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出水口位置对组合潜流人工湿地脱氮效果的影响研究

2009年第12期(总第133期)
潘明富1,蹇兴超2,秦爱国1,徐建宇1(1.桂林工学院,广西 桂林 541000;2.广西建设厅科技处,广西 南宁 530028)
 
  【摘 要】 根据出水口位置的不同,设计了四种不同出水口位置连接的垂直流-水平流(vertical flow-horizontal flow)组合人工湿地系统(简称VF-HF),本实验运行了1号系统(VF出水口位于池子中部,HF出水口位于池子顶部)。实验采用间歇进水,水力负荷0.125m3/(m2·d),进水为南宁市琅东污水处理厂初沉池出水。结果显示,TN和NH3-N的去除率分别为45.2%和34.2%。根据两部分实验数据进行分析,指出了4号系统(VF出水口位于底部,HF出水口位于顶部)脱氮效果最好,TN和NH3-N的去除率分别为>58.4%和>55.0%。
  【关键词】 出水口;VF;HF;VF-HF组合系统;脱氮
 
  人工湿地是20世纪70年代发展起来的一项污水生物处理技术,它利用自然生态系统中的物理、化学和生物协同作用来实现对污水的净化,具有处理效果好、投资低、运行费用省、二次污染少、维护管理方便等优点[1-2],能有效地处理生活污水,具有良好的应用前景。
  单一的潜流系统处理生活污水时,水平潜流人工湿地(以下简称为HF)常表现为硝化能力不足[3],垂直潜流人工湿地(以下简称为VF)常表现为反硝化能力不足,导致脱氮效果不佳;组合工艺则能在一定程度上解决这一问题。因而,为保证脱氮效果,本试验采用了VF-HF组合工艺,并通过改变出水口位置来调节潜流人工湿地内部的饱和水层高度,设计了四种VF-HF组合系统,运行并考察了1号系统的沿程脱氮效果,分析并预测了2、3、4号系统的脱氮效果。
  由出水口位于中部或底部的VF和出水口位于底部或顶部的HF组成的组合潜流人工湿地有4种模式,见图1。
    图1  四种模式的VF-HF组合工艺流程
 
1 试验材料及方法
1.1  试验装置
  1号VF-HF组合系统的脱氮效果试验在琅东污水处理厂内的现场实验装置进行。潜流人工湿地装置由PVC板焊接而成,由于VF受力较大,外用5mm角钢加固。潜流人工湿地基质为碎石,基质层孔隙率48.6%,粒径分布见表1。VF尺寸为2m×1m×1m,基质层高度0.8m;HF尺寸为2m×0.5m×0.5m,基质层高度0.4m。湿地栽种植物为香根草,栽种密度18株/m2
表1  潜流人工湿地基质层粒径分布
粒径(mm)
<10
10-20
20-31.5
>31.5
质量含量(%)
4.5
14.0
68.5
13.0
 
图2  1号系统实验装置与取样点布置图
  实验装置结构及6个取样点位置见图2。此装置构建于2008年8月,于当年9月开始运行。
1.2  实验方法
  本部分实验分为两部分。其一,运行了1号VF-HF组合系统,即通过调节PVC管道球阀关闭VF-1和HF-1,打开VF-3和HF-2,使VF基质层上部40cm处于不饱和水层,而VF下部40cm和HF池基质层处于饱和水层。污水流程为:来自琅东污水厂初沉池的污水经布水管进入VF池,由中部VF-3流出,再从HF池顶部的布水管流入HF池,途径取样点4#和5#,由HF-2流出。其二,分别单独运行了VF和HF系统,且实验运行参数同VF-HF。污水由微电脑开关控制潜水泵提升,进水流量由流量计控制。
1.3  进水水质及运行参数
  本实验采用间歇进水,5次/d,进水持续时间为20min/次,进水量为250L/d,面积负荷为0.125m3/(m2·d),湿地运行时间为每天8:00~17:00。实验数据取自2008年12月至2009年1月。
1.4测定方法
  测定指标包括TN、NH3-N、NO3--N、NO2--N、SS、CODcr和TP。测试方法:TN采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法、NH3-N采用纳氏试剂分光光度法、NO3--N采用酚二磺酸光度发、NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法、CODcr采用快速密闭催化消解法、TP采用钼锑抗分光光度法、SS采用103-105℃烘干的可滤残渣[4]
 
结果与分析
2.1  VF与HF单独运行的监测结果
  出水口位置不同的HF和VF单独运行时,VF中TN和NH3-N的出水浓度分别为20.0mg/L和18.6mg/L;HF中TN和NH3-N的出水浓度分别为17.2mg/L和16.3mg/L。
  VF和HF对污染物的去除率见表2。由表2可知,在处理TN、CODCr、SS、TP和NH3-N时,HF系统出水口位于顶部对TN、CODCr、SS去除率占优势,而位于底部对TP和NH3-N去除占优势;VF系统出水口位于中部对TN、CODCr和SS去除占优势,而位于底部对TP和NH3-N去除占优势。
表2  不同出水口位置的HF和VF对污染物的去除率(%)
 
HF
 
VF
 
底部
顶部
 
底部
中部
TN
12.56
17.15
 
28.4
36.4
NH3-N
21.08
-0.09
 
54.95
28.7
CODCr
32.22
56.50
 
61.25
67.01
TP
44.94
31.20
 
58.80
34.67
SS
62.40
74.85
 
74.61
83.09
2.2  VF-HF组合系统的脱氮效果
     图3  VF-HF沿程N素去除效果
  1号VF-HF系统沿程N素变化见图3。图3表明,TN和有机氮浓度沿程方向呈逐步降低趋势,在VF段降幅最大,HF降低极小。NH3-N和NO3--N沿程变化有所不同。在VF部分,NH3-N在非饱和水区急剧降低,但在饱和水区则出现反复现象,浓度呈负增长;NO3--N则相反,在非饱和水区,NO3--N逐步增高,但在饱和水区则迅速降低。在HF段,NH3-N和NO3--N均降低极为缓慢,且出水中NO3--N几乎为0。在本次实验中,NO2--N变化不大,污水中NO2--N浓度非常低,有时甚至无法检测出来。
  VF-HF系统中,TN和NH3-N的出水浓度分别为17.2mg/L和16.3mg/L,去除率分别为45.2%和34.2%。其中,VF系统对TN和NH3-N去除率与独立运行中部出水的VF相同,其贡献分别为36.4%和28.7%;HF系统对进入湿地中的TN和NH3-N去除率分别为14.0%和12.4%,其贡献分别为8.8%和6.5%。对比VF-HF系统中的HF与独立运行顶部出水的HF,结果表明经过VF处理后的污水再由HF处理,可以显著提高湿地系统对NH3-N的去除率。经分析,原因可能是经过VF处理的污水由于有机物被大量去除,其在HF中植物释放的氧气不再主要用于降解有机物,而是用于硝化NH3-N,从而使NH3-N浓度降低。
2.3  VF-HF组合系统对CODCr、SS和TP的去除效果
  1号VF-HF组合系统对CODCr、SS及TP的去除效果见图4。在VF-HF系统内,CODCr和SS浓度呈逐步降低的趋势,最终出水CODCr和SS浓度分别从进水的169.2mg/L和136.7mg/L下降到17.1mg/L和8.2mg/L;TP由4.29mg/L下降到2.91mg/L,其去除率几乎完全发生在VF-HF系统的不饱和水层内。
    图4  1号系统沿程COD、SS、TP去除效果
  从图4可以看出,VF-HF系统对SS和CODCr的去除非常好,CODCr和SS的去除率为89.9%和94%,而它对TP的去除则不太理想,去除率仅为32.2%。TP的去除率低,是因为湿地系统对TP的去除主要靠基质吸附完成。湿地系统对TP的去除主要靠基质的吸附作用,而对磷吸附能力较强的基质通常是富含钙、铁或铝元素的固体物质。本实验湿地所填充的基质是普通的碎石,吸附能力较差,这是限制该组合湿地TP去除效果的主要因素;而由出水口位于VF底部时的TP去除率(58.8%)比整个1号系统的TP去除率还高26.6%可知,饱和水层的存在是该组合湿地TP去除效果的另一限制因素。
 
3 234VF-HF组合系统的脱氮效果分析
3.1  2号VF-HF组合系统
  2号VF-HF系统的出水口位置连接方式如图1所示。在2号系统中,VF出水口位置与1号相同,故VF系统对TN和NH3-N去除率分别为36.4%和28.7%。相对于1号的HF,由于2号HF出水口位于底部,基质床处于非饱和水层,床内的硝化反应会强于1号,NH3-N去除率高于1号;但反硝化反应会弱于1号,TN去除率会低于1号。所以,2号VF-HF系统对TN和NH3-N的去除范围应为:36.4%<TN<45.2%;NH3-N>34.2%。
3.2  3号VF-HF组合系统
  3号VF-HF系统的出水口位置连接方式如图1所示。在3号系统中,VF出水的TN和NH3-N的去除率分别为28.4%和55.0%。由于HF出水口位于底部,非饱和基质层环境非常适合于硝化作用,所以基质床对NH3-N去除率将显著提高;尽管非饱和基质层环境不利于TN的去除,但TN去除率也将随NH3-N的去除而有所提高。故3号VF-HF系统对TN和NH3-N的去除范围应为:28.4%<TN<45.2%;NH3-N>>55.0%。
3.3  4号VF-HF组合系统
  4号VF-HF系统的出水口位置连接方式如图1所示,并可知4号VF-HF系统的VF段污染物去除效果同3号的。在HF段,进水已经过VF段处理,大部分有机物已经去除,由于出水口位于顶部,基质床内将仅进行小部分的硝化反应,NH3-N将被进一步去除,去除率会略有提高;但由于HF段为饱和水区基质层,反硝化反应较为强烈,因而进水浓度为9.4mg/L的NO3--N,在HF中将通过反硝化去除。所以,4号VF-HF系统对TN和NH3-N的去除范围应为:
即TN>58.4%
  NH3-N>55.0%。
3.4 四种模式下VF-HF组合系统的脱氮效果综合比较
  将以上分析结果汇总于表3,并根据表3中的数据,结合进水TN和NH3-N的浓度可以求出四种模式下VF-HF系统出水中所含的TN和NH3-N浓度,见表4。
表3  四种模式系统出水TN和NH3-N的去除率
编号
TN
NH3-N
1
45.2%
34.2%
2
36.4%<TN<45.2%
>34.2%
3
28.4%<TN<45.2%
>>55.0%
4
>58.4%
>55.0%
  由表3和表4可知,4号VF-HF组合人工湿地系统中TN和NH3-N浓度分别从进水的31.5mg/L和26.7mg/L降到13.1mg/L和12.0mg/L以下,其对TN和NH3-N的去除效果明显高于其它三种模式。
           表4 四种模式系统出水的TN和NH3-N浓度(mg/L)
编号
TN
NH3-N
1
17.2
17.5
2
17.2~20.0
<15.2
3
17.2~22.5
<<12.0
4
<13.1
<12.0
 
4 结论
  (1)出水口位于底部时,VF系统具有优秀的硝化能力(NH3-N去除率最高),比出水口位于中部时的NH3-N去除率提高26%,比出水口位于底部时的HF系统NH3-N去除率提高近34%。因而,降低VF系统出水口位置可以显著提高系统内污水的硝化能力。此外,出水口位于VF基质层底部时,系统对CODCr、SS和TP去除效果较好,但缺点是VF的硝化污水无法通过VF自身去除。出水口位于顶部时,HF系统具有良好的反硝化能力,它能将污水中的NO3--N反硝化快速去除,而且对CODCr和SS的去除也比较有利。
  (2)1号VF-HF系统,即VF出水口位于中部,HF出水口位于顶部时,其对TN和NH3-N的去除率分别为45.2%和34.2%,对CODCr、SS和TP的去除率分别为89.9%、94%和32.2%,其中TP去除率偏低主要因为砾石吸附除磷能力一般以及饱和水区对磷吸附的限制。
  (3)通过分析预测可知,对比1号VF-HF系统,由出水口位于VF基质层底部和HF基质层顶部的4号VF-HF组合人工湿地系统可以显著提高潜流人工湿地脱氮效果,对TN和NH3-N的去除率分别超过58.4%和55%,可使出水中TN和NH3-浓度分别降至13.1mg/L和12mg/L以下。因此,建议在今后的试验中采用4号VF-HF组合人工湿地系统。
 
参考文献
[1]GellerG.HorizontalsubsurfaceflowsystemsintheGermanspeakingcountries:summaryoflong-termscientificandpracticalexperiences;recommendations[J].WaterSciTechnol,1997,35(5):157-166.
[2]白晓慧,王宝贞,余敏,等.人工湿地污水处理技术及其发展应用[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(6):88-92.
[3]邓欢欢,葛利云等.水平潜流和组合人工湿地水处理研究进展.工业用水与废水,2007,38(2):1-4
[4]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].(第四版).北京:中国环境科学出版社,2002.
 
作者简介:潘明富(1984-),男,在读硕士研究生,研究方向:水污染控制。
【基金项目】广西科学研究与技术开发计划(桂科攻06630016
 
   
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