基于3d-mikem的潛流人工濕地深度處理污水處理廠尾水溶解有機物特征研究

基于3d-mikem的潛流人工濕地深度處理污水處理廠尾水溶解有機物特征研究

人工濕地處理技術(shù)即使城市污水處理廠的廢水穩(wěn)定達到a級排放標(biāo)準(zhǔn)，也是重要的水源。城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中含有大量溶解性有機質(zhì)(DOM),其中含有一些難于被生物吸收降解的有毒有害成分有機物,當(dāng)直接排入地表水體以后,會由于被生物氧化進而大量消耗水中的溶解氧(DO),造成水體惡臭。同時,對水生生物也會造成生態(tài)毒性,并危害人體健康。因此,有機物的削減是城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理的重要考核指標(biāo)之一。人工濕地作為一種常用的生態(tài)處理技術(shù),具有效率高、投資及能耗低、維護簡單的特點,可以適應(yīng)低濃度污染物去除要求,將人工濕地處理系統(tǒng)作為常規(guī)生物處理工藝的補充,能夠最大限度地削減受納水體的污染物負(fù)荷。近年來,利用人工濕地對尾水深度處理的相關(guān)研究已有一些報道,對尾水中有機物的去除效果往往只是采用傳統(tǒng)的表觀有機物指標(biāo)如COD等進行評價,這些指標(biāo)很難反映人工濕地處理在尾水處理過程中各類溶解有機物組成和含量的變化特征。三維熒光光譜(3D-EEM)是近年來廣泛用于研究DOM熒光性質(zhì)的一種分析技術(shù),同時也是一種新型的水質(zhì)分析方法,三維光譜圖中熒光峰的位置可定性指示熒光物質(zhì)的類型和性質(zhì),熒光光譜以水中各類有機物的特征熒光強度之和表示水中熒光類有機物的綜合含量,以特征熒光峰中心最大熒光強度作為表征水中某類溶解性有機物含量的指標(biāo),與傳統(tǒng)表征有機物含量的水質(zhì)參數(shù)相比,不僅能反映有機物的濃度,同時還可以提供有機物組成成分的信息。但是,目前關(guān)于人工濕地處理城鎮(zhèn)污水廠尾水過程中DOM的三維熒光特征研究還鮮有報道。本文通過人工濕地小試裝置,采用三維熒光光譜掃描(3D-EEM)技術(shù),研究了城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中有機物在兩種不同基質(zhì)潛流人工濕地中的光譜特征變化,以評價和探討潛流人工濕地系統(tǒng)對尾水中有機物的去除效果及其可能的機理。1實驗裝置與運行水質(zhì)選擇水力負(fù)荷較高的水平潛流濕地系統(tǒng)作為研究平臺。濕地裝置材料采用厚度為10mm的PVC硬質(zhì)塑料板,尺寸均為長×寬×深=1.55m×0.4m×0.8m。填料填充高度為0.7m,有效水深0.6m,植物栽種密度為16株·m-2。進水采用穿孔管布水,經(jīng)過粒徑30~50mm礫石布水區(qū)進入濕地填料床。出水經(jīng)粒徑30~50mm礫石收水區(qū)進入底部穿孔管,流出濕地系統(tǒng),試驗裝置如圖1所示。實驗裝置共2套,分別為陶?；|(zhì)(CW-1)和沸石基質(zhì)濕地系統(tǒng)(CW-2),濕地植物皆為黃菖蒲(Irispseudacorus)。小試裝置構(gòu)建于2009年11月,啟動初期采用崇明城橋污水處理廠生活污水接種,啟動期間間歇運行,日均換水45L。2010年3月初人工濕地開始正式運行。實驗用水取自上海市崇明縣城橋鎮(zhèn)污水處理廠的二沉池出水,試驗期間(2010年4月—2010年12月)進水主要污染物濃度分別為:CODcr46.4~82.7mg·L-1;TN4.51~11.3mg·L-1;TP0.502~0.711mg·L-1;NH3-N0.716~3.0mg·L-1,其平均C/N比為8.36。由此可以看出,該污水廠尾水除了CODcr有超標(biāo)外,其他各項指標(biāo)均達到城鎮(zhèn)污水廠污水排放一級A標(biāo)準(zhǔn)。潛流人工濕地系統(tǒng)運行2個月穩(wěn)定期后,沿程和不同深度各取樣點開始采集水樣,每月取樣1次,并立即帶回實驗室分析。水樣中CODcr采用重鉻酸鉀法測定;水樣中溶解性有機碳(DOC)測定:水樣用0.45μm膜過濾之后,加酸調(diào)至pH<2,直接上TOC分析儀測定(TOC-VCPNAnalyzer,日本島津);其他常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。DOM三維熒光光譜采用HITACHIF4500型熒光光度計測定,測定之前,用0.45μmWhatmanGF/F膜過濾進行預(yù)處理。考慮到濕地進、出水中DOM較地表水明顯要高,水樣用去離子水稀釋10倍。儀器光源為150W氙燈,光電倍增管電壓為700V,激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為10nm。激發(fā)波長λex與發(fā)射波長λem掃描范圍分別為200~400nm及250~550nm,掃描速度為12000nm·min-1。2結(jié)果與討論2.1不同基質(zhì)人工濕地對cod、ro兩種不同類型基質(zhì)潛流人工濕地系統(tǒng)進出水有機物濃度(以CODcr和DOC來表示)以及平均去除率如圖2所示。由圖2可明顯看出,兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對污水廠尾水中有機物均具有較好的深度凈化能力,而且隨季節(jié)變化明顯。除試運行階段(3月份)外,陶粒和沸石基質(zhì)人工濕地出水COD均低于30mg·L-1,穩(wěn)定達到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),其平均去除率分別為63.0%和60.2%。與CODcr類似,陶粒和沸石兩種基質(zhì)潛流人工濕地對尾水中DOC也具有較好的去除效果,其去除率分別達到73.2%和66.9%,人工濕地出水DOC濃度較為穩(wěn)定,均低于5mg·L-1。通過比較發(fā)現(xiàn),陶?；|(zhì)人工濕地對污水廠尾水中有機物的去除效果總體略高于沸石基質(zhì)人工濕地,特別是對尾水中DOC的去除作用,陶?；|(zhì)人工濕地較沸石基質(zhì)濕地高出10.6%,這可能與不同基質(zhì)濕地所蘊含的與有機物降解相關(guān)的微生物生物量與群落結(jié)構(gòu)差異有關(guān)系。2.2m峰和t峰的熒光強度水平潛流人工濕地采樣點水樣中溶解性有機物的EEMs圖譜見圖3所示。在進水中可以分辨出有四個熒光峰出現(xiàn),分別是可見類富里酸M、紫外類富里酸A、類色氨酸S和類色氨酸T。分析EEMs數(shù)據(jù)中四個特征峰的出峰位置及熒光強度變化(表1)可看出,出水中M峰的相對熒光強度分別降低了19.15%和13.58%,S峰降低了3.51%和2.17%,T峰降低了10.67%和12.64%,而A峰幾乎沒有發(fā)生變化。M峰和T峰的熒光強度在沿程上逐漸減小,M峰和T峰基本上全都是在人工濕地的前1/2段被削減,S峰呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。S峰和T峰屬于類蛋白物質(zhì),其中S峰為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì),T峰為溶解性微生物代謝產(chǎn)物;M峰和A峰屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì)。有研究表明,類蛋白峰能很好的表征水環(huán)境的污染狀況,一般生活污水或微生物活動強烈的水體都可以表現(xiàn)出極強的類蛋白熒光,因此可以把S和T峰的削減視為有機污染物在濕地系統(tǒng)中的分解去除作用。同時可以發(fā)現(xiàn),雖然T峰是溶解性的微生物代謝產(chǎn)物,但是還是能夠被濕地中的植物、微生物所分解利用,S峰的熒光強度并沒有明顯的減小,這可能是因為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)不能夠為濕地中微生物所降解利用。M峰為可見類富里酸,A峰為紫外類富里酸物質(zhì),都屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì),M峰熒光強度的明顯降低說明了潛流人工濕地系統(tǒng)只對類腐殖質(zhì)中的可見類富里酸具有削減作用。一般來說,類腐殖質(zhì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難于分解,較難被生物利用,而本研究中人工濕地系統(tǒng)對其卻有較好去除作用。2.3濕地出水污染程度與熒光指數(shù)f50/500對富里酸芳香性的影響熒光指數(shù)(fluorescenceindex,f450/500)可表征DOM中腐殖質(zhì)的來源。f450/500是指激發(fā)光波長Ex為370nm時,熒光發(fā)射光譜在450與500nm處強度比值。McKnight等提出,陸源DOM和生物來源DOM這兩個端源f450/500值分別為1.4和1.9。本研究中人工濕地進出水的f450/500值分別為1.84(進水)、1.91(CW-1出水)、1.81(CW-2出水)(表2),說明濕地水樣中的腐殖質(zhì)主要為生物來源。同時,熒光指數(shù)f450/500與富里酸芳香性成負(fù)相關(guān),較高的f450/500值揭示了濕地出水中腐殖類物質(zhì)芳香性較弱,含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)較少。一些研究認(rèn)為類蛋白熒光強度與可見區(qū)類富里酸熒光強度比r(S,M)一般可以反映水體的污染情況。r(S,M)計算公式為r(S,M)=IS/IM其中IS和IM分別為類蛋白熒光強度和可見區(qū)類富里酸熒光強度。各點的r(S,M)值見表2。r(S,M)值在1.13~1.40之間。而研究受污染河流DOM的r(S,M)一般大于1.5,說明濕地進出水的污染程度不高。紫外類富里酸熒光強度與可見區(qū)類富里酸熒光強度比值r(A,M)是一個與有機質(zhì)結(jié)構(gòu)和成熟度有關(guān)的指標(biāo),r(A,M)值受有機質(zhì)分子的大小、溶液pH值等因素影響。r(A,M)計算公式為r(A,M)=IA/IM其中FA和FM分別為紫外類富里酸熒光強度和可見區(qū)類富里酸熒光強度。r(A,M)值如果發(fā)生變化,說明在DOM中至少含有兩種類型的富里酸熒光基團。如果只含有一種基團,則r(A,M)應(yīng)該為一定值。系統(tǒng)各點r(A,M)見表2,r(A,M)值發(fā)生了變化,說明系統(tǒng)進出水DOM中不止含有一種富里酸熒光基團。腐殖化指數(shù)(HIX)可以用于估算有機質(zhì)的腐殖化程度或成熟度,HIX是H/L的比值,定義為波長254nm激發(fā)下,發(fā)射波長在435~480nm(H)與300~345nm(L)波段內(nèi)的熒光強度平均值的比率。濕地中各點的HIX見表2,可見HIX值均小于4,說明人工濕地進出水腐殖化程度都較低,濕地中的有機物有可能來自于微生物的生命活動和死亡分解。3潛流人工濕地的熒光指標(biāo)(1)本研究所構(gòu)建的兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地對城鎮(zhèn)污水廠尾水中有機物具有較好的深度凈化作用,對尾水中DOC和CODcr的去除率分別達到61.6%和70.1%,且存在明顯的季節(jié)變化,說明水平潛流人工濕地對尾水中有機物的去除效率與溫度關(guān)系密切。陶?；|(zhì)潛流人工濕地對DOC的去除率要明顯優(yōu)于沸石基質(zhì)潛流人工濕地。(2)濕地進水中表征出4類溶解性有機物,色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)S、溶解性微生物代謝產(chǎn)物T、可見類富里酸M、紫外類富里酸物質(zhì)A。經(jīng)過人工濕地凈化處理后,出水中M峰、S峰、T峰的相對熒光強度都有不同程度的降低,A峰幾乎沒有發(fā)生變化;