，即为单位时间内流量与表面积之商。在湿地深度不同时会造成容积负荷不一致［７］。本研究将低温条件（平均１３．５℃）的湿地在ＨＬＲ＝（０．５～４）ｍ３／（ｍ２·ｄ）时进行，ＨＲＴ＝７２ｈ，无回流。进水水质指标ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ平均分别为３０５．４、５０．５、７３．８．２和４．７２ｍｇ／Ｌ，运行时间为１５ｄ。通过长时间运行以获得ＨＬＲ与污染物降解的规律。从图３中可以看出，ＣＯＤ随ＨＬＲ的提高而逐渐降低，呈现一种近似线性的降解规律。ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ随ＨＬＲ的提高去除率先提高而后降低，ＮＨ３－Ｎ和ＴＰ在ＨＬＲ＝１．０ｍ３／（ｍ２·ｄ）时去除率最高，分别为３０．４％和６０．７％。ＴＮ在ＨＬＲ＝１．５ｍ３／（ｍ２·ｄ）时去除率达到峰值，为２８．２％。图３　ＨＬＲ对污水处理效果的影响Ｆｉｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＨＬＲ　ｔｏ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｒａｔｅ人工湿地处理的核心是系统内部的微生物。随污水进入湿地系统的大部分有机物首先被基质和根系表面的生物膜吸附，然后通过一系列生化作用被微生物降解。在较高水力负荷时，污水带入有机物量的速度超过生物膜降解速度，去除率呈现下降趋势。因此ＣＯＤ去除率随着水力负荷的升高而降低。对Ｎ