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        人工濕地結構優(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
        關鍵詞:底料礫石填料

        李煥青,侯佳,尹惟惟

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

        人工濕地結構優(yōu)化淺析

        李煥青1,侯佳2,尹惟惟3

        (1.天津市水務局,天津300074;2.天津市南水北調曹莊管理處,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,可以改進生態(tài)結構,促進物質能量的循環(huán)。濕地池形結構設計是影響濕地系統(tǒng)對氮和磷去除效果的重要因素。通過試驗得出結論,波式流濕地對污染物的去除效果好且投資費用低,是一種較為理想的濕地結構形式。

        人工濕地;填料結構;曝氣;污染負荷;濕地結構

        近年來,隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長,城市和農村的污染情況不斷升級,嚴重影響了人們的生產生活。目前,天津市農村水環(huán)境質量普遍較差,已嚴重影響到農村居民的居住環(huán)境,直接影響社會經濟可持續(xù)發(fā)展,威脅廣大人民群眾的身體健康。人工濕地處理技術正是研究開發(fā)解決這一問題的新技術。人工濕地作為一種自然生物處理方法,可以改進生態(tài)結構,促進物質能量的循環(huán)。濕地池形結構設計是影響濕地系統(tǒng)對氮和磷去除效果的重要因素,本文通過試驗進行人工濕地結構優(yōu)化研究。

        1 填料結構對水體凈化效果的影響

        本研究試驗共設2套裝置。其中,第1套裝置以頁巖和粗礫石作為填料基質,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,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套裝置的填料結構,如圖1所示。

        圖12 種填料結構人工濕地模擬裝置

        試驗開始前,分別在每個濕地單元內種植8株生物量相當?shù)南闫炎鳛闈竦刂参?。植物種植的第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。經過約2周的維護,新的幼株高度達到約0.3 m。

        研究表明,2種填料結構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種填料結構對水體中氮和磷的去除隨運行時間變化略有差異,但總體而言,去除效果基本相當,無顯著性差異。綜合考慮填料結構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構為: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,防止進水管堵塞。

        2 曝氣方式對水體凈化效果的影響

        本試驗采用垂直潛流濕地中的填料結構,共設置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,其余時間不曝氣,氣水比為5∶1。曝氣對人工濕地去污效果試驗裝置結構,如圖2所示。

        圖2 曝氣對人工濕地去污效果試驗裝置

        盡管第1套和第2套內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為間歇曝氣而增加。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移、在秋季從莖葉向根系轉移,導致莖葉中氮和磷含量在春季高于秋季。本試驗也觀測到類似現(xiàn)象,香蒲莖葉中氮和磷含量在種植前高于收割時。為防止植物吸收的氮和磷從莖、葉向根系轉移,應當在秋季及時收割濕地植物,最大限度地移出植物吸收的氮和磷。

        3 污染負荷對水體凈化效果的影響

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

        式中:H為濕地處理系統(tǒng)的水力負荷[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為進水污染負荷(mg·m/dL);μ為濕地去除負荷(mg·m/dL)。

        經計算,人工濕地系統(tǒng)運行過程中的污染負荷變化范圍見表1。

        表1 人工濕地系統(tǒng)運行負荷

        根據人工濕地處理系統(tǒng)進水中的污染負荷與去除負荷進行回歸分析,研究人工濕地處理系統(tǒng)對COD、、TN和TP(氮和磷)的去除負荷與進水污染負荷的相關關系。

        4 濕地結構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構分別如圖3—5所示。

        圖3 二級垂直流濕地結構

        圖4 三級垂直流濕地結構

        圖5 波式流濕地結構

        試驗過程中在水量調節(jié)池內進行連續(xù)曝氣預處理,各池內部均未曝氣,而且各池水力負荷是相等的,均為500 mm/d,以上各池進水均由調節(jié)池內供水,進水水質完全相同,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。

        結果表明,池形結構對TP(磷)去除效果的影響與TN(氮)相似。在水力負荷、曝氣方式、填料結構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,并無明顯優(yōu)劣差異。

        表2 各對比池影響因子對比情況

        5 結論

        濕地池形結構設計是影響濕地系統(tǒng)對TN和TP(氮和磷)去除效果的重要因素。在不同池形結構設計中,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,但由于波式流濕地在建設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構形式。

        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和管理工作。

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