不同填料对室内小试污水净化效果研究

不同填料对室内小试污水净化效果研究

近年来，建成的湿区生态处理技术在国内外得到了广泛应用，其中植物、填充植物、生长在填充植物和植物根系表面的微生物组成。人工湿地填料不仅为植物生长、微生物附着提供适宜条件,自身还通过物理化学吸附,沉降络合等作用有效去除污染物质。目前湿地填料的选择大多以填料对特征污染物的去除情况为依据,如除磷填料的选择常依据填料最大磷吸附量,实验中此法选用填料较少且粒径较实际工程所用填料小,对填料的实际去污性有过高估计。为此,本实验开展不同单一填填料及其组合运行效果实验研究,通过比较TN、TP、COD的去除效果,优化选择人工湿地填料。1实验部分1.1实验填料的确定目前用于污水处理的人工湿地填料包括碎石、页岩、煤灰、矿渣、陶粒、石灰石、沸石等。考虑到填料的来源及成本等因素,选用天津本地的页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石作为实验填料。填料的物理性质影响填料与污染物、溶解氧的接触状况及微生物的生长状况,进而影响污染物去除效果,因此对实验所用填料的干容重、孔隙率、水力渗透系数、颗粒粒径级配等部分物理性质进行测定,具体数据见表1。1.2实验系统运行及效果实验测定比较室内无植物条件下填料对污染物的去除性能。实验装置共8套(见图1),每套装置由污水配给箱、下行柱和上行柱(按污水流向)等构成。上行柱和下行柱材质为有机玻璃,内径均为15cm,高120cm,进水管位于上行柱100cm处,出水管比进水管低10cm。1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#分别代表装填单一填料或组合填料的实验装置(填料组合情况见表2)。系统自2006年1月中旬于室内运行,中央空调控制室温25℃,取卫津河河水作为小试污水水源贮于室内污水箱,容积为3m3,主要水质参数:COD为115~140mg/L,TN为7.8~9.5mg/L,TP为1.4~1.6mg/L,pH为8.32~8.64。系统运行初期,24h连续用泵于污水箱中抽取污水,设计水力负荷200mm/d,各装置日进污水约7L。运行两周后,发现泵抽取污水过程中造成水流紊动引起悬浮颗粒物在流量控制阀附近积累,导致部分实验装置进水流量减小甚至无出流,致使实验条件不一进而无法比较实验结果。后采用人工投加等量污水:工作日每日上午8点向各装置加水3L,下午4点加水4L,日光灯照明8h;周末及节假日采取上午8点一次性加水7L和室内熄灯操作。调节流量控制阀使各装置流量接近,促使装置连续24h运行。整改后,实验于2006年3月开始正常运行,设计实验周期为一个月,每隔两天在进水口、出水口采集水样,测定污染物质TN、TP、COD浓度变化情况。1.3分析方法TN:采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;TP:采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法(为UV-7504c紫外分光光度计,上海);COD:采用COD快速测定仪(HE-9906,德国)。2结合污染物的性能2.1cod的去除植物床人工湿地对COD的去除通过好氧降解、厌氧降解及填料吸附沉降、植物组织吸收实现,植物根系不断向床体释放氧气使好氧降解成为人工湿地去除COD的主要途径。本研究小试系统无植物,COD去除主要靠填料吸附和填料表面微生物同化吸收。对各实验装置进水及出水采样分析,测定COD去除率变化情况,结果见图2、图3。从图中可看出,无论单一填料还是组合填料,COD去除率随时间推移呈现出周期性波动,但波动趋势大体一致,造成这种现象的原因在于周末和节假日与工作日进水方式、室内灯光照射条件不同。基于填料选择的需要,从污染物去除效果看,单一填料页岩COD去除效果最好,最高可达40%,其次是麦饭石、粗砾石,铁矿石最差,COD去除率大多数低于10%。组合填料COD去除效果接近,去除率在10%~35%之间浮动,这与无植物床COD的去除途径有关。室内小试系统无植物栽种,有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现,因此水力渗透系数低(水力滞留时间长)、孔隙率低的页岩和麦饭石具备较长的污水、填料接触时间和较大接触面积,提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件,COD去除率相应比粗砾石和铁矿石高。相比单一填料,组合填料COD去除率相近可能是组合填料物理性质相似的结果。2.2填料tn及tn去除率随时间的变化人工湿地去除氮素通过植物组织吸收、填料吸附沉降及生长在植物、填料表面的微生物硝化、反硝化实现。室内小试无植物栽种且室内缺乏阳光照射对微生物生长不利,水力负荷200mm/d(水力停留时间约2.4d)达不到微生物彻底除氮的要求(水力停留时间最低为5d),以上因素导致室内小试TN去除主要靠填料吸附沉降完成。TN去除率变化如图4、图5所示。从TN去除率看,单一填料页岩TN去除率最高,达到85%以上,其次是麦饭石、铁矿石、粗砾石;组合填料中页岩与粗砾石TN去除率稍高于页岩与麦饭石组合,粗砾石与铁矿石组合去除率较低,在20%~40%之间。填料TN去除率变化情况与其现阶段去除途径有关。实验条件下,TN主要通过填料吸附被去除,因此孔隙率低、水力渗透系数低的页岩具备较好的填料、污染物接触效果,TN去除率相应比麦饭石、铁矿石、粗砾石高;组合填料中,粗砾石与页岩组合TN去除率稍高于麦饭石与页岩组合,但麦饭石TN去除率随时间推移下降较快,从初期的75%下降至40%,其吸附能力随着处理时间的增加将趋于饱和,因此麦饭石及其组合不宜作为TN去除填料。与COD去除率相比,部分填料的TN去除率也呈现出波动与随时间推移逐渐变小的趋势。造成TN去除率波动的原因也与工作日与节假日进水方式和光照条件不同有关。TN主要靠吸附去除,受微生物影响较COD小,因此去除率波动幅度相应小于COD。部分填料及填料组合TN去除率下降可能是填料的吸附能力随着处理时间的增长有所降低的缘故。2.3组合填料中磷的去除效果从图6、图7看出,处理初期单一填料和组合填料TP去除率均呈现出一定下降趋势,然后趋于稳定,该现象与填料的磷吸附特点有关。填料对磷的吸附包括物理吸附、化学吸附和微生物吸附,室内小试系统由于缺乏阳光不利于微生物生长,填料吸附以物理吸附和化学吸附为主,物理吸附时间短,吸附量小,易饱和;化学吸附通过填料中金属元素Al、Fe、Ca等与磷素形成沉淀或络合物实现,吸附较稳定。试验前期,填料对磷的吸附以表面物理吸附为主,随着物理吸附逐渐饱和,化学吸附成为TP去除首要因素,TP去除率随之呈现出较稳定的趋势,但部分填料及其组合TP去除率随时间推移逐渐下降,其中麦饭石TP去除率下降最快,从实验初55%减少到30%。可见,随着实验周期延长,麦饭石的磷吸附去除能力渐渐趋于饱和,因此麦饭石不宜作湿地除磷填料。组合填料中,页岩与麦饭石、页岩与粗砾石、铁矿石与粗砾石组合可能由于填料的吸附能力减弱造成TP去除率也出现较小下降趋势,但麦饭石与粗砾石组合TP去除率下降后又上升,并保持相对稳定,这可能是组合的填料化学吸附强于物理吸附的结果,其具体原因可通过测定填料化学性质及相关吸附实验来确定。单一填料页岩TP去除率最高达到85%以上,其次是麦饭石、粗砾石、铁矿石最低,不足10%。组合填料中,页岩与粗砾石TP去除率最高,高于其它组合填料及除页岩外的单一填料,页岩与麦饭石组合次之,粗砾石与铁矿石组合TP去除率最低。页岩的磷吸附能力很强,吸附实验测得其最大吸附量为730mgP/kg。图6、图7中页岩及其组合磷去除效果明显好于其它单一及组合填料,验证了页岩是较好的湿地除磷填料,铁矿石TP去除率较低可能与环境有关,室内小试出水pH值介于8.02~8.26之间,说明系统属弱碱性,碱性条件下,铁矿石中的Fe元素不易与磷结合,因此磷去除效果不佳。3人工湿地填料本文比较室内小试填料页岩、麦饭石、粗砾石、铁矿石及其组合COD、TN、TP去除情况。结果表明:在相同进水水质、水力负荷为200mm/d的运行条件下,单一填料中,页岩的COD、TN、TP去除性能优越,去除率分别最高分别可达40%、88.9%、87.5%,是理想的人工湿地去污填料。麦饭石物理性质优越,但去污能力有限,不满足人工