代碧瑩,張丹,高俊,蘭書煥,李旭東,謝翼飛,王臣
(1.中國科學院成都生物研究所,四川 成都 610041;2.四川省環(huán)境微生物重點實驗室,四川 成都 610041;3.中國科學院大學,北京 100049)
氮素的大量排放,是誘導水體富營養(yǎng)化的主要原因之一[1]。根據(jù)氮形態(tài)學分析[2-3],低污染水體中硝氮含量至少占無機氮總量的43.8%以上。因此,硝氮的去除也就成為了控制低污染水體中氮素的瓶頸。人工濕地處理技術具有成本低、處理效率高等優(yōu)點,在低污染水處理中得到廣泛關注[4-6]。但大多數(shù)研究者僅注重單一溫度下人工濕地運行參數(shù)的優(yōu)化及效果的考察[7-8],而針對不同溫度下最佳運行參數(shù)的研究還比較少。因此,本文以污水處理廠尾水為研究對象,構建水平潛流人工濕地,研究其脫氮性能,獲得人工濕地在常溫、低溫下最佳脫氮運行參數(shù),為后期工程應用提供參考價值。
本實驗選用水平潛流人工濕地(圖1),人工濕地的長、寬、高分別為2 300,600,1 000 mm,其中布水區(qū)和集水區(qū)的長、寬、高均分別為600,400,1 000 mm,填料區(qū)長、寬、高分別為1 500,600,1 000 mm,填料區(qū)基質從下往上依次是390 mm厚的火山石層、250 mm厚的鵝卵石層、50 mm厚的粗砂層、150 mm厚的種植土層,運行水深650 mm。種植層上種植可以凈化水質的蘆葦和菖蒲,其中蘆葦每平方米人工濕地種植13株、菖蒲每平方米人工濕地種植20株。
本實驗選擇四川省成都市某城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池出水作為處理對象,該污水處理廠執(zhí)行《岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016),其出水要求化學需氧量(CODCr)濃度<30 mg/L,氨氮濃度<1.5 mg/L,總氮濃度<10 mg/L。經實際檢測,該二沉池實驗期間出水CODCr濃度為13.72 mg/L,氨氮平均濃度為0.71 mg/L,硝氮平均濃度為6.67 mg/L,總氮平均濃度為7.72 mg/L,碳氮比為1.78。硝氮濃度檢測采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)。
1.2.1 不同CODCr添加量對硝氮去除效果的影響 采用1.1節(jié)中所述實驗裝置,在水力負荷為0.51 m3/(m2·d)、平均水溫26.4 ℃的條件下,通過蠕動泵向人工濕地內流加碳源(無水乙酸鈉)溶液。當人工濕地進入1 L待處理的水,就分別向4個人工濕地內分別添加與15,30,45,60 mg CODCr當量的無水乙酸鈉溶液,并以不添加碳源(0 mg/L CODCr)作為對照組。分別監(jiān)測進水與出水中硝氮的濃度。
1.2.2 不同水力負荷對硝氮去除效果的影響 采用1.1節(jié)中所述實驗裝置,在平均水溫21.9 ℃、1.2.1節(jié)中最佳CODCr添加量的條件下,調節(jié)每個人工濕地的進水量,使其水力負荷分別達到0.51,0.77,1.03,1.28 m3/(m2·d),并分別監(jiān)測進水與出水中硝氮的濃度。
1.2.3 低溫下不同掛膜方式對硝氮去除效果的影響 本節(jié)采用350 L調節(jié)池串聯(lián)1.1節(jié)中所述實驗裝置開展實驗。首先,將120個直徑為100 mm的懸浮球填料置于350 L的調節(jié)池內,一種是通過添加反硝化菌劑讓其在懸浮球上形成反硝化生物膜,稱之為人工掛膜;另一種是不添加任何菌劑讓其自然形成反硝化生物膜,稱之為自然掛膜。掛膜后將其與人工濕地串聯(lián)共同處理水體中的硝氮。兩裝置串聯(lián)后,在平均水溫6.6 ℃、水力負荷為0.77 m3/(m2·d),1.2.1節(jié)中最佳CODCr添加量的條件進行實驗,并分別監(jiān)測進水與出水中硝氮的濃度。
1.2.4 低溫下不同水力負荷對硝氮去除效果的影響 同1.2.3節(jié),此次將反硝化菌劑投加到1.1節(jié)所述人工濕地內進行人工掛膜后,分別考察其在低溫下不同水力負荷對硝氮去除效果的影響。其實驗條件為:平均水溫6.5 ℃、1.2.1節(jié)中最佳CODCr添加量的條件下進行,其中人工濕地運行至41~46 d時水溫為3~5 ℃。此階段設置0.77 m3/(m2·d)和1.28 m3/(m2·d)兩個水力負荷條件,并分別監(jiān)測進出水中硝氮的濃度。
以污水處理廠尾水、農田退水等為代表的低污染水中碳氮比較低、可生化性差,這將會限制反硝化作用主要因素,如本實驗用水碳氮比僅為1.78。研究表明水體中碳氮比大于6時,則認為反硝化碳源充足,否則需要額外補充碳源[6,9]。由圖2a可知,進水中硝氮濃度在6~7 mg/L之間,在僅考慮硝氮去除的情況下至少需要消耗36~42 mg/L的CODCr。也就是說在進水CODCr為13.72 mg/L的條件下,至少需要額外補充22~28 mg/L的CODCr才能滿足反硝化的需求。由圖2b可知,在僅通過人工濕地處理(0 mg/L CODCr)時,硝氮去除率在10.49%~36.60%之間。當通過向人工濕地布水區(qū)滴加碳源溶液時,硝氮去除率隨著CODCr添加量的增加而增加。當CODCr添加量為15 mg/L時,硝氮去除率在37.86%~83.18%;當CODCr添加量為30,45,60 mg/L時,出水中硝氮均可被完全去除,去除率達到100%。考慮到碳源添加量越多所需成本就越高,因此以硝氮剛好被完全去除為篩選條件,選擇30 mg/L CODCr作為最佳碳源添加量。
水力負荷的大小也是影響人工濕地脫氮的因素之一,其主要是通過影響濕地內基質、植物、微生物對水體中污染物的吸附效率及作用時間,從而影響到人工濕地對污染物的去除效果[10]。圖3為不同水力負荷對硝氮去除效果的影響。
由圖3可知,當進水中硝氮濃度為3~8 mg/L,CODCr添加量為30 mg/L時,在水力負荷為0.51 m3/(m2·d) 的條件下,前期由于池內換水速率較慢,導致出水硝氮濃度較高。但隨著反硝化作用的進行尾水中的硝氮逐漸被去除,在第4 d時硝氮去除率可高達99.39%,在連續(xù)運行18 d后尾水中硝氮可完全被穩(wěn)定去除。同樣的水力負荷為0.77,1.03,1.28 m3/(m2·d)的條件下,連續(xù)運行18 d后,人工濕地達到穩(wěn)定,尾水中硝氮也被完全去除。這就證明在投加30 mg/L CODCr的條件下,0.51~1.28 m3/(m2·d)之間的水力負荷變化對該人工濕地系統(tǒng)去除硝氮的效果影響不大。
溫度是影響人工濕地脫氮的另一主要因素,其不僅可以降低基質的水力傳遞效率,同時也會降低人工濕地內植物及微生物細胞的膜滲透性、減弱細胞對氮素等營養(yǎng)物質的吸收及代謝速率,從而限制人工濕地對污染物的降解效率[11-12]。圖4為不同掛膜方式對低溫(平均水溫6.6 ℃)下硝氮去除效果的影響。
由圖4a可知,當進水硝氮濃度為5.53~8.51 mg/L 時,在低溫條件(自然掛膜)下,人工濕地對硝氮有一定的去除,但效果不穩(wěn)定,出水中硝氮濃度在0~1.17 mg/L之間波動,其硝氮去除效果要明顯差于相同水力負荷下常溫時硝氮的去除效果。有研究表明,通過向濕地系統(tǒng)內投加微生物菌劑可以提高濕地內功能微生物的數(shù)量、優(yōu)化微生物群落結構,從而強化濕地系統(tǒng)的抗負荷沖擊能力及穩(wěn)定性[13]。由圖4b可知,通過人工掛膜后,人工濕地對硝氮的去除率均在98%以上,硝氮出水濃度在0.1 mg/L 以下,硝氮去除效果較為穩(wěn)定。由此可證明,人工掛膜系統(tǒng)較自然掛膜系統(tǒng)更能適應低溫環(huán)境,人工掛膜有助于提高濕地系統(tǒng)在低溫下對硝氮的去除。
鑒于人工掛膜有助于提高人工濕地在低溫下對硝氮的去除效果,因此本節(jié)利用經過人工掛膜后的人工濕地系統(tǒng),考察低溫(平均水溫6.5 ℃)下不同水力負荷對人工濕地硝氮去除效果的影響,結果見圖5。
由圖5可知,當進水硝氮濃度5.53~10.09 mg/L 時,在水力負荷為0.77 m3/(m2·d)的條件下,該人工系統(tǒng)經過短暫的適應后,可一直將出水中硝氮保持較低的濃度(<0.1 mg/L),硝氮去除率穩(wěn)定在96.59 %以上。而當水力負荷提高至1.28 m3/(m2·d)時,出水硝氮濃度開始略有波動,硝氮去除率在58.54~99.35%之間;在第41~46 d時,由于水溫進一步降低(3~5 ℃),硝氮去除效果受到顯著影響,如在44 d時硝氮去除率僅有6.57%,這與低溫將會抑制微生物的活性,當溫度低于5 ℃時,反硝化速度非常小相關[9]。但在46 d之后,隨著水溫的升高,硝氮出水濃度逐漸降低,硝氮去除率逐漸升高。
(1)通過對碳源添加量的優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)添加碳源可有助于強化人工濕地對硝氮的去除。本實驗進水硝氮平均濃度為6.67 mg/L,當碳源添加量在0~30 mg/L CODcr時,硝氮去除率隨著碳源添加量的增加,在投加30 mg/L CODcr時硝氮去除率達到100%。
(2)本實驗通過投加反硝化菌劑對濕地進行人工掛膜,研究表明其相對于自然掛膜組能較快適應低溫環(huán)境,并具有較好且穩(wěn)定的硝氮出水效果。
(3)在添加30 mg/L CODcr的條件下,研究了常溫(15~30 ℃)和低溫(<15 ℃)時不同水力負荷對硝氮去除效果影響。研究表明該人工濕地系統(tǒng)在常溫條件下,0.51~1.28 m3/(m2·d)之間的水力負荷變化對硝氮去除效果影響不顯著,運行穩(wěn)定后硝氮去除率均能達到100%;而在低溫條件下,人工掛膜后的濕地系統(tǒng)最大水力負荷為0.77 m3/(m2·d),當水力負荷為1.28 m3/(m2·d)時硝氮出水效果不穩(wěn)定,并且隨著溫度的進一步驟降,硝氮去除率也顯著降低。
綜上所述,在常溫下本文所述人工濕地系統(tǒng)處理含6.67 mg/L左右硝氮的低污染水體時,其最佳CODCr添加量為30 mg/L,污水水力負荷可達1.28 m3/(m2·d);而低溫條件下,可通過人工掛膜
的方式提高濕地系統(tǒng)的抗沖擊能力及穩(wěn)定性,此時系統(tǒng)最大水力負荷為0.77 m3/(m2·d)。由此獲得該水平潛流人工濕地在常溫、低溫下處理硝氮的影響因素及運行參數(shù),為實現(xiàn)該濕地系統(tǒng)處理低污染水體中硝氮的工程應用提供參考價值。