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        多級(jí)人工濕地-塘組合系統(tǒng)對(duì)微污染水體污染物去除效果的實(shí)驗(yàn)研究

        2018-09-05 08:51:54戚曉波
        江西水利科技 2018年4期
        關(guān)鍵詞:濁度硝化水力

        胡 松,占 鵬,孫 微,戚曉波

        (1.江西水利職業(yè)學(xué)院,江西 南昌 330013;2.江西省灌溉排水發(fā)展中心,江西 南昌 330013;3.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330013)

        0 引 言

        隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化進(jìn)程加快,水生態(tài)面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。據(jù)環(huán)保部調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國主要的河流中,微污染原水比例高達(dá)36.9%[1]。微污染水原水是指因受到排入的工業(yè)廢水和生活污水影響,其部分水質(zhì)指標(biāo)超過飲用水源衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的源水。作為飲用水主要水源的庫區(qū)河流的污染加重會(huì)加劇淡水資源危機(jī),使耕地灌溉得不到有效保障,最終危害到人畜的生存發(fā)展[2,3]。故研究和開發(fā)適用于微污染原水的高效治理技術(shù),顯得尤為迫切。生態(tài)法處理技術(shù)因具有無二次污染、美化壞境等優(yōu)點(diǎn)一直廣泛的受到研究者們的關(guān)注與重視,其中人工濕地與塘工藝最引人矚目。單獨(dú)人工濕地工藝存在濕地基質(zhì)對(duì)污染物的吸附飽和、基質(zhì)容易堵塞、人工濕地生態(tài)服務(wù)功能單一等缺陷在一定程度上限制了人工濕地的推廣與應(yīng)用。然而穩(wěn)定塘和人工濕地的組合系統(tǒng)可以很好的解決上述問題,不少研究發(fā)現(xiàn)僅僅采用單級(jí)人工濕地-塘二級(jí)組合系統(tǒng)仍然對(duì)水體中污染物質(zhì)控制效果不理想[4]。

        采用多種形式的生態(tài)單元組合不同種類水環(huán)境提升生態(tài)系統(tǒng)凈污能力,成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)區(qū)域[5]。本實(shí)驗(yàn)采用多級(jí)人工濕地-塘組合系統(tǒng)處理微污染原水,通過對(duì)污染水體中磷、氨氮、COD等污染物去除的研究,為處理微污染水體提供新思路。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

        多級(jí)人工濕地/塘組合系統(tǒng)試驗(yàn)裝置,裝置包括6個(gè)處理單元如圖1所示。流程為高位水箱→好氧塘→表面流人工濕地1→表面流人工濕地2→水平潛流人工濕地→沉水植物氧化塘。表1為各處理單位尺寸和栽種植物種類。

        1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

        考慮到自然水體水質(zhì)隨季節(jié)變化大,本試驗(yàn)水樣采用人工配水模擬位于華東交通大學(xué)中的孔目湖微污染水體。模擬水樣水質(zhì)如下:COD為50.00~60.00 mg/L、TP為0.50~1.40 mg/L、濁度為4.80~9.60 NTU、氨氮為3.50~5.00 mg/L。

        表1 各處理單元尺寸和栽種植物種類

        圖1 多級(jí)人工濕地/塘組合系統(tǒng)裝置示意圖

        1.3 試驗(yàn)方法

        COD采用重鉻酸鉀法測定,TP 采用過硫酸鉀消解法預(yù)處理,采用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測定;無機(jī)磷酸鹽(DIP)經(jīng)過 0.45 μm 醋酸纖維膜過濾,采用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測定;濁度采用濁度儀測定;氨氮采用鈉氏試劑分光光度法。 水力停留時(shí)間:HRT=V/Q(h)即水力停留時(shí)間等于反應(yīng)器有效容積與進(jìn)水流量之比。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 水力停留時(shí)間對(duì)COD的去除效果分析

        實(shí)驗(yàn)水樣采用COD濃度為50.00~60.00 mg/L,屬于微污染水體,利用圖1試驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)定期對(duì)進(jìn)出裝置水樣COD進(jìn)行檢測。多級(jí)人工濕地/塘組合對(duì)COD去除效果的如圖2所示。

        圖2 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)人工濕地塘組合系統(tǒng)COD去除效果的影響

        由圖2可以看出,在水力停留時(shí)間<5 d時(shí),COD的去除率急劇上升,COD濃度由58.00 mg/L下降到22.00 mg/L,去除率高到62%。繼續(xù)延長停留時(shí)間,COD去除率趨于穩(wěn)定,不再大幅度增加。這是因?yàn)樵谌斯竦刂蠧OD的去除主要是水樣中不溶性有機(jī)物被基質(zhì)和植物根系截留,與溶解性有機(jī)物被植物根系和基質(zhì)表面的生物膜所吸收分解;而在植物塘中有機(jī)物主要被沉水植物的根系截留、生物膜的吸附和生物代謝及有機(jī)物顆粒的沉降去除。在實(shí)驗(yàn)初期,基質(zhì)和植物根系對(duì)基質(zhì)有很強(qiáng)的截留和吸附作用,生物活性良好;表現(xiàn)出COD去除效果理想,過了5 d后基質(zhì)與根系截留趨于飽和,COD去除率不再大幅度升高。實(shí)驗(yàn)得出,多級(jí)人工濕地/塘組合系統(tǒng)對(duì)COD去除水力停留時(shí)間為5 d最為經(jīng)濟(jì)與高效。

        2.2 水力停留時(shí)間對(duì)TP的去除效果分析

        實(shí)驗(yàn)水樣采用TP濃度為0.50~1.40 mg/L,水樣水質(zhì)劣于屬地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)屬于微污染水體,利用圖1試驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)定期對(duì)進(jìn)出裝置水樣TP進(jìn)行檢測。多級(jí)人工濕地/塘組合對(duì)TP去除效果如圖3所示。

        由圖3可以看出在水力停留時(shí)間為5 d后,水體中TP濃度下降到0.18 mg/L,水質(zhì)可以達(dá)到Ⅴ類(0.20 mg/L),水力停留時(shí)間超過6 d,水體中出水TP濃度下降到0.095 mg/L,水質(zhì)可以達(dá)到 Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(0.10 mg/L)。在水力停留時(shí)間<5 d,TP的去除率急劇上升,繼續(xù)延長水力停留時(shí)間TP去除率趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)門P的去除同樣基本依靠生物膜中微生物的硝化反硝化作用以及基質(zhì)對(duì)磷的吸附沉淀作用而去除,后期趨于飽和不再上升??紤]到實(shí)際水質(zhì)的波動(dòng)性,在凈水水質(zhì)為TP濃度為0.50~1.40 mg/L時(shí),水力停留時(shí)間考慮以5 d為宜[6]。

        圖3 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)人工濕地塘組合系統(tǒng)TP去除效果的影響

        2.3 水力停留時(shí)間對(duì)濁度的去除效果分析

        實(shí)驗(yàn)水樣濁度為4.80~9.60 NTU,采用上述裝置進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)定期對(duì)進(jìn)出裝置水樣濁度進(jìn)行檢測。多級(jí)人工濕地/塘組合對(duì)濁度去除效果的如圖4所示。

        圖4 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)人工濕地塘組合系統(tǒng)濁度去除效果的影響

        由于影響水體濁度的因素主要是懸浮物,濁度大小是水質(zhì)好壞的最直觀表現(xiàn),所以對(duì)濁度去除顯得尤為重要[7]。由圖4可以看出,在水力停留時(shí)間<3 d時(shí),濁度由8.00 NTU直接下降到2.00 NTU,去除率達(dá)到75%,隨后繼續(xù)延長水力停留時(shí)間,濁度去除率趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)闈岫鹊臄r截機(jī)制在水流停留前期表現(xiàn)最為顯著,體現(xiàn)在濁度下降速度快。隨著水力停留時(shí)間的延長,去除率不再升高,可能是因?yàn)楹笃谠谒w中導(dǎo)致水體主要是微小直徑污染物,基質(zhì)和根莖很難進(jìn)一步截留,濁度去除效果不再明顯提升。

        2.4 水力停留時(shí)間對(duì)氮的去除效果分析

        實(shí)驗(yàn)水樣NH4+-N濃度為3.50~5.00 mg/L,采用上述裝置進(jìn)行試驗(yàn),定期對(duì)進(jìn)出裝置水樣氨氮進(jìn)行檢測,多級(jí)人工濕地/塘組合對(duì)氨氮去除效果的如圖5所示。

        圖5 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)人工濕地塘組合系統(tǒng)氨氮去除效果的影響

        NH4+-N去除主要依賴于硝化反應(yīng),根系與基質(zhì)的截留對(duì)于氨氮去除效果不夠理想[8],不少研究發(fā)現(xiàn)NH4+-N去除方式主要液態(tài)氨的揮發(fā)、生物硝化/反硝化和生物同化作用協(xié)同去除。在穩(wěn)定塘中氨氮的去除方式主要是揮發(fā)和硝化與反硝化,而在人工濕地對(duì)氨氮的去除途徑為硝化與反硝化和生物同化。由圖5可以看出,在水力停留時(shí)間<3d時(shí),NH4+-N去除速率較慢,主要是因?yàn)樵诔跗谙趸c反硝化作用需要一個(gè)時(shí)間準(zhǔn)備時(shí)期;當(dāng)3 d<水力停留時(shí)間<5 d時(shí),氨氮去除速率最快,此時(shí)NH4+-N去除率高達(dá)58%,隨著水力停留時(shí)間的推移,氨氮去除率趨于平緩。

        3 結(jié) 論

        (1)COD隨著水力停留時(shí)間的增加去除率逐步提高,最后趨于平衡,選取水力停留時(shí)間為5 d,出水水質(zhì)22.00 mg /L,已經(jīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這說明兼顧時(shí)間有效利用原則,水力停留時(shí)間為5 d時(shí)處理COD的效果好。

        (2)TP,NH4+-N、濁度的去除,在一定范圍內(nèi),水力停留時(shí)間越長,去除效果越好,但是到達(dá)一個(gè)臨界時(shí)間點(diǎn)之后會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。本試驗(yàn)得出NH4+-N在水力停留時(shí)間為 5 d 時(shí),出水水質(zhì)最好,但在水力停留時(shí)間為 4 d 時(shí)出水水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到 V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這說明兼顧時(shí)間有效利用原則,選取 4 d 停留時(shí)間在工程上可以更好地實(shí)施。TP 的去除由于溫度的限制,無法達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,同時(shí)由于是低濃度污水,在處理方面有一定的難度,在去除率方面能達(dá)到 75%,屬于較好的處理效果。

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