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        低溫環(huán)境對人工濕地污水處理的影響與強化措施

        2024-01-06 14:26:36龔嘉星
        煤炭與化工 2023年11期
        關(guān)鍵詞:去除率凈化保溫

        景 茜,國 潔,羅 曉,龔嘉星

        (1.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北省污染防治生物技術(shù)實驗室,河北 石家莊 050018)

        0 引言

        人工濕地是一種模仿自然濕地建造的污水處理系統(tǒng),利用濕地植物、微生物、基質(zhì)之間的協(xié)同作用來凈化水質(zhì)。

        與傳統(tǒng)的水處理工藝相比,人工濕地具有管理維護簡單、投資少、出水水質(zhì)好、低能耗和高成效等優(yōu)點。

        然而,人工濕地在運行時受到多種因素的影響,如:濕地的類型、運行方式、水力負荷、氣溫變化、濕地植物生長情況等,其中溫度變化對其影響最為顯著,在低溫下,微生物活性降低,濕地植物會休眠、枯萎甚至死亡,導(dǎo)致污水凈化效果大幅降低,特別是對氨氮的去除影響較大。

        1 人工濕地冬季與春夏對N 和P 的去除效果

        人工濕地冬季與春夏對N 和P 的去除效果比 較見表1。

        表1 人工濕地冬季與春夏對N、P 的去除效果比較Table 1 Comparison of removal effect of N and P in constructed wetland in winter and spring

        由表1 可得,冬季低溫條件下,人工濕地對NH4+N、TN、TP、COD 的去除率分別比春夏常溫下低19.7%~83.3%、20.89%~85.5%、7.8%~60.2%、29.9%~59.2%。低溫限制了人工濕地在寒冷地區(qū)的廣泛應(yīng)用與推廣。為實現(xiàn)人工濕地全年穩(wěn)定高效的運行目標,在分析低溫環(huán)境對人工濕地系統(tǒng)運行效果影響的基礎(chǔ)上,總結(jié)了常用的解決方法,以期為人工濕地在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用和推廣提供參考。

        2 低溫對人工濕地處理效果的影響

        人工濕地凈化污水主要靠植物、微生物和基質(zhì)三要素共同作用。在寒冷條件下,人工濕地處理效果較差,主要原因是低溫影響三要素的凈化功能從而影響人工濕地處理效果,了解低溫對三要素的影響是研究人工濕地系統(tǒng)在寒冷地區(qū)運行和強化的難點和重點問題。

        2.1 對植物的影響

        植物是人工濕地必不可少的組成部分,對濕地凈化有重要意義。植物通過吸收氮磷和為濕地微生物提供好氧環(huán)境和反應(yīng)場所來實現(xiàn)凈化。在北方地區(qū)的冬季,由于低溫使植物進入休眠狀態(tài),植物的新陳代謝速率減慢,復(fù)氧能力降低,進而降低了植物對污染物的吸收和去除能力;同時,植物腐爛后進入濕地會增加污染物處理負荷,形成二次污染;因為低溫的影響,植物在凈化污水方面的能力會顯著降低。權(quán)威的成果提出,低溫主要通過改變植物的細胞膜結(jié)構(gòu)、酶活性以及抗氧化能力等方面來影響植物的正常生長和去污能力。

        2.2 對微生物的影響

        在人工濕地污水處理中,微生物在降解有機污染物和氮方面做出了巨大的貢獻。具體來說,微生物脫氮主要依靠微生物的硝化作用和反硝化作用來實現(xiàn),有機物則主要通過微生物的好氧代謝來降解除去。然而,在冬季低溫和缺乏溶解氧的條件下,微生物的生命活動受到了嚴重抑制。研究表明,大多數(shù)微生物的正常生長溫度為20~35 ℃,硝化反應(yīng)適宜溫度為20~30 ℃,溫度<15 ℃反應(yīng)速度急劇下降,5 ℃基本停止;反硝化反應(yīng)適宜溫度為20~40 ℃,但溫度<15 ℃時,反硝化反應(yīng)將受到明顯抑制,5 ℃基本停止。當水溫<5 ℃時,對有機物去除、硝化、反硝化作用均具有嚴重的抑制作用,北方冬季平均氣溫為-5~5 ℃,東北地區(qū)冬季的氣溫可達到-20 ℃,顯然不利于冬季濕地微生物的生理代謝,從而影響凈化能力。

        2.3 對基質(zhì)的影響

        在濕地中,基質(zhì)扮演著重要的角色。它能夠通過攔截、吸附和沉淀等方式來去除污染物,并為植物和微生物提供生長和附著的空間,基質(zhì)可以說是濕地中大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生的重要場所。沈?qū)氝M的成果提出,濕地基質(zhì)對污水中總磷的去除率可達90%以上,基質(zhì)內(nèi)部的鐵、鈣、鋁、鎂等離子與水中的磷酸根離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)并生成沉淀是濕地除磷的主要機理。

        然而,低溫極大的影響了基質(zhì)除磷,其實質(zhì)是溫度降低會使基質(zhì)表面的液膜阻力增大,不利于磷進入內(nèi)部被基質(zhì)吸附固定,從而影響其除磷效果。低溫還會降低污水粘性和微生物降解污染物的速率,導(dǎo)致基質(zhì)堵塞,從而使基質(zhì)無法正常發(fā)揮凈化作用。

        3 人工濕地低溫運行的強化措施

        由前人的研究成果可知,低溫對人工濕地有極大地不利影響,嚴重影響了濕地的處理效果,采取抗低溫措施是保證系統(tǒng)正常運行的有效措施。從濕地內(nèi)部和外部2 方面增強人工濕地的抗逆性,有利于維持人工濕地的高效穩(wěn)定運行。

        3.1 內(nèi)部要素優(yōu)化

        3.1.1 植物配置

        濕地植物的選擇對濕地污水凈化效果至關(guān)重要。在北方冬季,應(yīng)選擇適應(yīng)能力強、耐寒耐凍、去污能力強、根系豐富、氧氣傳輸效率高、抗逆性強的濕地植物。常見的濕地植物包括蘆葦、鳶尾、香蒲、菖蒲和水葫蘆等。REDDYKR 的成果提出,多種植物配置比單一植物對水體凈化效果更好。Fan 等在冬季通過在濕地進行金縷梅和蘆葦?shù)姆N植搭配在對COD、TP 和TN 的去除貢獻率上比單一植物種植分別提高了10.1%、17.6%和5.2%。

        3.1.2 微生物強化

        微生物強化主要從培養(yǎng)耐冷菌、構(gòu)建低溫微生物復(fù)合菌劑、微生物固定化技術(shù)三方面來實現(xiàn)。在污水處理中大多數(shù)都是常溫菌,低溫使微生物新陳代謝變慢,從而導(dǎo)致去污能力降低,若微生物是耐寒的,則不會影響微生物的生長,也不會影響污水凈化效果。趙昕悅提出,添加復(fù)合微生物菌劑可以提高人工濕地在低溫環(huán)境下的處理效率。投加量為0.5%的復(fù)合菌劑在水力停留時間為24h 時的低溫條件下可使人工濕地出水COD 達到一級B 標準,氨氮和總氮達到一級A 標準。

        微生物固定化技術(shù)將功能微生物固定在載體上,減少外部環(huán)境對微生物的負面影響,提高了微生物的代謝活性,使菌株可以連續(xù)重復(fù)利用。呂曉冰提出,固定化微生物對低溫河水中總氮的去除效果比對照組有較大提升,去除率由4.6%~12.2%提升至26.2%~37.9%。

        3.1.3 基質(zhì)選擇

        基質(zhì)選擇對于不同類型的污水很重要。人工濕地的基質(zhì)選擇主要根據(jù)比表面積、孔隙率、穩(wěn)定性、機械強度等因素。具有較大比表面積和孔隙率的基質(zhì)可以提供支撐作用,并有效解決基質(zhì)堵塞問題;沸石和火山巖等基質(zhì)在脫氮方面效果良好,無煙煤和陶粒則具有較強的磷吸附能力。萬曉東通過構(gòu)建含鐵基質(zhì)人工濕地優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),添加鐵礦石的濕地可以顯著提高總氮和總磷的去除效果,而未添加鐵礦石的濕地效果較低。

        3.2 外部運行環(huán)境強化

        3.2.1 覆蓋保溫

        寒冷地區(qū)的人工濕地可以通過增加覆蓋物來提高內(nèi)部溫度,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。常用的覆蓋方法包括冰層覆蓋、植物覆蓋和地膜覆蓋。冰層覆蓋通過調(diào)節(jié)水位,在冰層和填料之間形成空氣層來保溫,需要定期檢查。植物覆蓋是將濕地植物收割覆蓋在表層,保溫效果不錯,但需要在天氣回暖之前處理掉覆蓋植物以防止二次污染。地膜覆蓋是將薄膜覆蓋在濕地表層,該方法鋪設(shè)復(fù)雜、成本高,易造成白色污染。為保障人工濕地在我國北方地區(qū)冬季低溫環(huán)境下正常運行,許多學(xué)者對人工濕地的保溫措施進行了研究。

        不同保溫措施下的人工濕地運行效率見表2。

        表2 不同保溫措施下的人工濕地運行效率Table 2 Application efficiency of constructed wetlands under various insulation measures

        3.2.2 增加水中溶解氧

        在低溫環(huán)境下,濕地系統(tǒng)供氧不足,無法完成有機物分解和硝化反應(yīng),為增加濕地內(nèi)的溶解氧量,可通過改變濕地運行方式來改善,例如采取潮汐流運行、間歇曝氣、跌水復(fù)氧及出水回流等;為提高人工濕地系統(tǒng)的復(fù)氧能力,蒲帥等在垂直流人工濕地不同位置投加釋氧材料,以此探究曝氣位置對垂直流人工濕地脫氮的影響。結(jié)果表明,在濕地下層曝氣,TN 去除率最高;在濕地上層曝氣,NH4+-N 去除率最高。

        4 結(jié)論

        低溫限制了人工濕地長期高效的穩(wěn)定運行,通過植物、微生物、基質(zhì)強化、覆蓋保溫、增加溶解氧等措施,可有效增強寒冷地區(qū)人工濕地的污水凈化能力。未來可加強對以下方面的研究:

        (1)微生物和植物的狀態(tài)與人工濕地的處理效果直接相關(guān),如何維持微生物的活性和植物的正常生長發(fā)育是解決低溫人工濕地凈化效果差的根本問題,培養(yǎng)耐低溫的微生物和植物是未來需要研究的方向。

        (2)現(xiàn)有研究中,多圍繞于人工濕地三要素,忽視了水體動物對人工濕地凈化效果的影響,深入研究水體動物和生態(tài)環(huán)境的相互作用機理很大可能會促進人工濕地的進一步發(fā)展。

        (3)對人工濕地的研究大多體現(xiàn)在對宏觀實際問題的解決,缺乏系統(tǒng)性的理論指導(dǎo),未來應(yīng)在深入水體凈化機理的基礎(chǔ)上,分析宏觀和微觀之間的聯(lián)系,加強人工濕地生態(tài)系統(tǒng)和微生物群落的演替規(guī)律,了解水體和植物根系的微生物群落、植物生理指標、水體凈化三者之間存在的相關(guān)性。

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