太湖流域生态塘与人工湿地组合工艺脱氮除磷效果研究

太湖流域生态塘与人工湿地组合工艺脱氮除磷效果研究

0生活污水处理目前，许多城市的废水处理主要集中在二级生物废水处，可以有效清除废水中的有机碳和悬浮物。然而，由于其自身的原因，氮、磷等养分的去除效果较低。一般来说，去除率为10%-20%，废水水质难以满足国家排放标准。而人工湿地和生态塘具有投资及运行费用省、能耗低和维护方便等优点,可将其作为常规生物处理工艺的补充,有效削减受纳水体的污染物负荷,因此广泛应用于面源污染控制和湖泊综合治理。苏州三山岛位于太湖中,地理位置特殊,生活污水排放会直接影响太湖水质。鉴于该地区农村生活污水分散、量小和水质水量变化大等特点,以及现有二级生化处理出水水质难以满足太湖流域执行的严格排放标准,同时结合该岛生态景观和旅游建设发展的需要,本研究采用易与景观相结合的生物生态处理技术,即人工湿地与生态塘组合工艺,对三山岛生活污水经A2/O二级工艺处理后进行深度处理。季节变化对生态处理工艺效能有较大影响,易导致其除污能力下降,对此尚无有效解决途径。目前,针对季节变化对A2/O工艺+人工湿地和生态塘组合工艺影响的研究鲜有报道。本文主要考察季节变化对人工湿地与生态塘组合工艺除污性能的影响,以期为本地区相关生物及生态治理技术的设计和运行提供有益的经验参数。1试验部分1.1前处理系统设计生物+生态处理系统主要包括前处理系统和人工湿地与生态塘组合工艺两部分,太湖三山岛农村生活污水通过污水管网接管至前处理系统(见图1)。前处理系统的主体构筑物为A2/O污水处理厂,设计进水水量为1000m3/d。人工湿地与生态塘组合工艺主要包括生态塘和潜流人工湿地(见表1),总面积为11000m2,总有效容积为11812.60m3,总水力停留时间为283.50h左右。1.2设计水量及水质人工湿地与生态塘组合工艺采用原水为城镇污水处理厂尾水:ρ(COD)为33.91~58.09mg/L,ρ(NH4+-N)为3.57~9.62mg/L,ρ(TN)为5.76~13.88mg/L,ρ(TP)为1.11~2.04mg/L,ρ(SS)为10mg/L,pH为6~8。本工艺设计水量为1000m3/d,24h运行。2011年6月开始投配污水,三山岛的主要产业为旅游业,污水水质水量受游客量以及季节的影响较大,冬季平均进水量在150m3/d,春秋季平均进水量在300m3/d,夏季平均进水量在500m3/d。1.3取样点位置的设置试验时间为2011年6月—2012年12月。试验初期2011年6—8月,每隔7d采集监测水样1次,即每月的监测频率为4次/月;9月以后监测频率为2次/月。取样点位置的设置(见图2):A2/O出水口设置为1号取样点;兼性生态塘A出水端设置为2号取样点,并在表层下1/4、3/4水深处分别取样;湿地B1单元出水端设置为3号取样点;湿地B2单元出水端设置为4号取样点;湿地B3单元出水端设置为5号取样点;好氧生态塘C系统中部设置为6号取样点;兼性生态塘D进水端设置为7号取样点;兼性生态塘D出水端设置为8号取样点。试验分析方法采用国家环保总局发布的标准方法。2试验结果与讨论2.1cod的去除人工湿地组合工艺对COD去除效果见表2。由表2可知:在夏、秋、冬、春4个季节系统对COD具有较好的去除效果。当进水ρ(COD)平均为(47.54±5.56)mg/L时,平均去除率为(60.78±5.17)%,出水ρ(COD)平均为(18.44±1.72)mg/L,可达GB3838—2002《地表环境质量标准》Ⅲ类标准(ρ(COD)=20mg/L)。从对系统COD平均去除率和单位面积COD去除量来看,不同季节组合工艺对COD去除能力分别为:夏季>秋季>春季>冬季,这与徐康宁等的报道结果相似。一般认为,生态处理系统对COD去除途径主要包括以下3种:1)不溶性有机物先由生态处理系统中的填料和植物根系截留,而后被微生物代谢降解;2)溶解性有机物可通过填料和根系上的生物膜吸附、吸收和代谢降解;3)吸附和沉淀的有机物由填料的更换,植物的收割去除。由此可见,大部分COD主要是由微生物生物代谢降解去除。在本系统中,夏、秋和春季较冬季高,而夏季温度最高,微生物代谢活跃,COD去除效果最好;冬季气温则最低,COD去除效果最差。2.2去氮效果2.2.1nh4+-n去除量人工湿地组合工艺对NH4+-N去除效果如表3所示。由表3可知:不同季节系统对NH4+-N具有较好的去除效果,去除率分别为:冬季>夏季>秋季>春季,而单位面积NH4+-N去除量分别为:夏季>秋季>春季>冬季。当进水NH4+-N平均浓度为(2.35±0.46)mg/L时,平均去除率为(66.00±5.25)%,出水NH4+-N平均浓度为(0.77±0.13)mg/L,可达GB3838—2002Ⅲ类标准(ρ(NH4+-N)为1.0mg/L)。2.2.2植物系统氮的去除人工湿地组合工艺对TN的去除效果如表4所示。由表4可知:不同季节系统对TN去除效果差异较小,TN去除率均在60%以上。当进水ρ(TN)为(5.84±1.05)mg/L时,平均去除率为(62.26±3.83)%,出水平均ρ(TN)<2.19mg/L,接近GB3838—2002Ⅴ类标准,即ρ(TN)(湖、库以N计)为2.0mg/L。研究表明,氮素的去除主要包括填料的吸附、吸收和过滤等物理作用,生物的同化作用以及植物根系、填料与填料以及填料土壤之间形成的好氧、缺氧和厌氧区,有利于微生物进行硝化-反硝化作用脱氮;其中,微生物的硝化-反硝化作用对组合工艺的脱氮贡献较大。此外,系统单位面积氮的去除量分别为:夏季>秋季>春季>冬季,这主要受温度的影响较大。三山岛夏季的平均气温为28℃左右,冬季的平均气温为2.9~3.3℃,年平均气温为15.7~16.0℃。Crites研究表明,当温度为10℃时硝化速率比较稳定,而温度低于10℃时,湿地的脱氮效果明显下降;而氮去除率分别为:冬季>夏季>秋季>春季。究其原因,三山岛的污水水质水量受游客量的影响较大,旅游淡季(冬季)进水量为150m3/d,进水N负荷较低,所以冬季去除效果较好。秋季和春季进水量为300m3/d,夏季进水量为500m3/d左右,进水氮负荷较高,因此氮去除率较冬季差。2.3进水tp时,各微生物的去除效果人工湿地组合工艺对TP去除效果,如表5所示。由表5可知:不同季节系统对TP均具有较好的去除效果,去除效率和单位面积TP去除量顺序:夏季>秋季>春季>冬季,但去除效果差异小。当进水ρ(TP)为(0.68±0.10)mg/L时,平均去除率为(92.84±1.89)%,出水ρ(TP)<0.05mg/L,可达GB3838—2002Ⅲ类标准(湖、库的ρ(TP)为0.05mg/L)。在生态处理系统中,P的去除方式主要包括微生物的固定、物理化学作用和植物的吸收。其中,填料的物理化学作用和微生物吸收是除磷的主要方式。在生态处理系统的运行初期大部分除磷填料对磷去除率可达90%以上。此外,在本系统运行期间,夏季和春季温度较冬季高,微生物新陈代谢旺盛,活性强,去除效果好。3污染物设计及去除效果以苏州太湖三山岛污水处理厂尾水为水源,通过季节变化对人工湿地与生态塘组合工艺脱氮除磷的研究,试验结果表明:1)在不同季节下,系统对COD、NH4+-N和TP均具有较好的去除效果,平均出水可达GB3838—2002Ⅲ类标准。而对TN去除效果一般,平均出水水质接近GB3838—2002Ⅴ类标准。2)不同季节,系统对各污染物的去除率相差不大。