兩級人工濕地用于村鎮(zhèn)污水脫氮的長期運行特性研究-

1、生態(tài)環(huán)境學報 2011, 20(3: 515-520 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金項目:國家自然科學基金項目(U0833002,廣東省自然科學基金項目(07300080作者簡介:楊璇(1987年生,女,山西太谷縣人,碩士研究生,主要從事水污染控制研究。E-mail: yangxuan0322 *通信作者:石雷。E-mail: shilei9899 兩級人工濕地用于村鎮(zhèn)污水脫氮的長期運行特性研究楊璇,石雷暨南大學環(huán)境工程系/廣東省普通高校水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復重點實驗室, 廣東 廣州 510632摘要:對沙田人

2、工濕地穩(wěn)定運行后的情況進行了長達6 a 的監(jiān)測,探討了不同流態(tài)的兩級潛流人工濕地長期運行的脫氮效能、不同形態(tài)氮的空間轉化規(guī)律和幾種主要影響因素。研究表明,在整個運行期間人工濕地的脫氮能力呈現(xiàn)低-高-低的變化趨勢,這個過程的發(fā)生和濕地內部堵塞物的累積關聯(lián)密切。在華南地區(qū),季節(jié)變化對濕地脫氮的影響依然十分強烈:一方面,體現(xiàn)為季節(jié)溫差對脫氮效果的明顯影響,低溫月份采用低負荷方式運行,TN 去除率也僅有36.0%47.6%,而高溫期采用高負荷的運行方式,大多數月份TN 去除率也能達到45.4%以上;另一方面,季節(jié)性雨量的不同會引起進水質量濃度的變化,導致濕地系統(tǒng)TN 負荷率的改變,進而顯著影響脫氮效果

3、。有機氮、NH 3-N 、NO 2-N 、NO 3-N 在濕地內部存在明顯的轉化跡象,沿流程隨著有機物的大量消耗,NO 3-N 去除能力逐漸下降并在濕地的末端出現(xiàn)了累積現(xiàn)象。通常情況下,由于采用了跌水曝氣等措施,DO 在濕地內的大部分區(qū)域都維持了較高水平,未對脫氮效果產生明顯不利影響。 關鍵詞:人工濕地 村鎮(zhèn)污水 脫氮 長期運行中圖分類號:X703 文獻標志碼:A 文章編號:1674-5906(201103-0515-06人工濕地近年來在城鄉(xiāng)各類污水處理中得到了大量的研究和應用1-3,其具有的高效、低耗、投資省、適用范圍廣等諸多優(yōu)點,非常適合用于村鎮(zhèn)的污水處理。國內外學者從濕地基質4、微生物5

4、-6、植物7-9、工藝控制參數10-11等各方面對人工濕地污水處理技術進行了廣泛而深入的研究,大多數研究結果表明人工濕地去除有機污染物是高效的12-13。隨著水體富營養(yǎng)化治理的需要,人工濕地在氮去除方面的研究和應用也已蓬勃展開14-17,但這些研究多基于中、小試規(guī)模的短期運行數據,不同研究者所得到的污染物去除率相差很大;盡管也有濕地長期運行的報道18-19,但具有實際意義的潛流濕地脫氮的長期生產運行監(jiān)測數據報道較少,有關生產運行中的多級潛流濕地脫氮效果沿流程變化的研究也鮮見。針對典型的村鎮(zhèn)污水,了解氮的長期去除特性以及在濕地內部的變化狀況,對探究人工濕地脫氮機制、工程設計及實際應用十分重要,為

5、此,本試驗以實際生產運行的兩級潛流人工濕地為研究對象,連續(xù)6 a 時間考察了濕地對氮的動態(tài)去除效果、沿程形態(tài)的變化及主要環(huán)境因素的影響,以期為提高人工濕地環(huán)境治理效益提供科學依據。1 材料和方法1.1 水質水量本研究在深圳沙田人工濕地進行,該濕地位于深圳市龍崗區(qū)坑梓鎮(zhèn),于2001年11月正式投入運行,經過近半年的調試和植物馴化,2002年5月達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。沙田人工濕地處理的是受污染的田腳河河水,屬工業(yè)、生活混和污水。人工濕地設計處理規(guī)模5000 m 3·d -1。原污水的水質、水量隨季節(jié)和氣候等條件波動較大,監(jiān)測初期流量最小時不足2000 m 3·d -1,最大時可達1

6、0000 m 3·d -1以上。在6 a 的監(jiān)測期內,隨著附近居民區(qū)和企業(yè)數量的增加,原水的水量增加明顯,至2008年日均水量已達10000 m 3·d -1以上。原水水質檢測結果見表1。 1.2 工藝流程及植物分布沙田人工濕地系統(tǒng)由預處理單元、濕地單元和污泥處理單元組成,其平面布局如圖1所示。主體工藝為兩級潛流型人工濕地:一級濕地(占地4800 m 2,采用水平流形式,首端布水槽布水,填料為粒徑3050 mm 的碎石,厚度100 cm ;二級濕地為垂直下向流形式(占地4640 m 2,穿孔管架表1 田腳河原污水水質檢測結果Table 1 Monitoring result

7、 and means of Water Quality of Tianjiao river檢測項目(CODcr/(mg·L -1 (BOD 5/(mg·L -1 (TN/(mg·L -1(NH 3-N/(mg·L -1(NO -3-N/(mg·L -1 (NO -2-N/(mg·L -1PH檢測值 110250 4080 12210 10120 1.0405.0 8.09.0516 生態(tài)環(huán)境學報第20卷第3期(2011年3月空滴灑布水,填料為粒徑432 mm的碎石,厚度80 cm。濕地各單元植物分布情況如下:7-A再力花(Thalia

8、 dealbata,7-B荻(M. sacchariflorus,7-C蘆葦(Ph. australis Trin,7-D荻、水蔥(S.tabernaemotani Gmel,8-A和8-B荻、美人蕉(Canna indica,8-C 美人蕉,8-D荻、紙莎草(Cyperus papyrus。1.3 濕地系統(tǒng)運行沙田濕地所在的深圳地區(qū)地處赤道的邊緣,屬熱帶海洋性氣候,累年月平均溫度統(tǒng)計結果見表2,其春、夏、秋3季月平均氣溫均接近或高于20 ,只有冬季的十二月份和一、二月份氣溫相對較低,這樣的氣候條件對人工濕地的運行十分有利,但也會在一定程度上影響運行效果。因此,本濕地采用兩種模式運行:411月

9、份高水力負荷運行,1、2、3、12月份采用低水力負荷運行。1.4 監(jiān)測分析方法現(xiàn)場監(jiān)測于2002年5月開始,至2008年4月止,歷時六年。其中,2002年的監(jiān)測期是512月,豐水期占主體,原水各種污染物的質量濃度較低;而2008年是14月,枯水期為主,原水污染物質量濃度較高。受地面降水的影響,平均進水質量濃度在低水力負荷期略高于高水力負荷期。在河道進水口、布水槽、一級濕地中間溢流堰、一級濕地末出水堰、二級濕地出水口分別設置a、b、c、d、e 5個取樣點(圖1。常規(guī)采樣,每周一次。特定項目監(jiān)測,按需要隨時進行。此外,分別選擇2003年、2005年和2007年,在溫度較為穩(wěn)定、降雨量較少的12月份

10、對濕地系統(tǒng)內氮素的形態(tài)變化進行了監(jiān)測;2003年10月進行了濕地沿程溶解氧的測定,測定期間采用了兼性調節(jié)塘回流的運行方式,取樣點位于水面下15 cm。其中,一級濕地中部的溢流堰在堰口上下兩側,一級濕地末端堰口上和二級濕地滴灑布水后分別取樣監(jiān)測。各項水質指標監(jiān)測按水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版。2 結果與討論2.1 濕地系統(tǒng)脫氮效果的時間變化規(guī)律2.1.1 濕地系統(tǒng)脫氮效果的逐年變化規(guī)律從圖2可見,隨著流域范圍內企業(yè)和居民數量的增加,低水力負荷期除2004年外進水質量濃度 1.集水井2.污泥濃縮池3.初沉池4.污泥脫水機房5.配電室及值班室6.兼性調節(jié)塘7.一級濕地8.二級濕地圖1 沙田人工濕地平

11、面圖Fig. 1Plan Layout of Shatian Constructed Wetland表2 沙田人工濕地水力負荷及月平均氣溫統(tǒng)計Table 2 Statistics of hydraulic load and monthly average temperature in Shatian constructed wetland月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 累年月平均溫度/13.1 14.3 18.0 22.1 25.5 27.1 28.3 27.9 26.8 23.5 19.1 15.0 水力負荷/(m·d-1 0.10.3 0.10.3 0

12、.10.3 0.30.50.30.50.30.50.30.50.30.50.30.5 0.30.5 0.30.50.10.3楊璇等:兩級人工濕地用于村鎮(zhèn)污水脫氮的長期運行特性研究 517總體呈上升趨勢;但在高水力負荷期受降雨等多種因素的影響,這種趨勢不明顯。高水力負荷期。監(jiān)測的前4年,濕地內的植物和微生物隨著環(huán)境適應性的增強、生長穩(wěn)定性的提高,種類和生物量均明顯增加,濕地對污染物的處理能力因此得到了提高,TN的去除率呈逐步上升趨勢,從2002年的43.9%提高到了2005年的56.5%。但隨著運行時間的延長,濕地系統(tǒng)內部的固相沉積物不斷累積,2005年起濕地系統(tǒng)前端和過水流量較大的部位逐漸出現(xiàn)

13、了明顯的堵塞和短路現(xiàn)象,有效處理容積減小和流程縮短的影響開始顯現(xiàn),TN處理能力也因之略呈下降趨勢,至2008年降至50.9%,但仍明顯高于2002年的運行初期。低水力負荷期。就華南地區(qū)而言,本水期是一年之中人工濕地運行最不利的季節(jié),但在采用了降低負荷運行的情況下,濕地系統(tǒng)TN去除率穩(wěn)定在44.3%到50.2%之間,與運行條件較好的高水力負荷期去除率相當,說明采用降負荷方式應對季節(jié)變化的影響是行之有效的。而且對比兩個水期的TN去除率可以看出,低水力負荷期達到了更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性即便在環(huán)境條件不利的情況下。從兩圖的標準差值可以看出,TN去除率的波動總體呈減小的趨勢,說明濕地系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性在運行期內

14、有所提高,這主要出于兩方面的原因:其一,隨著河道水量的逐年增大,原水TN質量濃度的變化幅度有所降低;其二,隨著濕地生態(tài)系統(tǒng)生物數量和復雜程度的提高,各生物相處理污水的能力更趨于穩(wěn)定。2.1.2 人工濕地脫氮效果的逐月變化規(guī)律季節(jié)因素是氣溫、微生物活性和植物長勢等的綜合體現(xiàn),隨著季節(jié)的變化,人工濕地對TN的去除率有較大的波動。從圖3可以看出,在1、2、12月份,盡管水力負荷已降至很低,有時甚至采用了兼性調節(jié)塘或一級濕地出水回流至集水井的運行調節(jié)措施,TN 的去除率仍然不高,僅為36.0%47.6%;但在其他月份,3月和59月的平均TN去除率達到了45%以上,6月份甚至高達61.17%。分析其原因

15、,從表2累年月平均氣溫數據可以看到,1、2、12月份的當地月平均氣溫不足15 ,加之雨量稀少,植物生長減緩;濕地系統(tǒng)中一般多以中溫性微生物為主,較低的環(huán)境溫度會降低其活性,這些因素都會使微生物脫氮的效率下降。其他的9個月,當地的月平均氣溫在18 以上,雨量充沛,植物生長旺盛,基質中微生物的活性也較高,因此濕地系統(tǒng)獲得了較高的TN去除率。隨季節(jié)更迭,當地降雨量變化顯著,濕地進水中各種氮素污染物質量濃度波動較大,濕地的脫氮能力與此關聯(lián)密切:在高負荷運行期,4、10、11月份的TN去除率分別為40.8%、41.6%和41.6%,明顯低于其它月份,而這3個月與其他月份最為顯著的差別是降雨量少,進水TN

16、質量濃度較高,導致了系統(tǒng)的TN負荷率較高。全年中,3月是進水TN質量濃度最高的月份,達到了66.6 mg·L-1,但TN平均去除率卻達到了52.6%的較高水平,究其原因,3月份的氣溫和植物長勢不及411月份,在 考察體系中唯一的有利因素就是當時采用的是低0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.001月3月5月7月9月11月(TN/(mgL-120.0030.0040.0050.0060.0070.00去除率/%去除率圖3 不同月份人工濕地TN去除結果曲線Fig. 3 Monthly variation curve of TN removal (A高水力負荷期

17、(B低水力負荷期圖2 人工濕地對TN去除結果年度變化曲線Fig. 2 Annual variation curve of TN removal result518 生態(tài)環(huán)境學報 第20卷第3期(2011年3月水力負荷的運行方式,導致了濕地總體的TN 負荷率較低。綜上可以推斷,污染物負荷率是濕地脫氮的一個重要影響因素,如何確定其合理的取值范圍是系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的關鍵。2.2 氮在濕地系統(tǒng)內的形態(tài)變化規(guī)律圖4是各種氮素在濕地中的質量濃度變化曲線,其中,有機氮因當地監(jiān)測條件所限,采用TN 與其它形式氮差值的方法計算。由結果可知,污水的總體組成和變化規(guī)律較為一致,河道原水中的氮主要以NH 3-N 形式

18、存在,約占TN 的60.0%93.6%,其次為NO -3-N 和有機氮,NO -2-N 最少。 已有的研究表明,人工濕地脫氮的途徑主要有3種:植物吸收、氨氮揮發(fā)和微生物生物脫氮。由圖4可知,TN 質量濃度在濕地系統(tǒng)內呈持續(xù)下降的趨勢,且存在明顯的相互轉化跡象,符合微生物脫氮的一般規(guī)律。在預處理段(a-b,可溶性TN 占了總量的93.7%,沉淀池、兼性調節(jié)塘的脫氮效果不理想,TN 去除率僅為11.1%;但有機氮質量濃度降低和氨氮質量濃度升高十分明顯,說明兩者之間發(fā)生了形態(tài)的轉換,有機氮大量轉化成了氨氮。在一級濕地上半段(b-c,碳源和DO 均較為充足,各形態(tài)氮質量濃度均有不同程度的降低,相關研究

19、表明,這種條件下植物吸收會對脫氮有所貢獻,但非常有限,主要是微生物脫氮的結果,甚至存在著同步硝化和反硝化作用20。在一級濕地下半段(c-d,TN 去除率有所降低,隨著NH 3-N 質量濃度的降低,NO -3-N 出現(xiàn)了少量累積;此時的有機氮質量濃度略有上升,大概是由于當時7-D 單元植物的大量枯萎、腐爛,溶入水體影響了出水的水質。在二級濕地(d-e,TN 去除率達33.3%,明顯高于一級濕地的16.3%。究其原因:一方面,有學者研究表明濕地后部具有更高的硝化/反硝化菌群數量20,這些部位理應具有更好的脫氮能力;另一方面,濕地改變了流態(tài),垂直流的形式更有利于脫氮。但同樣在該段,隨著NH 3-N

20、質量濃度的降低,NO -3-N 質量濃度顯著上升,并出現(xiàn)了大量的積累。當時對二級濕地進水的CODcr/TN 和DO 進行了監(jiān)測:CODcr/TN 僅為2.91,電子供體明顯不足;而DO 的進水值較高,但出水值已趨近于零,考慮到污水流程、植物根系分布的不均勻性,可推斷二級濕地下層應該存在大量的厭氧/缺氧微環(huán)境,不會因此限制反硝化過程的進行,因而C/N 較低應該是二級濕地硝化/反硝化過程的重要限制性因素。 2.3 脫氮效果的一些關鍵影響因素人工濕地脫氮除受污染物負荷、溫度、植物長勢等影響外,碳源、pH 值、DO 等也會對處理能力產生影響,所以本研究也對此進行了跟蹤。 2.3.1 碳源對脫氮效果的影

21、響2003年810月沙田人工濕地月平均氣溫為2925.1 ,植物總體長勢穩(wěn)定,河水CODcr 、TN 等水質指標變化幅度較大,我們對這段時間濕地系統(tǒng)進水C/N 與TN 去除率進行了對比統(tǒng)計,結果見圖5。由圖可知,當進水C/N 由0.7提高到8.4時,其平均去除率由35.3%上升到了58.6%,C/N與濕0204060801000.51.52.53.54.55.56.57.58.5(CODcr /(TN T N 去除率/%圖5 濕地系統(tǒng)C/N-TN 去除率關系圖Fig. 5Relation between C/N-TN remvoal rate of the CWs0.005.0010.0015

22、.0020.0025.0030.0035.0040.0045.00abcde/(m g ·L -10.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.00ab c d e/(m g ·L -10.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.00/(m g ·L -1圖4 濕地系統(tǒng)內氮素沿程變化曲線 Fig. 4 Variation curve of nitrogen in the CWs楊璇等:兩級人工濕地用于村鎮(zhèn)污水脫氮的長期運行特性研究 519地脫氮效能的關聯(lián)度非常高。C/N 在小于3.5時對脫氮

23、的影響最為顯著,此時隨著C/N 的提高TN 去除率上升十分明顯;而當C/N 小于2.8時,TN 去除率的波動性明顯增大,說明此時碳源問題已明顯影響了濕地系統(tǒng)脫氮的穩(wěn)定性。此外,同期還監(jiān)測了碳氮比的沿程變化,由圖6可知,C/N 在濕地系統(tǒng)中呈下降的趨勢,至二級濕地進水已不足3.0,這必定很難滿足反硝化過程對碳源的需要,極易使反應難以徹底進行而形成NO -3-N 的累積,這個推論被圖4的監(jiān)測結果所證實。所以合理提高濕地后半程污水中的C/N 值將有助于系統(tǒng)脫氮效率的提升。 2.3.2 pH 值對脫氮效果的影響 pH 值是人工濕地脫氮的重要環(huán)境因素之一。表3為枯水期濕地系統(tǒng)各部位的pH 值監(jiān)測結果。本

24、濕地的pH 值大致處于7.08.0之間,沿程緩慢下降,出水仍呈微弱的堿性。各種濕地植物在此條件下均獲得了十分旺盛的生長,說明對這樣的生境較為適應。一般在自然環(huán)境中pH 值>8.0才有可能造成NH 3-N 的大量揮發(fā)21,本濕地顯然未達到這樣的條件;而本濕地的pH 值范圍恰好處于硝化/反硝化細菌最適pH 值區(qū)間,十分有利于濕地系統(tǒng)的微生物脫氮作用。 2.3.3 DO 對脫氮效果的影響濕地的長期運行結果顯示:夏季一般當濕地進水DO 值高于3.5 mg·L -1時,系統(tǒng)對TN 可獲得高而穩(wěn)定的去除率,而當DO 值較低時,TN 去除率下降明顯且波動性增大;在秋、冬季則需要更高的進水DO

25、 質量濃度,因為在枯水期,不僅進水的污染物質量濃度明顯高于夏季,而且隨著氣溫的降低,植物的生理活動開始減弱,污水進入濕地后隨著DO 的大量消耗,隨機監(jiān)測結果顯示一般至一級濕地的下半段DO 值便已接近于零水體處于缺氧或厭氧狀態(tài),這將導致濕地系統(tǒng)后半段脫氮能力的顯著下降。如果這種情況持續(xù)時間較過長,填料內會產生并積聚大量的H 2S 、NH 3,在濕地內即可聞到強烈的刺激性氣味,甚至發(fā)生植物根系的腐爛,嚴重影響植物的正常生長,進一步影響濕地的脫氮能力。由此可見,如何提高濕地系統(tǒng)的溶解氧水平是實現(xiàn)高效脫氮的關鍵。在本濕地系統(tǒng)中,布水槽、一級濕地中間的溢流堰、一級濕地末端的出水堰、二級濕地滴灑式布水管等

26、均可以產生跌水曝氣作用。由表3的沿程監(jiān)測結果可知,這些位置的跌水曝氣作用效果明顯,使大部分監(jiān)測點位污水的DO 值達到了2.0以上,保證了硝化反應的順利進行。3 結論(1本濕地在6年的監(jiān)測運行過程中,前半段隨著微生物種類的豐富和生物量的增長,TN 去除率逐漸上升;但后半期,固相沉積物的過度累積導致了明顯的填料堵塞和水流短路現(xiàn)象,TN 去除率隨之出現(xiàn)了下降的趨勢。 (2在本濕地所在的華南地區(qū),季節(jié)變化仍然是影響脫氮效果的重要因素。低溫少雨的1、2、12月份,即使采用低水力負荷運行,TN 去除率仍處于較低的水平;311月份是一年中濕地系統(tǒng)脫氮效率較高的時期。 (3從濕地沿程各形態(tài)氮素質量濃度變化趨勢

27、看,不同形態(tài)的氮存在明顯的轉化跡象,驗證了硝化/反硝化作用是濕地脫氮的重要途徑之一。 (4碳源是本濕地脫氮效果的重要影響因素之一,沿流程隨著有機物的不斷去除,在濕地后半部分出現(xiàn)了電子供體不足,形成了硝態(tài)氮的累積,一定程度上限制了TN 的脫除。(5pH 值和DO 通常也是濕地脫氮的重要影響因素,本濕地水質一直呈微堿性,較有利于植物生長和生物脫氮的進行。在合理的運行調控措施保證下,濕地內部監(jiān)測點位的DO 值只要保持在2.0 mg·L -1以上,即可獲得良好穩(wěn)定的脫氮效果。參考文獻: 1 ZHANG Dongqing, GERSBERG M R, KEAT T S. Constructed

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29、口 1.50±0.35 7.95±0.41布水槽 6.95±0.21 7.85±0.18溢流堰 3.40±0.56/4.90 ±0.33 7.71±0.17 一級濕地末 2.05±0.84/5.50±0.62 7.52±0.13 總出水 0.05±0.04 7.28±0.08溢流堰和一級濕地末DO 結果“/”前后分別為跌水前后監(jiān)測值520 2 VYMAZAL J. Horizontal sub-surface flow constructed wetlands Ondrejo

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44、 14(4: 343-346. Nitrogen removal efficiency of a two-stage constructed wetlands for town sewage in long-term performance YANG Xuan, SHI Lei Department of Environmental Engineering, Jinan University/Key Laboratory of water/soil toxic pollutants control and bioremediation of Guangdong Higher Education Institutes, Guangzhou, 510632, China Abstract: We had monitored the situation of Shatian constructed wetlands（CWs）for six years after its stable operation, and monitored running condi