垂直流濕地-水平潛流濕地組合工藝深度處理化工園區(qū)污水廠尾水研究

垂直流濕地-水平潛流濕地組合工藝深度處理化工園區(qū)污水廠尾水研究

江蘇省太湖流區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，污染輕污染行業(yè)比例過高，污染物排放總量明顯超過環(huán)境承載能力。目前,江蘇省環(huán)太湖流域的蘇州市、無(wú)錫市和常州市已建成城鎮(zhèn)污水處理廠242座,日處理能力636.7萬(wàn)t。太湖流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展特點(diǎn)是以鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和工業(yè)園區(qū)為主,因此以工業(yè)廢水為主的污水處理廠占比例較大?；@區(qū)污水處理廠尾水水質(zhì)、水量波動(dòng)大、難降解物質(zhì)多、B/C低等特點(diǎn),造成尾水凈化難度大。人工濕地作為一種新興的生態(tài)處理技術(shù)起源于德國(guó),具有投資少、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低、去除N/P能力強(qiáng)、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、不產(chǎn)生二次污染、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)污水在系統(tǒng)中流動(dòng)方式的差異,人工濕地污水處理系統(tǒng)可分為表面流(SFCW)和潛流(SSFCW)2種類型,后者又分水平流(HSSFCW)和垂直流(VSSFCW)2種布水方式,對(duì)脫氮效果而言,VSSFCW優(yōu)于HSSFCW,復(fù)合垂直流較單一流向較好,間歇運(yùn)行優(yōu)于連續(xù)運(yùn)行。WSSFCW優(yōu)化了傳統(tǒng)潛流人工濕地的流態(tài),污水可在床體內(nèi)進(jìn)行波形流動(dòng),反復(fù)地與濕地系統(tǒng)中的上、中、下層的微生物、根系及基質(zhì)充分接觸。近年來,人工濕地應(yīng)用范圍越來越廣泛,已經(jīng)應(yīng)用于如乳制品廢水、偶氮染料廢水、含硫廢水等處理。然而,利用人工濕地深度處理具有含鹽量較高、難生物降解等化工污水處理廠尾水的研究不多。本研究針對(duì)化工園區(qū)污水廠尾水的特點(diǎn),構(gòu)建了垂直流濕地-水平潛流濕地組合工藝,考察該工藝對(duì)尾水的凈化效果和污染物的遷移變化規(guī)律,重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)物和氮的去除機(jī)理,以期為化工工業(yè)園污水廠尾水深度處理提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1充填層濾料/分液充填體實(shí)驗(yàn)裝置建于江蘇省常熟市某化學(xué)工業(yè)園污水處理廠出水泵房旁。處理系統(tǒng)由垂直潛流濕地(VSCW)和水平潛流濕地(HSCW)串聯(lián)組成。VSCW長(zhǎng)×寬×高=70cm×70cm×100cm,集水區(qū)長(zhǎng)×寬×高=30cm×70cm×100cm,填料層高80cm,由上至下由3層不同粒徑的砂石構(gòu)成,其層高分別為40、30、10cm。在基質(zhì)上方10cm處布設(shè)“豐”型布水管,池底布設(shè)“H”型收集管,出水口設(shè)于集水區(qū),高度在濾料表面下25cm處。在裝置一側(cè)設(shè)4個(gè)采樣口,采樣口處于同一垂直線上,間隔15cm。HSCW長(zhǎng)×寬×高=100cm×50cm×70cm,配水區(qū)長(zhǎng)×寬×高=25cm×50cm×70cm,集水區(qū)長(zhǎng)×寬×高=25cm×50cm×70cm。填料層高60cm,由1層砂石濾料構(gòu)成。配水區(qū)、集水區(qū)通過穿孔板與填料層區(qū)分開,出水口位于集水區(qū),高度在濾料表面下20cm處。裝置一側(cè)設(shè)4個(gè)采樣口,采樣口位于同一水平面上,間隔20cm。2種人工濕地基質(zhì)表面均種植蘆葦,密度為16株/m2。1.2進(jìn)水的水質(zhì)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)用水取自化工工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水泵房尾水,實(shí)驗(yàn)進(jìn)水速率為34.72cm3/d,即進(jìn)水負(fù)荷0.1m/d。實(shí)驗(yàn)期間(2013年7月-2013年10月)進(jìn)水的主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。采集實(shí)驗(yàn)進(jìn)水、VSCW集水區(qū)出水、HSCW配水區(qū)進(jìn)水、集水區(qū)出水以及濕地內(nèi)部采樣口的水樣進(jìn)行檢測(cè),各采樣口分別標(biāo)號(hào)為垂直流進(jìn)水(V進(jìn))、垂直流1(V1)、垂直流2(V2)、垂直流3(V3)、垂直流4(V4)、垂直流出水(V出)、水平流進(jìn)水(H進(jìn))、水平流1(H1)、水平流2(H2)、水平流3(H3)、水平流4(H4)、水平流出水(H出)。1.3理化指標(biāo)檢測(cè)方法對(duì)水樣進(jìn)行檢測(cè)分析,具體指標(biāo)有:總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、亞硝氮(NO2--N)、COD、BOD5、總磷(TP)、氟離子(F-)、氯離子(Cl-)、溶解性總固體(TDS)和pH,具體檢測(cè)方法參照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法。2結(jié)果與討論2.1有機(jī)物的去除研究垂直-水平潛流組合人工濕地在穩(wěn)定運(yùn)行階段對(duì)主要污染物的去除效果可知,由于進(jìn)水中難生物降解有機(jī)物含量較高,BOD5/COD為0.20,可生化性差,因此濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除率較低,僅有43.2%,而對(duì)BOD5的去除率保持在83.2%,表明濕地對(duì)污水中易降解有機(jī)物有較強(qiáng)的去除能力。出水COD為(21.72±2.59)mg/L,BOD5為(1.23±0.39)mg/L。出水水質(zhì)達(dá)到地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);氨氮、總氮去除率分別達(dá)到90.3%及81.2%,出水氨氮、總氮質(zhì)量濃度分別為(0.17±0.13)mg/L、(0.69±0.21)mg/L,達(dá)到地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);濕地系統(tǒng)對(duì)總磷的去除率為64%,出水總磷質(zhì)量濃度(0.02±0.01)mg/L,達(dá)到國(guó)家地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2.2濕地系統(tǒng)各污染物的沿程分布變化2.2.1飲料的去除有機(jī)物能力COD主要通過人工濕地基質(zhì)的截留、過濾以及微生物的代謝降解得到去除。濕地系統(tǒng)內(nèi)COD沿程分布變化如圖1所示,COD隨濕地系統(tǒng)全程有下降的趨勢(shì),表明垂直流-水平流濕地均有去除有機(jī)物能力。在垂直潛流階段,COD在濕地表層及深層(V1、V4)保持較好去除率。研究表明,濕地表層復(fù)氧能力較強(qiáng),能持續(xù)提供利于好氧微生物生長(zhǎng)的富氧環(huán)境。另外,植物對(duì)于有機(jī)物的去除主要集中在其根系區(qū)域。在植物新陳代謝過程中,空氣中的氧通過莖葉輸送到植物根區(qū),為基質(zhì)和根區(qū)周圍的微生物群落大量生長(zhǎng)繁殖提供了適宜的生態(tài)環(huán)境。因此在濕地深層,集中于根區(qū)的好氧微生物有良好的去除有機(jī)物能力。在水平潛流階段,有機(jī)物的去除量較小,由進(jìn)水的26mg/L下降到21.7mg/L。一方面是進(jìn)水有機(jī)物可生化性差,不易被微生物所利用,另外,相對(duì)于垂直潛流濕地,水平潛流由于其自身水力疏導(dǎo)不好,帶氧能力差,不能滿足去除有機(jī)物的富氧環(huán)境,同時(shí)污水與基質(zhì)接觸不充分,影響基質(zhì)對(duì)有機(jī)物的吸附截留。整體而言,有機(jī)物的去除主要集中在垂直潛流階段,水平潛流階段對(duì)出水COD穩(wěn)定起到一定作用。2.2.2質(zhì)量濃度和布水方式對(duì)潛流濕地的凈化效果人工濕地對(duì)氨氮的去除效果由氨化作用與硝化作用共同決定,其影響因素較復(fù)雜。濕地系統(tǒng)內(nèi)氨氮沿程分布變化如圖2所示,經(jīng)過組合人工濕地處理,氨氮質(zhì)量濃度由最初的1.75mg/L下降至0.17mg/L,表明垂直潛流濕地-水平潛流濕地具有良好的去除能力,這與高等研究結(jié)果相一致。他指出,潛流濕地的布水方式與表面流的地表推流方式相比更有利于復(fù)氧和微生物硝化作用的進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn),由于硝化過程中要消耗堿,當(dāng)進(jìn)水pH保持在7.0~7.8時(shí),硝化細(xì)菌活性最強(qiáng)。研究中進(jìn)水pH平均為(7.41±0.36),呈弱堿性,這可能也是造成濕地系統(tǒng)高氨氮去除率的重要因素。2.2.3流濕地中碳源的變化應(yīng)該注意到,反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)需要一定的碳源,而經(jīng)過垂直流濕地處理后,進(jìn)入水平流濕地的碳源可能會(huì)出現(xiàn)不足。因此,改進(jìn)組合人工濕地的進(jìn)水方式可以強(qiáng)化工藝脫氮能力。2.2.4除磷的主要途徑人工濕地對(duì)磷的去除包括化學(xué)和物理吸附、物理過濾、沉積物形成、微生物同化和植物吸收等,其中植物根際微環(huán)境以及植物與微生物的耦合作用可能是人工濕地除磷的主要途徑之一。濕地系統(tǒng)內(nèi)總磷沿程變化如圖4所示,經(jīng)過濕地處理后,總磷質(zhì)量濃度由0.05mg/L降低至0.02mg/L。在垂直潛流階段,在表層(V1)總磷的去除率較高,接著有所降低?？赡苁怯捎谶M(jìn)水中部分非溶解態(tài)磷存在與懸浮固體中,污水經(jīng)濕地后大部分懸浮固體經(jīng)沉淀而去除。而在水平潛流階段,總磷的去除率比較穩(wěn)定,但整體比垂直潛流低。研究發(fā)現(xiàn)垂直潛流濕地的水流方式使污水與填料接觸更加充分,有利于磷的吸附與沉淀。3不同潛流濕地對(duì)氨氮的去除在垂直水平潛流組合人工濕地對(duì)高含鹽工業(yè)污水處理廠尾水的處理中,出水COD和BOD5為(21.72±2.59)、(1.23±0.39)mg/L,出水NH4+-N、TN和TP質(zhì)量濃度分別為(0.17±0.13)、(0.69±0.21)、(0.02±0.01)mg/L。COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP平均去除率分別為43.2%、83.2%、90.3%、81.2%和64%。組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除表現(xiàn)不同。垂直潛流濕地對(duì)有機(jī)物、氨氮、總磷的去除貢獻(xiàn)較大,而水平潛流階段反硝化作用強(qiáng),總氮去除能力高。另外,針對(duì)本研究中水平潛流可能會(huì)出現(xiàn)碳源不足抑制反硝化反應(yīng)的缺點(diǎn),可采用分段進(jìn)水方式,進(jìn)一步提高該工藝的脫氮能力。該人工濕地組合工藝對(duì)于工業(yè)污水處理廠尾水深度處理有良好的效果,具有一定的推廣價(jià)值。在垂直潛流中,由于表層與深層的富氧環(huán)境,硝化細(xì)菌活性較強(qiáng),氨氮去除率均高于中部。另外,由于垂直流濕地表層水體攜帶濕地基質(zhì)表面有機(jī)氮進(jìn)入床體,形成一個(gè)有機(jī)懸浮物積累帶,并且逐漸氨化為氨氮,導(dǎo)致中部氨氮去除率下降。水平潛流濕地對(duì)氨氮的去除低于垂直潛流濕地,這主要是由水平潛流較弱的復(fù)氧能力決定。氨氮在水平潛流濕地中沿程去除率波動(dòng)很小,基本維持在20%左右。人工濕地對(duì)總氮的去除依次需經(jīng)氨化作用、硝化作用及反硝化作用,使污水中各種價(jià)態(tài)氮均轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)氮(N2),從而達(dá)到脫氮的目的。其中氨化和硝化作用為反硝化作用創(chuàng)造條件,反硝化作用才徹底將氮從污水中去除。有研究表明基質(zhì)吸附及植物攝取對(duì)總氮的去除能力較弱,因此本研究未作考慮。濕地系統(tǒng)內(nèi)總氮沿程分布如圖3所示,總氮在濕地系統(tǒng)內(nèi)得到很好的去除,由進(jìn)水3.7mg/L迅速下降至0.69mg/L,去除率達(dá)到了81.2%。這說明組合人工濕地具有良好的脫氮能力。Zhao等研究結(jié)果表明組合人工濕地對(duì)總氮的去除可以達(dá)到90%以上,優(yōu)于本研究結(jié)果。可能是由于該研究采用了間歇曝氣及分段進(jìn)水等方式,強(qiáng)化了濕地微生物硝化及反硝化活性。從圖3中可以看出,垂直潛流主要發(fā)生硝化反應(yīng),將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。尤其在前部(見V1),硝態(tài)氮質(zhì)量濃度明顯升高,由1.2mg/L上升至1.8mg/L,接著出現(xiàn)緩慢下降,表明垂直潛流濕地也發(fā)生一定的反硝化反應(yīng),硝態(tài)氮的生成量小于消耗量。在垂直潛流階段,總氮有了初步去除。而在水平潛流階段,總氮濃度大幅度降低,同時(shí)硝態(tài)氮降低較快,表明在水平潛流階段反硝化菌有較強(qiáng)活性,進(jìn)行反硝化反應(yīng)將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。研究表?垂直潛流濕地在輸氧能力上比較突出,有利于好氧微生物的生長(zhǎng)和硝化反應(yīng)的進(jìn)行,而水平潛流濕地則相反,系統(tǒng)內(nèi)充氧不充分,容易形成厭氧區(qū)域,為反硝化菌的生