利用垂直流人工湿地小试系统处理猪场污水启动及负荷提升阶段运行小结

利用垂直流人工湿地小试系统处理猪场污水启动及负荷提升阶段运行小结【摘要】：考察了三套采用不同填料的垂直流人工湿地系统在启动及负荷提升期的性能表现，分析发现：垂直流系统对污水中的CODCr，NH4+-N、TP去除效果比较稳定，三个系统在CODC.去除方面差别不是很大；在氨氮去除方面，沸石型和沸石-煤渣型CW较传统型CW有较好的抗冲击负荷能力，在TP去除上传统型CW效果最好；由于垂直流湿地系统的反硝化能力较弱（NO3--N得不到高效去除），因此三套系统对TN去除率都普遍较低。【关键词】：垂直流人工湿地猪场污水性能表现1、 前言近年来，人工湿地污水处理系统以其高效、低耗、低运行成本已经在污水处理中得到了广泛的应用，取得了比较好的效果，但还存在着一些问题，如污水中氨氮难以去除J其去除率低，一般不超过60%，而且不能持续、稳定的去除，水质难以达标。且由于氨氮是造成水体富营养化的限制性因子之一，因此必须提高人工湿地去除污水中氨氮的能力。近十几年来，国内对水平潜流人工湿地系统的研究相对较多，有关垂直流人工湿地的研究报道则相对较少。而在高浓度氨氮污水处理方面，垂直流湿地有着水平流湿地无法比拟的优势，因为前者可承受较大的污染负荷，并能达到很好的硝化效果，而后者则必须在较低的污染负荷下（不超过0.2gTKN/m2.d），采用很大面积才能达到较好的硝化脱氮效果⑵。因此无论从硝化功能或是经济角度来看，垂直流湿地均优于水平流湿地。本实验目的是在上述研究及实践基础上，采用碎石、沸石、煤渣等作为填料，模拟三套人工湿地小试装置，充分发挥垂直流湿地高效的硝化与净化能力来处理猪场污水，使其达到一般农业灌溉水回用标准。2、 实验材料与方法2.1垂直流人工湿地小试装置流程示意图：

布水管10cm细沙层虹吸出水布水管10cm细沙层虹吸出水2.2反应器及选用填料、植物反应器设计:垂直流湿地尺寸为0.5mx0.5mx0.7m，粒径从下到上逐渐减小。表层是10cm厚、粒径0-5mm的细沙层，中间层为30cm厚、粒径为8-16mm的填料层，底部为20cm厚、粒径16-32mm的砾石排水层。本试验三个反应器填料充填方式如下表:表1反应器填料构成及充填方式反应器编号、类型①传统型②沸石型③沸石-煤渣型填料底层20cm①16-32砾石①16-32砾石①16-32砾石填料中间层30cm①4-8mm碎石①4-8mm碎石+沸石①4-8mm煤渣+沸石填料表层10cm①0~2mm细沙①0~2mm细沙①0~2mm细沙选用填料:碎石、沸石、煤渣2.2实验方法引畜禽废水进入小试系统，使湿地逐渐适应由低到高的污染负荷。按1：9、1：4、1：3、1：2、1：1逐渐进行稀释进水。

进水水力负荷和落干时间参数见表2表2进水水力负荷和落干时间参数稀释十倍稀释五倍稀释四倍稀释三倍稀释二倍水力负荷10cm/d7.5cm/d7.5cm/d7.5cm/d7.5cm/d流量104ml/min52ml/min52ml/min52ml/min52ml/min进水次数（60min/次）816161616停留时间32h64h64h64h64h排水落干1.0d1.67d1.67d1.67d1.67d2.3水样分析方法[3]DO：溶解氧仪法；pH值：pHS-3C型酸度计；TN：过硫酸钾氧化一紫外分光光度法；NH4+-N:纳式试剂光度法；NO3--N:紫外分光光度法；CODC.：重格酸钾法；TP：钼锑抗分光光度法。3、结果与讨论猪场污水水质受多种内在因素以及天气状况等外部因素影响，水质参数变化较大，因此反应器进水污染负荷波动较大，但个反应器污水污染物的去除率还是随着不同的进水负荷有着明显的差异。3.1污染物去除效果1、CODCr去除效果进水周期进水一■-传统型CWTl沸石型CWT—沸石-煤渣型CW图1启动期各进水周期进出水中COD浓度变化

7001000)600/500(400度300浓2007001000)600/500(400度300浓200不同污染负荷进水阶段口进水 口传统型CW □沸石型CW □沸石-煤渣型CW图2启动期各阶段进出水中COD浓度变化ooooO^8642>%<率效除去，不同污染负荷进水阶段口传统型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW图3启动期各阶段COD去除效率各个反应器三个负荷阶段进出水CODCr变化如图1、2所示，从图1可以看出，虽然进水污染负荷变化较大（由于天气和其他未知因素），但三个反应器出水CODCr值还是比较稳定，三个系统出水CODCr去除率基本都在80%左右，沸石型系统较其他两个系统略差，但其出水CODCr也在100mg/L左右。从图3，三个阶段的CODC,去除率变化可以发现，随着进水污染负荷提升，三个反应器的去除效率呈缓慢下降趋势，但下降幅度不是很大，去除率稳定在70〜80%左右，由此表明，垂直流湿地有较高的稳定性，有一定的抗冲击负荷能力。KatrinVOnFelde等人［4］研究发现，垂直流湿地系统中，CODCr的降解主要发生在25cm的上层湿地空间；而硝化反应则主要发生在上部45〜60cm，这一区域硝化作用比较充分，可以产生80%的NO3--N，而这其中的表层区域（0〜15cm）的硝酸盐还原酶活性是下层（15〜60cm）的10倍以上。Boller等认为，垂直流湿地溢流或者经常性的小流量进水会降低处理效率，因为这样会导致上层区域长时间充水，不利于上层空间氧气的补充（氧在水中的扩散比在空气中扩散慢1000倍），在水力负荷一定的情况下，可分少次进水，加大每次布水量。因此，通过调整改进操作运行方式，可以促进上层区域氧气的补充，从而提高处理效率。2、NH4+-N去除效果（度浓氮氨250200150100500（度浓氮氨2502001501005000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15进水周期T一进水T—传统型CW▲沸石型CW一君一沸石-煤渣型CW图4启动期各进水周期进出水中氨氮浓度变化不同污染负荷进水阶段口进水口传统型CW□沸石型CW□沸石-煤渣型CW70(率效除去氮氨120不同污染负荷进水阶段口进水口传统型CW□沸石型CW□沸石-煤渣型CW70(率效除去氮氨120)1000不同污染负荷进水阶段口传统型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW图6启动期各阶段氨氮去除效率02图5启动期各阶段进出水中氨氮浓度变化进出水中氨氮浓度变化如图4、5所示。在三个不同的实验进水污染负荷下，进水平均氨氮浓度从84.1mg/L提高到165.1mg/L，尽管进水中负荷变化较大，但三个反应器的去除效率还是比较稳定的，虽然随负荷的提升，去除效率有一定程度下降，但是由图6可发现，沸石型和沸石-煤渣型反应器的去除效率较传统型垂直流系统好，去除效率基本保持在90%以上，三个反应器之间的去除率差异随着进水负荷提高也逐渐显现，传统型反应器氨氮的平均去除率已从96.3%下降到82.4%，其与沸石型、沸石-煤渣型反应器出水中氨氮平均浓度差别明显为17.4〜20.7mg/L。由此可以看出，利用沸石，以及沸石煤渣混合填料的反应器系统对进水氨氮的抗冲击能力明显强于传统型的垂直流，对于处理更高浓度的含氨氮污水来说，改进型反应器更具有稳定、可靠的特性。这可能与这两个反应器中的填料配比有关，沸石对水中氨氮有很强的吸附作用，因此能承受较高浓度的含氨氮污水，而煤渣也是一种孔隙率很高的填料，因此在系统充氧能力和吸附性能上都有一定优势，所以，对于高浓度含氨氮污水，反应器的处理效率及抗冲击能力大小依次为：沸石-煤渣型CW＞沸石型CW＞传统型CW根据他人的研究发现，垂直流湿地系统在污染负荷提升后去除效率会下降是由于其层内的供氧不够，为此，在前人的研究基础上：Platzer⑵推导出垂直流湿地中需氧量的计算公式:Oxygendemand(OD)[g/d]=0.85-0.7-CSB[g/d]+4.3-TKN.、g/d]-0.1-2.9-TKN.\g/d]因此，目前应该关注于垂直流湿地系统的有效充氧，以及进水运行方式的调整。一些研究人员提出的提高垂直流系统充氧能力的措施如下[4]间歇性进水：使表层有一定落干时间，对于中型砂砾床湿地1~2次/天，对于大型砾石型湿地可增加频率，减少每次进水量(v5mm/次)。(Boilereta/1993)；交替的间歇系统：采用两套并行的湿地系统，最好使其落干期为进水期的两倍以使系

统得到充分的休息。(Guilloteau,1992)避免溢流和经常性充水的情况；种植湿地植物，通过植物根部进行充氧。3、TN、TP去除效果口进水口传统型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW图7启动期各阶段进出水中TN口进水口传统型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW图7启动期各阶段进出水中TN浓度变化1:9稀释进水 1:4稀释进水 1:3稀释进水口进水口传统型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW图8启动期各阶段进出水中TP浓度变化1:9稀释进水 1:4稀释进水 1:3稀释进水不同污染负荷进水阶段口传统型CW口沸石型CW口沸石-煤渣型CW图9启动期各阶段TP去除效率猪场污水中氮素主要以有机氮、氨氮(41.8〜51.0%)形式存在，硝化以及填料的吸附作用是氨氮的主要去除途径。三个反应器中，传统型CW主要靠硝化作用去除氨氮，沸石型和沸石-煤渣型CW则靠硝化与吸附共同作用去除氨氮；而污水中的有机氮主要靠系统中的微生物氨化为NH4+-N，然后再被氧化成NO3--N。由图7可以看出，三个小试系统TN的去除率不是很高，主要是由于垂直流湿地系统充氧能力较好，对于氨氮有较好的硝化去除能力，而对NO3--N的反硝化能力很弱，由此传统型湿地系统的TN进水前后基本变化不大，沸石型、煤渣-沸石型由于吸附了一定的氨氮，因此有一定去除，但是反硝化和有机氮矿化能力依然缺乏。JohannesLaber等人⑸采用回流硝化出水的方法，以提高TN的去除率，研究发现，回流50〜60%的垂直流湿地出水至前段的沉淀池，使其与原污水混合，可以为反硝化提供0源及缺氧的环境，促进反硝化，整个系统的TN去除率可达到78%左右，效果非常突出。S.Kantawanichkul等［6］设计了一种垂直流与水平流为一体的人工湿地装置，垂直流出水进入后段的水平流湿地，也能达到很好的TN去除效果。垂直流人工湿地系统磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化学吸附和沉淀作用和微生物的同化作用以及植物摄取作用［7,8］。其中化学吸附沉淀与微生物的同化作用为磷的主要去除途径（贡献率50〜65%）［9］。由图8、9可知，传统型湿地系统对污水中磷的去除效果最好，采用沸石的反应器去除效果较差，可能这是由于沸石的选择性吸附特性决定，其只对污水中氨氮有较好的吸附效果，对P的吸附能力很差，而煤渣吸附性能略好于沸石。3.2系统充氧和硝化性能分析1:9稀释进水 1:4稀释进水 1:3稀释进水不同污染负荷进水阶段口进水口传统型CW□沸石型CW口沸石-煤渣型CW图10启动期各阶段进出水中NO3-N浓度变化由图10可知，在传统型CW中，填料生物膜上硝化菌群非常繁殖，随着进水污染负荷的不断提升，出水NO3--N浓度逐渐升高，硝化作用比较完全，一般出水浓度略高于进水NH4+-N浓度，说明部分氨化的有机氮也被硝化去除。而沸石型、沸石-煤渣型CW出水NO3--N浓度并没有期望中那么高，但是比较其NH4+-N及TN的去除率，这两种反应器优于传统型，说明对氨氮有很强选择性吸附的沸石起了关键性作用，对于中高浓度的含氮污水，沸石可缓冲负荷，暂时吸附，同时也表明，沸石型与沸石-煤渣型系统有更高的抗污染负荷和处理能力。LahavO.等"］研究发现，用沸石处理40mg/L的污水，停留2分钟，可去除95%以上的氨氮。沸石再生阶段。反应器中固定的生物膜、流态化的良好的微生态环境利于硝化细菌的生长繁殖。在三个反应器中，都出现某次出水的NO3--N浓度会突然增大这种现象，这是由于反应器内填料中吸附或截留的氨氮、有机氮等在落干期被硝化后排出，通常发生的进水负荷提升后的2〜3个进水周期，单次NO3--N排出浓度会比较高。可能是由于这个时期的反应器内的微生物环境还没有充分适应较高的污染负荷导致。三个反应器在负荷提升期间，DO值比较稳定，由最初的1.0mg/L逐渐下降至第二阶段的0.6〜0.8mg/L，再继续降至第三阶段的0.3〜0.4mg/L。由此可发现，DO值与进水负荷呈显著的负相关，这是由于进水中有机物、氨氮浓度提高，相应需氧量增大，导致DO消耗增加，因此，在垂直流系统处理较高浓度的有机污水时，必须保证其供氧，否则会导致处理效率的下降。在下一步实验中将继续调整运行参数，并采取措施改善系统的充氧能力。4、 结论♦随着进水污染负荷提升，三个反应器对CODCr去除效率呈缓慢下降趋势，但下降幅度不是很大，去除率稳定在70〜80%左右，由此表明，垂直流湿地有较高的稳定性，有一定的抗有机冲击负荷能力；♦三个反应器氨氮去除效率随着进水污染负荷提升有较明显差异，对于高浓度含氨氮污水，反应器的处理效率及抗冲击能力为:沸石-煤渣型CW＞沸石型CW＞传统型CW；♦小试系统对NO3--N的反硝化能力很弱，因此传统型湿地系统的TN进水前后基本变化不大，沸石型、煤渣-沸石型由于吸附了一定的氨氮，因此有一定去除，但是垂直流湿地系统反硝化和有机氮矿化能力依然缺乏；♦沸石型、沸石-煤渣型CW出水NO3--N浓度低于传统型湿地，但是比较其NH4+-N及TN的去除率，这两种反应器优于传统型，填料中的沸石起了关键性作用，实验表明，沸石型与沸石-煤渣型系统有更高的抗污染负荷和处理能力。5、 下一步研究展望继续提升反应器进水负荷，监测三套系统在更高进水浓度下的表现；在保持进水浓度不变的情况下，调整进水频率与流量，找出最佳的污水投配参数；种植湿地植物，提高垂直流湿地表层的充氧能力。参考文献:孙广智，于忠明.人工芦苇床污水处理技术.污染防治技术，199912(1):1-4ChristophPlatzer..Designrecommendationsforsubsurfaceflowconstructedwetlandsfornitrificationanddenitrification.Wat.Sci.Tech.,1999,40(3):257-263国家环境保护总局编.水和废水监测分析方法(第四版)，中国环境科学出版社，北京，2002KatrinvonFelde,SabineKunst,N-andCOD-removalinvertical-flowsystems.Wat.Sci.Tech.,1997,35(5):79-85JohannesLaber,ReinhardPerflerandRaimundHaberl,Twostrategiesforadvancednitrogeneliminationinverticalflowconstructedwetlands.Wat.Sci.Tech.,19