利用垂直流人工濕地小試系統(tǒng)處理豬場(chǎng)污水啟動(dòng)及負(fù)荷提升階段運(yùn)行小結(jié)

利用垂直流人工濕地小試系統(tǒng)處理豬場(chǎng)污水啟動(dòng)及負(fù)荷提升階段運(yùn)行小結(jié)【摘要】：考察了三套采用不同填料的垂直流人工濕地系統(tǒng)在啟動(dòng)及負(fù)荷提升期的性能表現(xiàn)，分析發(fā)現(xiàn)：垂直流系統(tǒng)對(duì)污水中的CODCr，NH4+-N、TP去除效果比較穩(wěn)定，三個(gè)系統(tǒng)在CODC.去除方面差別不是很大；在氨氮去除方面，沸石型和沸石-煤渣型CW較傳統(tǒng)型CW有較好的抗沖擊負(fù)荷能力，在TP去除上傳統(tǒng)型CW效果最好；由于垂直流濕地系統(tǒng)的反硝化能力較弱（NO3--N得不到高效去除），因此三套系統(tǒng)對(duì)TN去除率都普遍較低?！娟P(guān)鍵詞】：垂直流人工濕地豬場(chǎng)污水性能表現(xiàn)1、 前言近年來，人工濕地污水處理系統(tǒng)以其高效、低耗、低運(yùn)行成本已經(jīng)在污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了比較好的效果，但還存在著一些問題，如污水中氨氮難以去除J其去除率低，一般不超過60%，而且不能持續(xù)、穩(wěn)定的去除，水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。且由于氨氮是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因子之一，因此必須提高人工濕地去除污水中氨氮的能力。近十幾年來，國(guó)內(nèi)對(duì)水平潛流人工濕地系統(tǒng)的研究相對(duì)較多，有關(guān)垂直流人工濕地的研究報(bào)道則相對(duì)較少。而在高濃度氨氮污水處理方面，垂直流濕地有著水平流濕地?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍罢呖沙惺茌^大的污染負(fù)荷，并能達(dá)到很好的硝化效果，而后者則必須在較低的污染負(fù)荷下（不超過0.2gTKN/m2.d），采用很大面積才能達(dá)到較好的硝化脫氮效果⑵。因此無論從硝化功能或是經(jīng)濟(jì)角度來看，垂直流濕地均優(yōu)于水平流濕地。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃谏鲜鲅芯考皩?shí)踐基礎(chǔ)上，采用碎石、沸石、煤渣等作為填料，模擬三套人工濕地小試裝置，充分發(fā)揮垂直流濕地高效的硝化與凈化能力來處理豬場(chǎng)污水，使其達(dá)到一般農(nóng)業(yè)灌溉水回用標(biāo)準(zhǔn)。2、 實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1垂直流人工濕地小試裝置流程示意圖：

布水管10cm細(xì)沙層虹吸出水布水管10cm細(xì)沙層虹吸出水2.2反應(yīng)器及選用填料、植物反應(yīng)器設(shè)計(jì):垂直流濕地尺寸為0.5mx0.5mx0.7m，粒徑從下到上逐漸減小。表層是10cm厚、粒徑0-5mm的細(xì)沙層，中間層為30cm厚、粒徑為8-16mm的填料層，底部為20cm厚、粒徑16-32mm的礫石排水層。本試驗(yàn)三個(gè)反應(yīng)器填料充填方式如下表:表1反應(yīng)器填料構(gòu)成及充填方式反應(yīng)器編號(hào)、類型①傳統(tǒng)型②沸石型③沸石-煤渣型填料底層20cm①16-32礫石①16-32礫石①16-32礫石填料中間層30cm①4-8mm碎石①4-8mm碎石+沸石①4-8mm煤渣+沸石填料表層10cm①0~2mm細(xì)沙①0~2mm細(xì)沙①0~2mm細(xì)沙選用填料:碎石、沸石、煤渣2.2實(shí)驗(yàn)方法引畜禽廢水進(jìn)入小試系統(tǒng)，使?jié)竦刂饾u適應(yīng)由低到高的污染負(fù)荷。按1：9、1：4、1：3、1：2、1：1逐漸進(jìn)行稀釋進(jìn)水。

進(jìn)水水力負(fù)荷和落干時(shí)間參數(shù)見表2表2進(jìn)水水力負(fù)荷和落干時(shí)間參數(shù)稀釋十倍稀釋五倍稀釋四倍稀釋三倍稀釋二倍水力負(fù)荷10cm/d7.5cm/d7.5cm/d7.5cm/d7.5cm/d流量104ml/min52ml/min52ml/min52ml/min52ml/min進(jìn)水次數(shù)（60min/次）816161616停留時(shí)間32h64h64h64h64h排水落干1.0d1.67d1.67d1.67d1.67d2.3水樣分析方法[3]DO：溶解氧儀法；pH值：pHS-3C型酸度計(jì)；TN：過硫酸鉀氧化一紫外分光光度法；NH4+-N:納式試劑光度法；NO3--N:紫外分光光度法；CODC.：重格酸鉀法；TP：鉬銻抗分光光度法。3、結(jié)果與討論豬場(chǎng)污水水質(zhì)受多種內(nèi)在因素以及天氣狀況等外部因素影響，水質(zhì)參數(shù)變化較大，因此反應(yīng)器進(jìn)水污染負(fù)荷波動(dòng)較大，但個(gè)反應(yīng)器污水污染物的去除率還是隨著不同的進(jìn)水負(fù)荷有著明顯的差異。3.1污染物去除效果1、CODCr去除效果進(jìn)水周期進(jìn)水一■-傳統(tǒng)型CWTl沸石型CWT—沸石-煤渣型CW圖1啟動(dòng)期各進(jìn)水周期進(jìn)出水中COD濃度變化

7001000)600/500(400度300濃2007001000)600/500(400度300濃200不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口進(jìn)水 口傳統(tǒng)型CW □沸石型CW □沸石-煤渣型CW圖2啟動(dòng)期各階段進(jìn)出水中COD濃度變化ooooO^8642>%<率效除去，不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口傳統(tǒng)型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖3啟動(dòng)期各階段COD去除效率各個(gè)反應(yīng)器三個(gè)負(fù)荷階段進(jìn)出水CODCr變化如圖1、2所示，從圖1可以看出，雖然進(jìn)水污染負(fù)荷變化較大（由于天氣和其他未知因素），但三個(gè)反應(yīng)器出水CODCr值還是比較穩(wěn)定，三個(gè)系統(tǒng)出水CODCr去除率基本都在80%左右，沸石型系統(tǒng)較其他兩個(gè)系統(tǒng)略差，但其出水CODCr也在100mg/L左右。從圖3，三個(gè)階段的CODC,去除率變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)水污染負(fù)荷提升，三個(gè)反應(yīng)器的去除效率呈緩慢下降趨勢(shì)，但下降幅度不是很大，去除率穩(wěn)定在70?80%左右，由此表明，垂直流濕地有較高的穩(wěn)定性，有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。KatrinVOnFelde等人［4］研究發(fā)現(xiàn)，垂直流濕地系統(tǒng)中，CODCr的降解主要發(fā)生在25cm的上層濕地空間；而硝化反應(yīng)則主要發(fā)生在上部45?60cm，這一區(qū)域硝化作用比較充分，可以產(chǎn)生80%的NO3--N，而這其中的表層區(qū)域（0?15cm）的硝酸鹽還原酶活性是下層（15?60cm）的10倍以上。Boller等認(rèn)為，垂直流濕地溢流或者經(jīng)常性的小流量進(jìn)水會(huì)降低處理效率，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致上層區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間充水，不利于上層空間氧氣的補(bǔ)充（氧在水中的擴(kuò)散比在空氣中擴(kuò)散慢1000倍），在水力負(fù)荷一定的情況下，可分少次進(jìn)水，加大每次布水量。因此，通過調(diào)整改進(jìn)操作運(yùn)行方式，可以促進(jìn)上層區(qū)域氧氣的補(bǔ)充，從而提高處理效率。2、NH4+-N去除效果（度濃氮氨250200150100500（度濃氮氨2502001501005000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15進(jìn)水周期T一進(jìn)水T—傳統(tǒng)型CW▲沸石型CW一君一沸石-煤渣型CW圖4啟動(dòng)期各進(jìn)水周期進(jìn)出水中氨氮濃度變化不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口進(jìn)水口傳統(tǒng)型CW□沸石型CW□沸石-煤渣型CW70(率效除去氮氨120不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口進(jìn)水口傳統(tǒng)型CW□沸石型CW□沸石-煤渣型CW70(率效除去氮氨120)1000不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口傳統(tǒng)型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖6啟動(dòng)期各階段氨氮去除效率02圖5啟動(dòng)期各階段進(jìn)出水中氨氮濃度變化進(jìn)出水中氨氮濃度變化如圖4、5所示。在三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)水污染負(fù)荷下，進(jìn)水平均氨氮濃度從84.1mg/L提高到165.1mg/L，盡管進(jìn)水中負(fù)荷變化較大，但三個(gè)反應(yīng)器的去除效率還是比較穩(wěn)定的，雖然隨負(fù)荷的提升，去除效率有一定程度下降，但是由圖6可發(fā)現(xiàn)，沸石型和沸石-煤渣型反應(yīng)器的去除效率較傳統(tǒng)型垂直流系統(tǒng)好，去除效率基本保持在90%以上，三個(gè)反應(yīng)器之間的去除率差異隨著進(jìn)水負(fù)荷提高也逐漸顯現(xiàn)，傳統(tǒng)型反應(yīng)器氨氮的平均去除率已從96.3%下降到82.4%，其與沸石型、沸石-煤渣型反應(yīng)器出水中氨氮平均濃度差別明顯為17.4?20.7mg/L。由此可以看出，利用沸石，以及沸石煤渣混合填料的反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水氨氮的抗沖擊能力明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)型的垂直流，對(duì)于處理更高濃度的含氨氮污水來說，改進(jìn)型反應(yīng)器更具有穩(wěn)定、可靠的特性。這可能與這兩個(gè)反應(yīng)器中的填料配比有關(guān)，沸石對(duì)水中氨氮有很強(qiáng)的吸附作用，因此能承受較高濃度的含氨氮污水，而煤渣也是一種孔隙率很高的填料，因此在系統(tǒng)充氧能力和吸附性能上都有一定優(yōu)勢(shì)，所以，對(duì)于高濃度含氨氮污水，反應(yīng)器的處理效率及抗沖擊能力大小依次為：沸石-煤渣型CW＞沸石型CW＞傳統(tǒng)型CW根據(jù)他人的研究發(fā)現(xiàn)，垂直流濕地系統(tǒng)在污染負(fù)荷提升后去除效率會(huì)下降是由于其層內(nèi)的供氧不夠，為此，在前人的研究基礎(chǔ)上：Platzer⑵推導(dǎo)出垂直流濕地中需氧量的計(jì)算公式:Oxygendemand(OD)[g/d]=0.85-0.7-CSB[g/d]+4.3-TKN.、g/d]-0.1-2.9-TKN.\g/d]因此，目前應(yīng)該關(guān)注于垂直流濕地系統(tǒng)的有效充氧，以及進(jìn)水運(yùn)行方式的調(diào)整。一些研究人員提出的提高垂直流系統(tǒng)充氧能力的措施如下[4]間歇性進(jìn)水：使表層有一定落干時(shí)間，對(duì)于中型砂礫床濕地1~2次/天，對(duì)于大型礫石型濕地可增加頻率，減少每次進(jìn)水量(v5mm/次)。(Boilereta/1993)；交替的間歇系統(tǒng)：采用兩套并行的濕地系統(tǒng)，最好使其落干期為進(jìn)水期的兩倍以使系

統(tǒng)得到充分的休息。(Guilloteau,1992)避免溢流和經(jīng)常性充水的情況；種植濕地植物，通過植物根部進(jìn)行充氧。3、TN、TP去除效果口進(jìn)水口傳統(tǒng)型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖7啟動(dòng)期各階段進(jìn)出水中TN口進(jìn)水口傳統(tǒng)型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖7啟動(dòng)期各階段進(jìn)出水中TN濃度變化1:9稀釋進(jìn)水 1:4稀釋進(jìn)水 1:3稀釋進(jìn)水口進(jìn)水口傳統(tǒng)型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖8啟動(dòng)期各階段進(jìn)出水中TP濃度變化1:9稀釋進(jìn)水 1:4稀釋進(jìn)水 1:3稀釋進(jìn)水不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口傳統(tǒng)型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖9啟動(dòng)期各階段TP去除效率豬場(chǎng)污水中氮素主要以有機(jī)氮、氨氮(41.8?51.0%)形式存在，硝化以及填料的吸附作用是氨氮的主要去除途徑。三個(gè)反應(yīng)器中，傳統(tǒng)型CW主要靠硝化作用去除氨氮，沸石型和沸石-煤渣型CW則靠硝化與吸附共同作用去除氨氮；而污水中的有機(jī)氮主要靠系統(tǒng)中的微生物氨化為NH4+-N，然后再被氧化成NO3--N。由圖7可以看出，三個(gè)小試系統(tǒng)TN的去除率不是很高，主要是由于垂直流濕地系統(tǒng)充氧能力較好，對(duì)于氨氮有較好的硝化去除能力，而對(duì)NO3--N的反硝化能力很弱，由此傳統(tǒng)型濕地系統(tǒng)的TN進(jìn)水前后基本變化不大，沸石型、煤渣-沸石型由于吸附了一定的氨氮，因此有一定去除，但是反硝化和有機(jī)氮礦化能力依然缺乏。JohannesLaber等人⑸采用回流硝化出水的方法，以提高TN的去除率，研究發(fā)現(xiàn)，回流50?60%的垂直流濕地出水至前段的沉淀池，使其與原污水混合，可以為反硝化提供0源及缺氧的環(huán)境，促進(jìn)反硝化，整個(gè)系統(tǒng)的TN去除率可達(dá)到78%左右，效果非常突出。S.Kantawanichkul等［6］設(shè)計(jì)了一種垂直流與水平流為一體的人工濕地裝置，垂直流出水進(jìn)入后段的水平流濕地，也能達(dá)到很好的TN去除效果。垂直流人工濕地系統(tǒng)磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化學(xué)吸附和沉淀作用和微生物的同化作用以及植物攝取作用［7,8］。其中化學(xué)吸附沉淀與微生物的同化作用為磷的主要去除途徑（貢獻(xiàn)率50?65%）［9］。由圖8、9可知，傳統(tǒng)型濕地系統(tǒng)對(duì)污水中磷的去除效果最好，采用沸石的反應(yīng)器去除效果較差，可能這是由于沸石的選擇性吸附特性決定，其只對(duì)污水中氨氮有較好的吸附效果，對(duì)P的吸附能力很差，而煤渣吸附性能略好于沸石。3.2系統(tǒng)充氧和硝化性能分析1:9稀釋進(jìn)水 1:4稀釋進(jìn)水 1:3稀釋進(jìn)水不同污染負(fù)荷進(jìn)水階段口進(jìn)水口傳統(tǒng)型CW□沸石型CW口沸石-煤渣型CW圖10啟動(dòng)期各階段進(jìn)出水中NO3-N濃度變化由圖10可知，在傳統(tǒng)型CW中，填料生物膜上硝化菌群非常繁殖，隨著進(jìn)水污染負(fù)荷的不斷提升，出水NO3--N濃度逐漸升高，硝化作用比較完全，一般出水濃度略高于進(jìn)水NH4+-N濃度，說明部分氨化的有機(jī)氮也被硝化去除。而沸石型、沸石-煤渣型CW出水NO3--N濃度并沒有期望中那么高，但是比較其NH4+-N及TN的去除率，這兩種反應(yīng)器優(yōu)于傳統(tǒng)型，說明對(duì)氨氮有很強(qiáng)選擇性吸附的沸石起了關(guān)鍵性作用，對(duì)于中高濃度的含氮污水，沸石可緩沖負(fù)荷，暫時(shí)吸附，同時(shí)也表明，沸石型與沸石-煤渣型系統(tǒng)有更高的抗污染負(fù)荷和處理能力。LahavO.等"］研究發(fā)現(xiàn)，用沸石處理40mg/L的污水，停留2分鐘，可去除95%以上的氨氮。沸石再生階段。反應(yīng)器中固定的生物膜、流態(tài)化的良好的微生態(tài)環(huán)境利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。在三個(gè)反應(yīng)器中，都出現(xiàn)某次出水的NO3--N濃度會(huì)突然增大這種現(xiàn)象，這是由于反應(yīng)器內(nèi)填料中吸附或截留的氨氮、有機(jī)氮等在落干期被硝化后排出，通常發(fā)生的進(jìn)水負(fù)荷提升后的2?3個(gè)進(jìn)水周期，單次NO3--N排出濃度會(huì)比較高?？赡苁怯捎谶@個(gè)時(shí)期的反應(yīng)器內(nèi)的微生物環(huán)境還沒有充分適應(yīng)較高的污染負(fù)荷導(dǎo)致。三個(gè)反應(yīng)器在負(fù)荷提升期間，DO值比較穩(wěn)定，由最初的1.0mg/L逐漸下降至第二階段的0.6?0.8mg/L，再繼續(xù)降至第三階段的0.3?0.4mg/L。由此可發(fā)現(xiàn)，DO值與進(jìn)水負(fù)荷呈顯著的負(fù)相關(guān)，這是由于進(jìn)水中有機(jī)物、氨氮濃度提高，相應(yīng)需氧量增大，導(dǎo)致DO消耗增加，因此，在垂直流系統(tǒng)處理較高濃度的有機(jī)污水時(shí)，必須保證其供氧，否則會(huì)導(dǎo)致處理效率的下降。在下一步實(shí)驗(yàn)中將繼續(xù)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，并采取措施改善系統(tǒng)的充氧能力。4、 結(jié)論?隨著進(jìn)水污染負(fù)荷提升，三個(gè)反應(yīng)器對(duì)CODCr去除效率呈緩慢下降趨勢(shì)，但下降幅度不是很大，去除率穩(wěn)定在70?80%左右，由此表明，垂直流濕地有較高的穩(wěn)定性，有一定的抗有機(jī)沖擊負(fù)荷能力；?三個(gè)反應(yīng)器氨氮去除效率隨著進(jìn)水污染負(fù)荷提升有較明顯差異，對(duì)于高濃度含氨氮污水，反應(yīng)器的處理效率及抗沖擊能力為:沸石-煤渣型CW＞沸石型CW＞傳統(tǒng)型CW；?小試系統(tǒng)對(duì)NO3--N的反硝化能力很弱，因此傳統(tǒng)型濕地系統(tǒng)的TN進(jìn)水前后基本變化不大，沸石型、煤渣-沸石型由于吸附了一定的氨氮，因此有一定去除，但是垂直流濕地系統(tǒng)反硝化和有機(jī)氮礦化能力依然缺乏；?沸石型、沸石-煤渣型CW出水NO3--N濃度低于傳統(tǒng)型濕地，但是比較其NH4+-N及TN的去除率，這兩種反應(yīng)器優(yōu)于傳統(tǒng)型，填料中的沸石起了關(guān)鍵性作用，實(shí)驗(yàn)表明，沸石型與沸石-煤渣型系統(tǒng)有更高的抗污染負(fù)荷和處理能力。5、 下一步研究展望繼續(xù)提升反應(yīng)器進(jìn)水負(fù)荷，監(jiān)測(cè)三套系統(tǒng)在更高進(jìn)水濃度下的表現(xiàn)；在保持進(jìn)水濃度不變的情況下，調(diào)整進(jìn)水頻率與流量，找出最佳的污水投配參數(shù)；種植濕地植物，提高垂直流濕地表層的充氧能力。參考文獻(xiàn):孫廣智，于忠明.人工蘆葦床污水處理技術(shù).污染防治技術(shù)，199912(1):1-4ChristophPlatzer..Designrecommendationsforsubsurfaceflowconstructedwetlandsfornitrificationanddenitrification.Wat.Sci.Tech.,1999,40(3):257-263國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局編.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)，中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，北京，2002KatrinvonFelde,SabineKunst,N-andCOD-removalinvertical-flowsystems.Wat.Sci.Tech.,1997,35(5):79-85JohannesLaber,ReinhardPerflerandRaimundHaberl,Twostrategiesforadvancednitrogeneliminationinverticalflowconstructedwetlands.Wat.Sci.Tech.,19