复合厌氧折流板反应器廊道式人工湿地系统运行效果张克强

第24卷第6期农业工程学报Vol.24No.62262008年6月TransactionsoftheCSAEJun.2008复合厌氧折流板反应器-廊道式人工湿地系统运行效果张克强1，李军幸1，杨莉2，张洪生1，李野1，杨鹏1，梁军锋1（1．农业部环境保护科研监测所，天津300191；2．中国农学会，北京100026）摘要：该文采用复合厌氧折流板反应器-廊道式人工湿地（CombinedAnaerobicBaffledReactorandCorridorConstructedWetland，简称CABR-CCW）系统进行生活污水处理试验，系统分析了CABR-CCW系统的COD去除效果、脱氮除磷效果及水生植物在人工湿地系统中的作用。监测了2006年4月到2007年1月期间复合系统的运行效果，结果显示：CABR-CCW系统稳定运行后，污水日处理量为5m3，HRT约为50h，夏秋季CODCr平均去除率为78.9%，NH3-N平均去除率为89.29%；在不改变日处理量的情况下，冬季CODCr平均去除率约56.6%，NH3-N去除率下降幅度较大，但保持在47%以上。由于CCW采用了煤渣、页岩等高吸附磷的基质，磷去除率始终保持在83.6%以上，夏秋季由于CCW水生植物吸收，去除率高达92.3%，表明磷的去除主要依靠CCW基质的吸附，而且基质吸附能力仍未达到饱和，但已表现出下降趋势。廊道式人工湿地水生植物的长势对NH3-N的去除有显著影响，对磷的去除效果影响不大。关键词：厌氧折流板反应器；廊道式人工湿地；运行效果；生活污水中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-6-0226-04张克强，李军幸，杨莉，等.复合厌氧折流板反应器-廊道式人工湿地系统运行效果[J].农业工程学报，2008，24(6)：226－229.ZhangKeqiang,LiJunxing,YangLi,etal.Operationalefficienciesofcombinedanaerobicbaffledreactorandcorridorconstructedwetlandsystemfordomesticwastewatertreatment[J].TransactionsoftheCSAE,2008,24(6)：226－229.(inChinesewithEnglishabstract)0引言目前，人工湿地的应用范围不断扩大，除了用于处理城市污水外，还应用于工业废水、农村生活污水[1]、家畜与家禽粪水[2]、垃圾场渗滤液、暴雨径流[3]、富营养化湖水[4]的处理。常规人工湿地用于处理污水还存在很多不足，例如占地面积比传统处理工艺（厌氧/好氧，厌氧—缺氧/好氧等生物组合处理工艺）工程大得多[5]，要求污水污染物浓度不能太高[6]，容易出现堵塞现象及容易孽生蚊虫等。目前，在国内外还未发现有比较好的针对这些不足的解决措施。笔者在本文中提出了复合厌氧折流板反应器-廊道式人工湿地（CABR-CCW）组合处理系统，目的是既要降低污水处理成本，又要减少污水处理系统的占地面积。CABR-CCW系统在设计上遵循以下原则：①对低浓度生活污水采用高效厌氧预处理技术（CABR），厌氧单元采用模块化设计，反应级次可以根据需要进行增减；②污水经过CABR处理后，降低了人工湿地的负荷；从而减小了湿地面积；污水中的悬浮物大幅度降低，降低了人工湿地堵塞的可能性；③CCW采用廊道式多级次设计，潜流、表面流和垂直流相结合，提高处理效果。本文结合实际生活污水处理工程，从有机污染物去除、脱氮除磷等方面，研究该组合工艺收稿日期：2007-03-02修订日期：2008-05-14基金项目：农业部农业结构调整重大技术专项（05-12-04A）；天津市农业科技成果转化与推广项目（0704050）；中央级科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（2006-aepi-11）作者简介:张克强，博士，副研究员，从事农业环境保护研究与推广。天津农业部环境保护科研监测所，300191。Email:[e-mail]（CABR-CCW）实际运行效果，探索CABR-CCW系统运行规律，为开发农村污水分散处理新技术提供支持。1材料与方法1.1试验工程1.1.1水质水量生活污水取自某单位独立的职工宿舍地下排水管道，经排水井利用潜水泵泵入处理系统。污水含厨房废水、厕所冲洗水和浴洗水。设计处理水量5.0m3/d。进水水质见表1。表1进水水质Table1Domesticwastewaterquality项目pH值化学需氧量（CODCr）/mg·L-1悬浮固体物（SS）/mg·L-1总磷（TP）/mg·L-1氨氮(NH3-N)/mg·L-1粪大肠菌群/个·L-1指标值7.5～8.5300～45060～1003～660~100≥240001.1.2工艺流程与CABR-CCW系统组成工艺流程见图1，CABR-CCW处理系统示意图见图2。CABR-CCW处理系统主要包括厌氧折流板反应器和廊道式人工湿地两部分，通过管道连接。复合厌氧折流板反应器(CABR)由多级厌氧折流板反应器(ABR)构成，可根据水质、水量等增减ABR反应器级次。反应器总有效容积为4.0m3。廊道式人工湿地形似同心圆形花坛，自内向外，自高而低分为3级，每级湿地基质分5层，上层为沙质土壤，种植各种水生、湿生植物。人工湿地采用潜流、表面流和垂直流相结合的处理模式，1、2级采用潜流，第3级采用表面流。每级都第6期张克强等：复合厌氧折流板反应器-廊道式人工湿地系统运行效果227采用底部布水，向上流动，呈垂直流。CCW占地面积约32m2，有效部分表面积为23m2，有效容积约6.0m3。图1CABR-CCW系统工艺流程Fig.1TechnologicalflowofCABR-CCW图2CABR-CCW系统示意图Fig.2SketchmapofCABR-CCWsystem1.1.3CCW中基质选择根据一些学者关于人工湿地基质选择的研究[7,8]，CCW底层基质选择富含粉煤灰的煤渣，填料层自下而上依次是大块煤渣、小块煤渣、页岩、砂子和土壤。CCW基质粒径自下而上依次减小，粒径在15～0.2mm，每级基质厚度100～60cm。1.1.4CCW中水生植物配置多种水生植物组合对水质的净化效果好于单种植物，目前有越来越多的试验采用多种水生植物的组合[9]。水生植物种类筛选的原则是植物生物量大，地上部分及根系发达，对氮、磷及有机污染物净化效率高，且耐污能力较强，具有一定经济价值或者景观效应。根据文献[10,11]介绍，结合人工湿地景观效应，CCW第1级种植黄花鸢尾，第2级种植菖蒲，第3级种植梭鱼草。1.2试验方法1.2.1系统启动2006年4月17日CABR开始启动运行，每天进水10h，进水流速1.0L/min。每过两天增加1h的进水时间。CABR启动阶段，CCW不进生活污水，仅进自来水，以种植水生植物。4月18日种植水生植物。经过30天运行，CABR启动完成。5月15日从CABR向CCW进生活污水，每天进水10h，每隔两天增加1h进水时间，经过28天左右，CCW启动完成。此时，CCW水生植物已经开始快速生长。1.2.2运行条件CABR-CCW稳定运行后水力停留时间(HRT)约50h，其中CABR的HRT约20h，CCW的HRT约30h，进水流速约3.5L/min。1.2.3水质指标测定CODCr：采用重铬酸钾标准法；NH3-N：采用纳氏试剂比色法；总磷：采用钼酸铵分光光度法。1.2.4数据分析所有数据分析均采用MicrosoftExcel软件辅助完成。2结果与分析2.1CABR-CCW对CODCr的去除作用调试运行期：6月15日到7月17日，CABR-CCW系统温度变化范围为18～22℃，但CABR的HRT变化很大，从60h减少到24h。图3显示了6月中旬到7月中旬CABR的HRT变化对CODCr去除率的影响。随着HRT缩短，CABR系统对CODCr的去除率趋于下降，到HRT为30h时，去除率达到最低点70.2%。HRT为24h时，系统对CODCr的去除率上升为76.2%，分析认为可能是人工湿地水生植物生长、微生物繁殖等使人工湿地系统趋于成熟，从而使其对CODCr去除率有所升高。图3CABR的HRT变化对CODCr去除率的影响Fig.3CODCrremovalrateofCABRwithdifferentHRTs7月17日至8月18日系统仍处于调试期，温度变化范围为22～27℃，复合厌氧折流板反应器HRT继续缩短，从24h到12h。CODCr去除率继续下降，当小于18h时，CODCr去除率下降幅度增大。CCW第三级水质开始恶化，有轻微异味。实验数据显示：CABR的HRT＜15h时，系统出水CODCr浓度变化范围为131.5～149.8mg/L。稳定运行期：从8月19日到10月底，CABR-CCW系统HRT保持在20h稳定运行，每天处理污水量约为5.0m3。CODCr去除率基本稳定在79%左右，上下浮动5%，出水CODCr浓度变化范围为65～110mg/L。数据分析表明，10月底之前的稳定运行（出水水质较好）中，CABR对CODCr平均去除率为47.7%左右，CODCr去除量为158.1～192.8mg/L；CCW对CODCr平均去除率为31.2%（相对于CABR-CCW进水），去除量为98.4～117.3mg/L。冬季运行期：2006年11月至2007年1月底，由于气温下降和水生植物生长逐渐停滞，CODCr去除率明显下降。将这3个月依次分成6个时段，半个月一个时段，记为a（2006年11月前半月）、b（2006年11月后半月）、c（2006年12月前半月）、d（2006年12月后半月）、e（2007年1月前半月）、f（2007年1月后半月），各时段CODCr平均去除率变化趋势如图4，CODCr去除率呈下降趋势。e、f时段CODCr去除率基本保持在55%左右。在a→f的稳定运行期间，CABR对CODCr的平均去除率为34.9%，CODCr去除量为136.9～167.2mg/L；CCW对CODCr平均去除率在21.7%左右（相对于CABR-CCW进水），CODCr去除能力为68.1～85.4mg/L。228农业工程学报2008年调试运行期和稳定运行期处于夏秋季（6月至10月），CODCr平均去除率为78.9%，整个冬季运行平均去除率为56.6%。图4各时段CABR-CCW对CODCr的去除率Fig.4CODCrremovalratebyCABR-CCWindifferentperiods2.2CCW脱氮除磷能力分析CABR-CCW系统脱氮主要是靠CCW来完成的。人工湿地对氮有着比较强的去除能力，氮在人工湿地内的转化途径包括矿化、水生植物吸收、微生物的硝化、反硝化以及氨的挥发等[12]。表2显示了2006年7月3日到8月18日系统进水（CABR进水）、CCW第1级进水、CCW第2级进水及系统最终出水中NH3-N浓度的变化及各处理阶段对NH3-N的去除率。调试期复合系统对NH3-N的平均去除率高达89.29%，其中CABR对NH3-N的去除能力最弱，平均去除率只有8.76%（厌氧阶段有少量NH3溢出），CCW第三级对NH3-N去除率最高，贡献率为62.45%（55.76/89.29×100%）。CABR脱氮主要是由于某些细菌在硝化反硝化反应中能利用NO2-或NO3-作电子受体将NH4+氧化成N2和气态氮化物[13]，即氨氮在某些微生物作用下发生了厌氧生物氧化现象[14]从而使氨氮以气体形式释放出来。CCW对NH3-N的去除起关键作用，贡献率90.19%（100%-8.76/89.29×100%）。冬季运行结果表明，CABR-CCW系统冬季对NH3-N的去除率下降幅度较大，但仍保持在47%以上。本试验中CCW每级之间有布水槽，具有一定的充氧能力，从而也增强了人工湿地的反硝化作用。表2CABR-CCW调试期NH3-N去除率Table2NH3-Nre