人工濕地在污水處理廠二級出水脫氮除磷中的應(yīng)用

人工濕地在污水處理廠二級出水脫氮除磷中的應(yīng)用

改革開放以來，中國的污水處理取得了很大進展，但中國的水環(huán)境品質(zhì)樂觀，水污染防治形勢嚴峻。根據(jù)《2010年中國環(huán)境狀況公報》,全國地表水污染依然較重,七大水系總體為輕度污染,湖泊(水庫)富營養(yǎng)化問題突出。2010年我國共處理城市污水337.2億m3,雖然污水二級生物處理可削減大部分污染物,但二級出水的排放量大,且氮、磷濃度仍然較高,這對自凈能力有限或已受到污染的受納水體來說,并不能從根本上解決受納水體的富營養(yǎng)化問題,只能延緩其發(fā)展趨勢,同時考慮到國際公認的水體發(fā)生富營養(yǎng)化的臨界值(TN0.2mg·L-1、TP0.2mg·L-1),二級出水依舊是造成受納水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。為了改善受納水體的水環(huán)境質(zhì)量,二級出水亟待深度處理。作為典型的生態(tài)處理技術(shù),人工濕地廣泛應(yīng)用于污染水體的水質(zhì)凈化與恢復(fù)、面源污染控制、雨水處理與利用、污水處理等領(lǐng)域,具有投資及維護費用低、出水水質(zhì)好、二次污染小等優(yōu)點,是削減二級出水中氮磷污染物的有效工藝之一。它不僅可滿足二級出水脫氮除磷的水質(zhì)要求,而且可大幅削減進入受納水體的污染負荷,在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求,具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟效益。本文通過文獻調(diào)研,系統(tǒng)總結(jié)我國不同區(qū)域和不同工藝的城市污水二級出水的水質(zhì)特征,并對人工濕地深度處理二級出水的脫氮除磷效果及其運行操作參數(shù)進行總結(jié)和分析,以期為人工濕地在城市污水二級出水中的推廣應(yīng)用提供參考。1處理二、廢水的水質(zhì)特征1.1級出水產(chǎn)污染的分布比較我國和發(fā)達國家污水排放標準(表1)發(fā)現(xiàn),各國污水處理廠排放標準中氮、磷的限值均處于較高水平,這表明在一定程度上二級出水均存在深度處理的需求。表2列舉了我國不同區(qū)域、城市的二級出水主要指標,水質(zhì)呈現(xiàn)明顯的地域特征。(1)區(qū)域:氨氮濃度高于全國平均值(12.63mg·L-1)的區(qū)域依次是華北(20.00mg·L-1)、西北(17.32mg·L-1)、華中(14.67mg·L-1);COD濃度高于全國平均值(51.64mg·L-1)的區(qū)域依次是華東(66.16mg·L-1)、華中(64.47mg·L-1)、西北(55.11mg·L-1)。TP濃度高于全國平均值(1.94mg·L-1)的區(qū)域依次是華中(3.61mg·L-1)、華東(2.68mg·L-1)、華北(2.51mg·L-1)。華中地區(qū)二級出水的有機物、氮、磷均高于全國平均值,西北地區(qū)二級出水的COD、氨氮和TN高于全國平均值,華北地區(qū)二級出水的氨氮、TN和TP高于全國平均值。盡管東北地區(qū)二級出水中三類污染物的濃度處于較低水平,但仍舊超過水體富營養(yǎng)化臨界值,因此仍需深度處理以避免對地表水體產(chǎn)生污染。(2)特大型城市:COD濃度均低于全國平均值(51.64mg·L-1);僅北京二級出水的氨氮和TP濃度高于全國平均值;北京、上海二級出水的TN濃度高于全國平均值(21.54mg·L-1);北京市二級出水氮、磷濃度過高,上海在脫氮方面效果較差;相反,重慶二級出水的氨氮和TN濃度較低;廣州二級出水的TP濃度較低(0.8mg·L-1)。(3)省會城市:四個典型省會城市的分析結(jié)果表明,僅哈爾濱二級出水的COD濃度高于全國平均值;杭州和哈爾濱二級出水的氨氮濃度高于全國平均值;各市二級出水中TN濃度均低于全國平均值,且較為接近;僅西安二級出水中TP濃度超過全國平均值(1.94mg·L-1)。四個城市中,哈爾濱在有機物和氮的去除方面表現(xiàn)較差,但其出水TP濃度最低(0.99mg·L-1)。(4)地(縣)市:選取四個地(縣)級市進行對比分析,二級出水中各種污染物濃度均低于全國平均值,除寶雞市二級出水COD濃度高于其省會城市外,其余均優(yōu)于省會城市;寧波、大慶市二級出水中TP濃度高于相應(yīng)省會城市;寶雞市二級出水TP濃度最低,且低于西安市,表現(xiàn)出較好的除磷效果,但仍高于限值(0.02mg·L-1),需要深度處理。1.2不同二級處理工藝對出水水質(zhì)的影響城市污水二級處理工藝不同,其出水的污染物濃度也不同(表3),這表明城市污水二級處理工藝對其出水水質(zhì)的影響較大。例如,A2/O一體氧化溝和卡魯賽爾氧化溝對有機物和氮的去除效果較好;SBR工藝出水TP濃度較低;CAST工藝對于各目標污染物的去除率均處于中間水平。2濕地的類型以及運行參數(shù)對氮和磷去除的影響2.1濕地的類型和應(yīng)用程序2.1.1人工濕地的除磷效果人工濕地按系統(tǒng)布水方式的不同或者水流方式差異一般分為表面流人工濕地(FWS)和潛流人工濕地(SFS),表面流人工濕地在北美地區(qū)得到了大量的工程應(yīng)用,約占2/3,并可應(yīng)用于某些特殊場合,如污染河道的原位修復(fù)等。但表面流人工濕地易受自然氣候條件影響,負荷低、去污能力有限,而潛流人工濕地的處理效果受氣溫影響小,目前國內(nèi)外的研究和應(yīng)用較多。潛流人工濕地結(jié)構(gòu)不同,則其水流方式也不同,進而影響濕地的脫氮除磷效果。例如:水平潛流和垂直潛流人工濕地內(nèi)部的水力條件存在一定差異,使垂直潛流人工濕地的TN去除效果優(yōu)于水平潛流人工濕地;復(fù)合垂直流人工濕地具有獨特的下行流和上行流兩個串聯(lián)單元,形成了好氧-缺氧、厭氧-好氧的功能區(qū),可通過硝化-反硝化途徑有效去除TN,日益得到重視。如表4所示,復(fù)合垂直流人工濕地表現(xiàn)出良好的氮、磷去除效果,可深度凈化二級出水。2.1.2氮素的轉(zhuǎn)化和去除濕地基質(zhì)、植物和微生物是人工濕地的三大基本要素,對污染物的轉(zhuǎn)化與去除具有重要作用?；|(zhì)的沉淀和吸附作用是磷素最主要的去除途徑,貢獻率高達70%~87%[56,57,58,59,60,61]?；|(zhì)既可通過吸附作用直接去除氨氮,也可通過改變植物根際環(huán)境來影響氮素的轉(zhuǎn)化和去除?；|(zhì)可分為三大類:(1)天然材料:包括礦物、巖石、土壤和海洋沉積物,如白云石、石灰石、硅酸鈣鹽礦、沸石、頁巖等,這些材料既可直接使用,也可經(jīng)過前處理(如碾磨、熱處理等)以提高吸附性能;(2)工業(yè)副產(chǎn)品:主要來自鋼鐵、采礦和發(fā)電三大行業(yè),如高爐礦渣、電弧爐鋼渣、爐渣等,可有效提高廢物的綜合利用效率;(3)人造產(chǎn)品:主要是指輕質(zhì)聚合體(LWA,lightweightaggregates)。基質(zhì)在人工濕地結(jié)構(gòu)中占有最大體積,是人工濕地區(qū)別于自然濕地的重要特征。國內(nèi)外有關(guān)基質(zhì)的研究主要集中在不同基質(zhì)對有機物、氮和磷等污染物的凈化效果及其去除機理。不同基質(zhì)各有優(yōu)缺點,如沸石的氨氮去除效果較好,礫石、鋼渣、煤灰渣等的除磷效果較為顯著。為了充分發(fā)揮各類基質(zhì)優(yōu)勢,人工濕地往往由多種基質(zhì)組成,以有效去除各種污染物,并可同時有效避免堵塞,延長運行周期。2.1.3人工濕地的植物大量研究表明,不同濕地植物在生長速度、污染物的吸收轉(zhuǎn)化能力、泌氧能力等存在顯著差異,這導(dǎo)致基質(zhì)中的微生物種群及數(shù)量有所不同,篩選適宜的植物對穩(wěn)定和提高人工濕地的凈化功能具有重要意義。表面流人工濕地的植被類型較為豐富,包括沉水、浮水、挺水等多種水生植物類型。人工濕地中的植物不僅可以直接吸收、利用污水中可利用態(tài)的營養(yǎng)物質(zhì),吸附和富集重金屬及一些有毒有害物質(zhì),而且輸送氧氣至根區(qū),利于微生物呼吸,其龐大的根系為細菌提供了多樣的生境,利于根區(qū)細菌群落降解多種污染物等。國內(nèi)外最常用的濕地植物種類主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhalatifolia)和燈心草(Juncuseffusus),而鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、黑三棱(RhizomaScirpiYagarae)、水蔥(Scirpusvalidus)等植物也比較常用。從表5可知,大量植物應(yīng)用于表面流人工濕地系統(tǒng),在不同程度上發(fā)揮了脫氮除磷的作用,強化了人工濕地的去除效果。2.1.4人工濕地的n人工濕地可通過多種機制脫氮,包括生物(微生物作用、植物吸收等)、物理(沉積、揮發(fā)等)和化學反應(yīng)(吸附作用)。Vymazal考察了水平潛流人工濕地脫氮情況,認為濕地中N的主要去除機制是有氧區(qū)的硝化細菌和厭氧區(qū)的反硝化細菌共同完成的,有文獻表明,其貢獻率達80%;而揮發(fā)作用、吸附作用和植物吸收在脫氮方面并未發(fā)揮較大作用。人工濕地除磷主要依賴濕地基質(zhì)、水生植物和微生物以及三者之間的聯(lián)合作用,通過一系列復(fù)雜的物理(沉積)、化學(沉淀、吸附)以及生物(植物吸收、微生物吸收與積累)的途徑,實現(xiàn)除磷的目的(表6)。2.2濕地和人工操作2.2.1系統(tǒng)溶解氧低運行操作不僅直接影響人工濕地的脫氮除磷效果,而且在一定程度上決定了人工濕地的系統(tǒng)穩(wěn)定性。人工濕地運行方式可分為連續(xù)運行和間歇運行兩種。Laak等發(fā)現(xiàn),連續(xù)運行較為簡便、快捷,且處理水量更多;但是,僅依靠系統(tǒng)自身復(fù)氧并不能滿足有機物分解和微生物作用的需求,且易造成系統(tǒng)堵塞,進而影響脫氮除磷效果,因而需要通過改變運行方式來增加系統(tǒng)的溶解氧。已有研究表明,垂直流人工濕地采用間歇運行方式可提高系統(tǒng)中的溶解氧水平,從而提高濕地的COD、氨氮和TN去除效果。由表7可知,在水力負荷接近的情況下,復(fù)合垂直流人工濕地間歇運行的氨氮去除效果優(yōu)于連續(xù)運行。氨氮去除主要依靠濕地中微生物的硝化作用,這需要更高的溶解氧濃度,而間歇運行方式可在一定程度上增加復(fù)氧能力,強化硝化作用,使出水氨氮濃度進一步降低。2.2.2水質(zhì)凈化效果在實際應(yīng)用中,當人工濕地的構(gòu)型、植物和基質(zhì)類型等確定后,水力負荷(HLR,hydraulicloadingrate)就成為人工濕地水質(zhì)凈化效果和氧環(huán)境的關(guān)鍵影響因素。優(yōu)化HLR能極大地提高人工濕地的水質(zhì)凈化效果,不同的HLR會影響到污染物在人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部的運移、接觸時間和氧環(huán)境的變化,而氧環(huán)境是微生物活動、有機物降解和氮磷轉(zhuǎn)化的重要影響因素,直接關(guān)系著二級出水脫氮除磷的效果。研究表明,不同水力負荷條件下人工濕地的脫氮除磷效果差別較大。例如,當HLR在一定范圍內(nèi)變化時,垂直潛流人工濕地的TN去除率隨HLR的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為增大HLR就縮短了微生物與氮污染物的接觸時間,不利于硝化、反硝化過程的進行,導(dǎo)致出水中TN濃度有所升高;同時,隨HLR的增加除磷效果逐漸降低,但較TN去除率的下降趨勢緩慢。2.2.3基質(zhì)布置方式基質(zhì)在為植物和微生物提供生長介質(zhì)的同時,還能夠通過沉淀、過濾和吸附等作用直接去除污染物,而基質(zhì)的種類、布置方式等會直接影響其效果。在人工濕地內(nèi)部填充多孔、表面積大的基質(zhì),可改善人工濕地的水力學性能,同時增強污染物(尤其是氮、磷)的去除性能?；|(zhì)布置方式主要包括基質(zhì)種類搭配及其粒徑級配,可根據(jù)二級生化出水的水質(zhì)特點及水質(zhì)凈化要求,選擇合理的基質(zhì)布置方式以強化脫氮除磷效果,并確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。趙發(fā)敏等選取沸石、無煙煤和粉煤灰作為人工濕地基質(zhì),考察比較了不同基質(zhì)布置方式的脫氮效果,結(jié)果表明,沸石、無煙煤和粉煤灰按照1∶2∶1(W/W)混合時,NH4+-N去除率可達95.8%。張翔凌等比較了垂直潛流人工濕地中5種基質(zhì)(沸石、無煙煤、蛭石、高爐鋼渣、生物陶粒)不同布置方式的脫氮除磷效果,結(jié)果表明,在優(yōu)化的基質(zhì)布置方式時(由上至下依次填充無煙煤、生物陶粒、沸石),NH4+-N、TN、TP的去除率分別達到91%、85%和85%以上,同時鋼渣處于組合基質(zhì)底層時的除磷效果較好,并且分層布置基質(zhì)的人工濕地,其脫氮除磷效果優(yōu)于基質(zhì)簡單摻混的人工濕地。2.2.4設(shè)置合適濕地針對二級出水深度凈化的要求和不同人工濕地的優(yōu)缺點,實際應(yīng)用時,可將不同類型的人工濕地串聯(lián)或并聯(lián)。人工濕地的串聯(lián)運行,一定程度上增加了濕地長度,降低了單位面積濕地的負荷量,增加了水力停留時間;而并聯(lián)運行,可增加濕地處理規(guī)模。同時,選擇合適的濕地進行串聯(lián),可以避免一種流態(tài)濕地的自有缺陷,例如:表面流人工濕地能顯著去除有機物,但氮、磷去除有待提高;水平潛流人工濕地因氧氣傳輸限制不能保證硝化作用的有效進行,垂直潛流人工濕地在滿足硝化作用時(復(fù)氧效果良好)卻不能持續(xù)穩(wěn)定地進行反硝化作用。因此,可根據(jù)濕地的水流狀態(tài)、基質(zhì)及水生植物類型差異對各特征污染物的不同作用,合理組合不同類型的濕地,實現(xiàn)二級出水深度凈化的目標。陸琳琳采用復(fù)合垂直流、表面流和潛流人工濕地串聯(lián)的三級組合工藝處理污水,其中第一級濕地的TN和TP平均去除率分別為63.66%和47.78%,第二級濕地的TN和TP平均去除率分別為33.98%和45.42%,第三級濕地的TN和TP平均去除率分別為46.29%和41.35%,組合系統(tǒng)的脫氮除磷效果均能達到80%左右。3不同管理措施人工濕地的運行一般經(jīng)歷兩個階段:系統(tǒng)調(diào)試、植物復(fù)活、根系發(fā)展的不穩(wěn)定階段和植物生長成熟、處理效果良好的穩(wěn)定成熟階段。系統(tǒng)從啟動到成熟一般需要1~2年。實踐證明,當植物經(jīng)過三個生長季節(jié),就可以與雜草競爭。正常運行后,濕地的定期維護至關(guān)重要,包括水利系統(tǒng)與設(shè)施管理、工程管理、基質(zhì)管理、運行管理(布水系統(tǒng)管理)和植物系統(tǒng)管理等方面。人工濕地系統(tǒng)在設(shè)計合理且污水水質(zhì)及水量變化不大的情況下,一方面可自流運行,另一方面也可減少維護工作量。氣候、季節(jié)等對人工濕地的脫氮除磷效果具有很大影響,所以在運行管理方面應(yīng)特別注意。干旱/半干旱地區(qū),應(yīng)挑選合適的時期收割植物,以保證人工濕地有效去除有機物和氨氮;寒冷地區(qū)可通過將水位上升到冰凍面來實現(xiàn)人工濕地保溫和越冬。此外,冬季氣溫較低,易造成濕地處理能力下降,出水水質(zhì)不達標,可對來水進行預(yù)處理,降低進水污染負荷,這在彌補處理能力下降的同時也可預(yù)防床體堵塞。通過試驗發(fā)現(xiàn),即使在寒冷冬季,通過采取隔離保溫措施,人工濕地仍然具有較好的污水處理能力。此外,還可采用改善微生物活性等辦法進一步降解污染物,實現(xiàn)人工濕地冬季出水達標排放。4人工濕地的運行和維護費用及約人工濕地應(yīng)用日益增多,除了技術(shù)優(yōu)勢外,其低廉的建設(shè)投資和運行費用也發(fā)揮了舉足輕重的作用(表8)。例如,山東膠南表面流人工濕地處理廠的運行費用為0.08元·m-3,深圳沙田潛流人工濕地處理廠的運行費用為0.14元·m-3,江蘇杭集鎮(zhèn)生活污水處理廠人工濕地深度處理系統(tǒng)運行費用約為0.184元·m-3。已有分析表明,在滿負荷運行的情況下,不僅人工濕地的所有費用(建設(shè)投資、運行和維護費等)僅約為城市污水處理廠的50%,而且其運行和維護費用穩(wěn)定,同時人工濕地獨特的環(huán)境價值能夠提供其約27%的運行和維護成本,具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?？紤]到人工濕地水力負