低污染废水净化方法

Posted 2023-01-15 湿地

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人工湿地一般由人工基质和生长在其上的水生植物组成，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化，是一个独特的基质—植物—微生物生态系统。人工湿地以其高效低耗和易于维护管理等优点，被广泛应用于各类不同水体的水质净化，包括城镇生活污水〔1-2〕、工业废水〔3-4〕、农业污水〔5-6〕等。近20 年来，人工湿地还被引入处理富营养化水体，如美国大型浅水湖Apopka 湖〔7-8〕、英国Thames River〔9〕等均采用了人工湿地技术，但国外大多采用表面流人工湿地。国内在人工湿地技术应用于富营养化水体治理方面也做了一些研究工作，如张荣社等〔10〕开展了潜流湿地中植物对脱氮除磷效果的影响中试研究，万明辉等〔11〕运用复合型人工生态湿地处理罗时江水和永安江水。生物绳填料是一种新型水处理材料，其以醛化纤纶为基本材料，模拟天然水草形态加工而成，近年来在污水处理中得到了广泛应用。针对洱海支流水质情况以及大理的地域性质，笔者研究了PP+K-45 型立体弹性填料结合挺水植物组成的折流式人工湿地对污水的处理效果。

1 材料与方法

1.1 进水情况及分析方法

用氮肥、磷肥、工业葡萄糖、烧碱、淀粉等来模拟洱海支流罗时江的水质，总氨（TN）、总磷（TP）、CODMn、总可溶性磷酸盐（TDP）分别为1.8～2.2、0.18～0.22、15～20、0.17～0.19 mg/L。试验过程中控制水力停留时间（HRT）为24 h，水力负荷为0.5 m3/（m2·d）。试验起止时间为2011-03-18—2011-08-24，期间进水的水温为14～27 ℃，pH 为6.73～8.24。定期采集2个装置的进出水水样，按文献〔12〕中规定的方法测定TN、TP、TDP、CODMn。

1.2 生物绳填料

试验所用填料来自上海TBR 株式会社生产的PP+K-45 型立体弹性填料，其外径45 mm、比表面积1.6 m2/m3、空隙率99%。PP+K-45 型立体弹性填料呈环状，由细纤维加工而成，具有优异的耐久性，使用时可以持续保持大量微生物在其上，产品结构具有不易堵塞的特性；可以保持99%以上的空隙率，使得多种微生物能够同时生存，得到高标准处理出水的同时，通过延长食物链降低污泥的产生率；由于污泥既容易附着也容易剥离，因此可以加速微生物的更新。

1.3 试验装置

试验在洱海项目沙坪工作站进行，采用图1 所示装置模拟人工湿地进行试验。图1 中折流装置A、B 尺寸均为1.2 m×0.5 m×0.8 m，每个装置设3 个上下折流板，均分成4 个槽，以生物填料为基质，每个槽中均匀垂直悬挂弹性填料20 根，其中装置A 中每根填料周围种有3 株水葱，与装置B 进行对照试验。装置供水是通过1 个2 m3的配水箱经过水泵输送到装置A 和装置B 中，其中水力负荷通过玻璃转子流量计进行控制。

2 试验结果与分析

2.1 装置对CODMn的去除效果

装置A、B 中进出水CODMn变化趋势以及去除率的比较见图2。

由图2 可以看出，同样进水条件下，两个装置的出水CODMn相对稳定，变化一致，CODMn的去除率相差不是很大，均在75%左右。

人工湿地对有机物有较强的降解能力，废水中的不溶性有机物通过湿地沉淀、过滤作用从废水中截留下来而被微生物利用；可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代谢降解过程被去除。由图2 可知，装置A 和装置B 对CODMn的平均去除率分别为76.2%、74.3%，可见，对于洱海支流这类低有机污染的水体，构造这种生态填料的人工湿地去除其中的有机污染物效果会比较理想。两个装置的出水CODMn均在5～6 mg/L，已达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准。其中种有水葱的装置A 对有机物的去除效果略优于无水葱的装置B。

2.2 装置对TP 的去除效果

装置A、B 中进出水TP 变化趋势以及去除率的比较见图3。

图3 TP 去除效果对比

由图3 可以看出，装置A、B 对TP 的去除效果理想，分别为64.8％、59.6%。当进水TP 的平均质量浓度为0.21 mg/L 时，装置A、B 出水的TP 均小于0.1 mg/L，已达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类标准。

人工湿地对磷的去除作用包括基质的吸收和过滤、植物吸收、微生物去除及物理化学作用。成熟的人工湿地中植物、微生物、填料三者之间处于一种动力学平衡状态，使得三者之间交换吸附磷的能力不断得到恢复，因而除磷效果较好，其中微生物起主要作用，其次是植物的吸收作用。本试验选用正处于生长季节的水葱作为湿地植物，水葱由于有发达的根和茎等通气组织的存在，能够运输氧到根部，这些氧除了满足根部的有氧呼吸之外，还有一部分在运输过程中通过根轴径向释放到根际水中〔13〕，并在根际还原态介质中形成氧化态的微环境，为好氧微生物的生长提供适宜的小环境，有利于对TP 等污染物的吸收降解。因此有植物的人工湿地系统比无植物的人工湿地系统有着更好的除磷效果。

图中TP 去除率曲线变化波动较大，分析原因应该是进出水浓度较低，取值时易造成误差所致。

2.3 装置对TDP 的去除效果

装置A、B 中进出水TDP 变化趋势以及去除率的比较见图4。

由图4 可以看出，当进水TDP 的平均质量浓度为0.19 mg/L，装置A、B 出水的TDP 均小于0.1 mg/L，种有水葱的装置A 去除TDP 的效果要比装置B好。

由图4 可知，装置A 和装置B 对TDP 的去除效果前期波动性较大，这可能与装置内藻类的生长有关〔14-15〕；后期装置对TDP 的去除效果相对平稳，去除率在48%～56%范围内变化。

由出水浓度曲线可以发现，TDP 和TP 存在相同问题，即在出水相对稳定的情况下，由于浓度差别不大，计算误差引起去除率曲线变化较大。

2.4 装置对TN 的去除效果

装置A、B 中进出水TN 变化趋势以及去除率的比较见图5。

由图5 可知，系统TN 浓度总体变化趋势除前期有小波动外，后期一直相对稳定，平均质量浓度为1.8 mg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）湖、库Ⅴ类水平，装置A、B 出水TN 平均为0.98～1.03 mg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）湖、库Ⅲ类水平。

由图5 可知，装置A、B 进出水TN 变化趋势基本一致，TN 主要是通过硝化和反硝化作用得以去除，微生物是此过程的主要承担者，进水中的无机氮包括NH3-N 和NO3--N，均可以被人工湿地中的植物吸收，合成植物蛋白质，最后通过植物的收割形式从人工湿地的废水中去除；一部分NH3-N 转化成NH3后，以气态的形式挥发到大气中。装置A、B 对TN 的平均去除率分别为48.3%、42.3%，可见，装置A 对TN 的去除效果要优于装置B。这是因为本试验装置是折流式潜流，水生植物光合作用产生的氧气通过根部释放至格室的上部空间的水中，使得格室上部空间的水为好氧状态，然而上部空间微生物分解有机物消耗了溶解氧，上部空间的水潜流至下部空间时，溶解氧浓度降低，使得下部空间处于厌氧状态，从而在装置A 内实现了硝化反硝化作用，强化了对TN 的去除。。

3 结论

本试验装置自2011 年3 月运行起至2011 年8月，在挂膜稳定后，比较了不同水力停留时间下种有水葱的装置A 和无水葱的装置B 构成的人工湿地系统对低污染水源水的处理效果，其中在水力停留时间HRT 为24 h，水力负荷为0.5 m3/（m2·d）情况下，装置A、B 对低污染水源水的净化均效果良好，说明PP+K-45 型生物填料与水葱构成的人工湿地可用于对低污染水源水的净化处理。

（1）装置A 和装置B 对TN 的平均去除率分别为48.3％和40.2％；对TP 的平均去除率分别为65.8％和55.9％；对CODMn的平均去除率分别为75.2％和74.8%；对TDP 的平均去除率分别为55.9％和50.3％。

（2）本试验所用的生物绳填料对微污染水具有较好的净化作用。填料丝条不仅能使微生物较好生长，而且对水体中的悬浮物具有一定的吸附作用，使水体浊度降低，观赏度得到改善。

（3）试验是在春夏季进行，但实际运行过程中，秋冬季的低温可能会限制微生物的生长活性。所以将在后续的研究中继续观察摸索人工湿地对低温低污染水的处理情况。并将进行人工湿地系统在实际应用中有关最佳运行条件的摸索、运行参数的控制、湿地植物的筛选的研究，以进一步提高人工湿地系统对低污染废水的处理效果。