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        人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化淺析

        2017-03-29 05:19:29李煥青侯佳尹惟惟
        海河水利 2017年1期
        關(guān)鍵詞:底料礫石填料

        李煥青,侯佳,尹惟惟

        (1.天津市水務(wù)局,天津300074;2.天津市南水北調(diào)曹莊管理處,天津300074;3.天津市排水管理處,天津300202)

        人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化淺析

        李煥青1,侯佳2,尹惟惟3

        (1.天津市水務(wù)局,天津300074;2.天津市南水北調(diào)曹莊管理處,天津300074;3.天津市排水管理處,天津300202)

        人工濕地作為一種自然生物處理方法,可以改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu),促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。濕地池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響濕地系統(tǒng)對氮和磷去除效果的重要因素。通過試驗(yàn)得出結(jié)論,波式流濕地對污染物的去除效果好且投資費(fèi)用低,是一種較為理想的濕地結(jié)構(gòu)形式。

        人工濕地;填料結(jié)構(gòu);曝氣;污染負(fù)荷;濕地結(jié)構(gòu)

        近年來,隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長,城市和農(nóng)村的污染情況不斷升級,嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活。目前,天津市農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量普遍較差,已嚴(yán)重影響到農(nóng)村居民的居住環(huán)境,直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,威脅廣大人民群眾的身體健康。人工濕地處理技術(shù)正是研究開發(fā)解決這一問題的新技術(shù)。人工濕地作為一種自然生物處理方法,可以改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu),促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。濕地池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響濕地系統(tǒng)對氮和磷去除效果的重要因素,本文通過試驗(yàn)進(jìn)行人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

        1 填料結(jié)構(gòu)對水體凈化效果的影響

        本研究試驗(yàn)共設(shè)2套裝置。其中,第1套裝置以頁巖和粗礫石作為填料基質(zhì),下行潛流濕地單元填充35 cm厚粗礫石作為底料,起收水和支撐作用,粗礫石上填充45 cm厚頁巖作為主填料層,最后為防止進(jìn)水管堵塞,在頁巖表面填充10 cm厚粗礫石。上行潛流濕地單元填充50 cm厚頁巖為主填料,底料粗礫石為40 cm厚,最后為防止出水管堵塞,在頁巖上填充10cm厚粗礫石。

        第2套裝置除頁巖和粗礫石外又加入了生物填料作為填料基質(zhì),下行潛流濕地單元填充35 cm厚粗礫石作為底料,粗礫石上填充35 cm厚頁巖和10 cm厚生物填料作為主填料層,最后為防止進(jìn)水管堵塞,在頁巖表面填充10 cm厚粗礫石。上行潛流濕地單元填充40 cm厚粗礫石作為底料,粗礫石上填充40 cm厚頁巖和10 cm厚生物填料為主填料,最后為防止出水管堵塞,在頁巖上填充10 cm厚粗礫石。2套裝置的填料結(jié)構(gòu),如圖1所示。

        圖12 種填料結(jié)構(gòu)人工濕地模擬裝置

        試驗(yàn)開始前,分別在每個(gè)濕地單元內(nèi)種植8株生物量相當(dāng)?shù)南闫炎鳛闈竦刂参铩V参锓N植的第1周,由于環(huán)境條件的改變,香蒲大部分地上植物組織(莖和葉)枯萎。為防止死亡的地上組織(莖和葉)脫落入潛流濕地,將所有地上植物組織清除。經(jīng)過約2周的維護(hù),新的幼株高度達(dá)到約0.3 m。

        研究表明,2種填料結(jié)構(gòu)組成的人工濕地系統(tǒng)對水體中的COD、氮磷均有一定的去除作用,雖然2種填料結(jié)構(gòu)對水體中氮和磷的去除隨運(yùn)行時(shí)間變化略有差異,但總體而言,去除效果基本相當(dāng),無顯著性差異。綜合考慮填料結(jié)構(gòu)對水體的凈化效果以及填料的來源和成本等因素,在后續(xù)示范工程中推薦使用的填料結(jié)構(gòu)為:粗礫石作為底料,起收水和支撐作用;頁巖作為主填料層;在頁巖的表面填充粗礫石,防止進(jìn)水管堵塞。

        2 曝氣方式對水體凈化效果的影響

        本試驗(yàn)采用垂直潛流濕地中的填料結(jié)構(gòu),共設(shè)置3套裝置,其中第1套中部曝氣、第2套底部曝氣、第3套無曝氣對照。在第1套下行流和上行流單元的中部(距頁巖填料上表面30 cm)和第2套下行流和上行流單元的底部(距裝置底部10 cm)均勻布置3個(gè)曝氣頭(在同一水平面上)。采用最大供氣量100 L/min的ACQ-007型小型空氣壓縮機(jī)向第1套和第2套濕地間歇曝氣,每天8∶30—16∶30曝氣8 h,其余時(shí)間不曝氣,氣水比為5∶1。曝氣對人工濕地去污效果試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 曝氣對人工濕地去污效果試驗(yàn)裝置

        盡管第1套和第2套內(nèi)香蒲莖葉中磷的含量高于第3套,但由于第1套和第2套中地上組織的生物量較低,所以通過植物收割去除的磷并沒有因?yàn)殚g歇曝氣而增加。與無曝氣系統(tǒng)相比,通過收割香蒲地上組織可使氮去除分別增加11.6 g/m2(中部曝氣)和12.6 g/m2(底部曝氣)。濕地植物貯存的氮和磷在春季從根系向莖葉轉(zhuǎn)移、在秋季從莖葉向根系轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致莖葉中氮和磷含量在春季高于秋季。本試驗(yàn)也觀測到類似現(xiàn)象,香蒲莖葉中氮和磷含量在種植前高于收割時(shí)。為防止植物吸收的氮和磷從莖、葉向根系轉(zhuǎn)移,應(yīng)當(dāng)在秋季及時(shí)收割濕地植物,最大限度地移出植物吸收的氮和磷。

        3 污染負(fù)荷對水體凈化效果的影響

        人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,每一階段的水力負(fù)荷是固定的,但由于進(jìn)水的污染物濃度在不斷變化,所以其相應(yīng)的污染負(fù)荷也在不斷波動(dòng)變化。利用前述試驗(yàn)過程中COD、NH4+-N、TN和TP(氮和磷)進(jìn)、出水濃度監(jiān)測結(jié)果,分別計(jì)算進(jìn)水污染負(fù)荷和濕地去除負(fù)荷。其計(jì)算公式分別為:

        式中:H為濕地處理系統(tǒng)的水力負(fù)荷[m3/(m2·d)];Q為濕地處理系統(tǒng)的流量(m3/d);Ci為污染物i的進(jìn)水濃度(mg/L);Ci0為污染物i的出水濃度(mg/L);A為濕地處理系統(tǒng)的面積(m2);λi為進(jìn)水污染負(fù)荷(mg·m/dL);μ為濕地去除負(fù)荷(mg·m/dL)。

        經(jīng)計(jì)算,人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行過程中的污染負(fù)荷變化范圍見表1。

        表1 人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷

        根據(jù)人工濕地處理系統(tǒng)進(jìn)水中的污染負(fù)荷與去除負(fù)荷進(jìn)行回歸分析,研究人工濕地處理系統(tǒng)對COD、、TN和TP(氮和磷)的去除負(fù)荷與進(jìn)水污染負(fù)荷的相關(guān)關(guān)系。

        4 濕地結(jié)構(gòu)對水體凈化效果的影響

        對二級垂直流濕地和三級垂直流濕地、二級垂直流濕地與波式流濕地的去除性能進(jìn)行比較研究,二級垂直流濕地、三級垂直流濕地和波式流濕地結(jié)構(gòu)分別如圖3—5所示。

        圖3 二級垂直流濕地結(jié)構(gòu)

        圖4 三級垂直流濕地結(jié)構(gòu)

        圖5 波式流濕地結(jié)構(gòu)

        試驗(yàn)過程中在水量調(diào)節(jié)池內(nèi)進(jìn)行連續(xù)曝氣預(yù)處理,各池內(nèi)部均未曝氣,而且各池水力負(fù)荷是相等的,均為500 mm/d,以上各池進(jìn)水均由調(diào)節(jié)池內(nèi)供水,進(jìn)水水質(zhì)完全相同,其中COD濃度為150~180 mg/L、TN濃度為15~18 mg/L、TP濃度為1.0~1.5 mg/L。各對比池影響因子對比情況,見表2。

        結(jié)果表明,池形結(jié)構(gòu)對TP(磷)去除效果的影響與TN(氮)相似。在水力負(fù)荷、曝氣方式、填料結(jié)構(gòu)和種植植物相同的情況下,二級處理池對TN(氮)去除率略高于三級處理池,而垂直流濕地對TP(磷)去除效果與波式流濕地基本相當(dāng),并無明顯優(yōu)劣差異。

        表2 各對比池影響因子對比情況

        5 結(jié)論

        濕地池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響濕地系統(tǒng)對TN和TP(氮和磷)去除效果的重要因素。在不同池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,二級處理池的效果優(yōu)于三級處理池,而垂直流與波式流濕地對污染物的去除效果基本相當(dāng),但由于波式流濕地在建設(shè)過程中可省去布水管道,在取得相同去除效果的情況下,波式流濕地的投資費(fèi)用要低于垂直流濕地,因此波式流濕地是一種較為理想的濕地結(jié)構(gòu)形式。

        X522

        :B

        :1004-7328(2017)01-0049-03

        10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.015

        2016—11—10

        李煥青(1983—),男,工程師,主要從事水利工程建設(shè)和管理工作。

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