潜流型人工湿地对污染物去除效果的研究

1、2005年12月电力环境保护第21卷第4期潜流型人工湿地对污染物去除效果的研究Studyonthepurificationefficiencyofsubsurfaceconstructedwetlands鄢璐,王世和,黄娟,钟秋爽,刘洋(东南大学市政工程系,江苏南京210096)摘要:通过试验,详细研究了两种潜流型人工湿地对各类污染物的去除效果,并探讨了人工湿地的净化特性,分析了人工湿地作为新型水处理工艺在废水尤其是电厂废水处理中应用推广的可行性。关键词:人工湿地;潜流;水平流;垂直流;净化效果Abstract:Theremovalefficienciesandcharacteristicso

2、ftwotypesofsubsurfaceconstructedwetlandswereinvestigat2ed.Theapplicablevaluesinsewagetreatment,especiallyinpowerplantsewagetreatment,ofconstructedwetlandswereanalysed.Keywords:constructedwetlands;subsurface;horizontalflow;verticalflow;purificationefficiency中图分类号:X703.3文献标识码:B文章编号:1009-4032(2005)04-0

3、053-03人工湿地是人工建造和监督管理、与沼泽地相似的地面,通过自然生态系统中的物理、化学和生物三者的协同作用达到对污水的净化1。在一定长宽比及底面坡度的洼地中,由土壤和填料混合组成填料床,废水在床体的填料缝隙或在床体表面流动,并在床体表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观且具有经济价值的水生植物,形成一个独特的动、植物生态系统对废水进行处理。按照床体布水方法或水流方式的差异,一般可将人工湿地分为自由表面流、水平潜流、垂直潜流和潮汐流四种类型2。近年来,国内外对人工湿地的研究进展较快,大多采用潜流式人工湿地34。因此,本试验在充分研究水平流和垂直流潜流型人工湿地对各类污

4、染物去除效果的基础上,研究了人工湿地的净化特性,分析了其作为一种新型水处理工艺在废水处理中应用及推广的可行性。1试验概况试验在南京锁金村污水处理厂进行,试验模型结构如图1。水平流人工湿地池体尺寸为3.3m×1.0m×1.0m,底面坡度1%。垂直流人工湿地池体尺寸为3.3m×1.0m×1.0m,底面坡度2%,纵向分隔为3个等体积单元,各单元落差为8cm,湿地进水经布水区进入第一区底部,在水压作用下,由砾石层向上流经土壤层后进入集水管,并通过该管进入第二区底层,向上流经砾石层、土壤层后由集水管进入第三区底部,最后在第三区上层进入集水区排出。湿地中填料分为4层

5、,底层为20cm厚粗糙砾石(粒径4060mm),中层为30cm厚中等砾石(粒径2040mm),上层为15cm厚细小砾石(粒径1030mm),表层覆土厚约20cm。栽种植物为芦苇,密度为1520株/m2。图1水平流、垂直流潜流型人工湿地结构图53© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2005年12月电力环境保护第21卷第4期试验进水为污水厂初沉池出水,水质情况见表1。湿地运行水位控制在60cm水深处,水力负荷约为0.63m3/(m2d)。表1人工湿地进水水质CODcr/mgL-1

6、150300DO/mgL-10.751.15NH4+-N/mgL-14068BOD/mgL-1100120SS/mgL-180260TP/mgL-13.16.8pH7.88.22试验结果与分析2.1潜流型人工湿地对COD的去除效果有机物与基质、植物根部的微生物充分接触,提高了有机物的去除效率。2.2潜流型人工湿地对TN的去除效果人工湿地的显著特点之一是对有机物有较强的处理能力。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤,可以很快地截留下来,被微小生物加以利用;可溶性有机物则通过生物膜的吸附及微生物的代谢去除。图2为2004年110月两种潜流型人工湿地对有机物的去除效果。13月间,湿地处于建成初期,且温度

7、较低,影响了植物生长和微生物活性,有机物的去除率低于50%。此后,随着温度上升,植物生长旺盛,微生物活性增强,数量增多,COD去除率稳定在70%90%,7、8月份净化效果最佳(约90%)。秋季,随着温度降低,植物开始衰败,微生物活性下降,湿地的去除率有所降低,但由于湿地运行已经成熟,去除率仍在70%以上。表明潜流型人工湿地对有机物具有较好且稳定的处理效果。人工湿地中的氮主要是通过微生物的硝化和反硝化作用而被去除。湿地系统中植物根系的输氧及对氧的释放,使得床体内部存在许多好氧、缺氧和厌氧区,这相当于许多串联或并联的A2/O单元,使硝化和反硝化作用在湿地内同时发生。这使得人工湿地处理系统具有比传统

8、活性污泥法更强的脱氮能力,同时其工程投资也比A2/O工艺大为节省。2004年110月,人工湿地对总氮的去除效果见图3。由图可见,初期较低的温度对硝化菌、反硝化菌的活性有抑制作用,同时影响了植物生长和对系统的供氧,氮去除率不高。从4月份开始,气候转暖,植物、微生物的协同作用使得氮的去除率升高,夏季达80%以上。9月以后,温度降低,植物开始进入休眠、枯萎阶段,硝化、反硝化作用减弱,但对相对成熟的人工湿地,脱氮效率仍可达到60%70%,表明稳定的潜流型人工湿地具有较好的脱氮效果。图2潜流型人工湿地对COD的去除效果(月平均去除率)由图还可以看出,垂直流人工湿地的COD去除率均高于同期水平流人工湿地,

9、最高时可高出15%左右。原因在于垂直流人工湿地具有较好的氧传输能力,有利于污染物的降解。同时,垂直流湿地系统中不易发生传统湿地中的“短路”现象,从而有利于54图3潜流型人工湿地对TN的去除效果(月平均除率)图3还显示,在整个试验阶段,垂直流人工湿地的除氮效果高于水平流人工湿地,究其原因,可以认为其独特的结构设计使整个系统下部存在永久饱水© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2005年鄢璐等:潜流型人工湿地对污染物去除效果的研究第4期层,保证了系统底部的厌氧环境,从而为好氧、兼性

10、厌氧和厌氧微生物提供了各自适宜的环境,有利于硝化菌和反硝化菌的生长繁殖,促进了系统的硝化、反硝化作用,即垂直流人工湿地对氮的脱除同样具有明显的优势。2.3潜流型人工湿地对TP的去除效果磷与填料中附加的石灰石反应充分,强化了基质对磷的吸附、截留作用,同时加强了植物对磷的吸收,以上的协同作用使垂直流人工湿地对磷表现出更高的去除效果。3应用性探讨据国外资料介绍,一般湿地系统的投资和运行费用仅为传统二级污水处理厂的1/101/2。对我国已建或在建的常规生化二级水处理厂投资分析表明:人工湿地的投资远低于常规二级水处理设施。国外已有研究将电厂湿法烟气脱硫工艺与人工湿地联合运行,将脱硫塔排出的石膏作为人工湿

11、地的垫层,利用其中的化学成分提高湿地的除污效果,用于电厂废水的处理,具有很好的研究价值。人工湿地对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收及湿地床的物理化学作用等几方面共同作用完成的。在传统的二级污水处理工艺中,微生物对磷的正常同化吸收一般只能达到4.5%19%,因而,微生物除磷主要是通过聚磷菌的过量摄磷作用而实现的。由于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用的交替进行,致使系统中交替出现好氧和厌氧状态,通过厌氧状态下的放磷及在好氧状态下的摄磷而利于磷的去除。同时,湿地床中填料对磷的吸收及填料与表层土层中钙和磷的反应、含钙质填料和磷的反应及填料与PO43-的离子交换反应对磷的去除起主要作用。潜流型人

12、工湿地对TP的去除效果见图4。4结语两种潜流型人工湿地的净化试验可见:(1)潜流型人工湿地对污水的处理效果较好、稳定性较高。在稳定运行期,对COD的去除率达70%以上,最高在90%左右;TN去除率65%以上,最高可达85%;TP去除率60%以上,最高达80%以上。(2)在垂直流和水平流人工湿地的对比中发现,垂直流湿地独特的结构及流态特点使其对各类污染物的去除均高于同期的水平流湿地,表现出明显的优势。(3)潜流型人工湿地特别是垂直流系统作为新型的水处理工艺,具有良好的处理效果,运行稳定,投资及运行费用低,并可与电厂脱硫工艺相结合,在电厂废水处理中具有广阔的应用前景。参考文献:图4潜流型人工湿地对

13、TP的去除效果(月平均去除率)1吴晓磊1人工湿地废水处理机理J1环境科学,1994,16(3):83-8612丁疆华,舒强1人工湿地在处理污水中的应用J1农业环境保湿地启动初期,基层作用明显,磷去除率呈上升趋势;启动后期,基质的物理化学作用降低,去除率有所下降。5月后,旺盛生长的植物对磷的去除效果加强,微生物也表现出一定的脱磷作用,除磷率稳定在70%80%。秋季,植物对磷的吸收减弱,甚至出现释磷现象,磷去除率有所下降,但仍可保持在50%左右。试验认为稳定的潜流型人工湿地对磷具有一定的去除效果。同样,与水平流人工湿地相比,垂直流人工湿地中特殊的流态,使污水和基质、植物根部接触充分,护,2000,19(5):3202封313WoodA.ConstructedWetlandinWaterPollutionControl:FundamentaltotheirunderstandingJ1ICWA94Proc,1994,(10):25-3414ChrisC,JohnSCetal.Effectofloadingrateandplantingontreatmentofdairyfarmwaste2waterincon