人工濕地處理污水處理廠尾水中試研究_高翔_黃津輝_張忠廣_周緒申

1、第卷 第期年月南 水 北 調(diào) 與 水 利 科 技 ：人工濕地處理污水處理廠尾水中試研究高翔，黃津輝，張忠廣，周緒申（天學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 ；水利部 海河水利委員會(huì)水資源保護(hù)局，天津 ）摘要：天津市某污水處理廠出水中仍含有大量 、 以及難降解的大分子物質(zhì)等污染物，計(jì)劃采用潛流人工濕地系統(tǒng)對污水廠出水進(jìn)行深度處理，使其達(dá)到城市景觀用水的標(biāo)準(zhǔn)。利用中試試驗(yàn)?zāi)M潛流人工濕地系統(tǒng)對出水中主要污染物的去除效率，發(fā)現(xiàn)：接種微生物的濕地系統(tǒng)對尾水中的懸浮物有較高的去除效率，約為 ；懸浮物的去除與基質(zhì)的吸附和物理沉淀作用有很大關(guān)系；接種微生物的濕地系統(tǒng)對尾水中的 有較好的去除效率，達(dá)到

2、，并且功能微生物的添加提高了對 的去除能力；接種微生物的濕地系統(tǒng)對氨氮與總氮的去除效率均不理想，分別為 和 ；溶解氧的增加有助于氨氮和總氮的去除；接種微生物的濕地系統(tǒng)對總磷的去除率為 ，主要依靠基質(zhì)的吸附和物理沉淀作用。關(guān)鍵詞：人工濕地；降解；基質(zhì)；礫石；煤渣；功能微生物中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號：（） ， ， ， （ ，； ，） ： （） ；（）；（） ， ；（） ， ；（） ；（） ， ：；目前，作為生命之源的淡水資源正面臨污染與短缺的雙重威脅，尋求高效的污水凈化技術(shù)以及合理的污水再生資源化途徑是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。污水資源化可有效減少城市淡水資源的消耗，降低污染物的外放量，有利于

3、創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的城市生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益巨大，并且能從根本上解決城市水資源匱乏的局面，是缺水城市應(yīng)采取的勢在必行的措施。天津市正建設(shè)一座承擔(dān)某區(qū)域內(nèi)污水收集與處理的污收稿日期：修回日期：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：網(wǎng)絡(luò)出版地址：基金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（）；國家國際科技合作專項(xiàng)（）作者簡介：高 翔（），男，山東德州人，碩士研究生，主要從事城市生態(tài)水文方面的研究。：。通訊作者：黃津輝（），女，加拿大人，教授，主要從事城市生態(tài)水文方面的研究。：。生 態(tài) 與 環(huán) 境高 翔等 人工濕地處理污水處理廠尾水中試研究水處理廠，污水主要是以電子廠出水和紡織廠出水為主的

4、工 業(yè)污水以及生活污水，其中工業(yè)出水中含有大量的難降解大 分子物質(zhì)。污水廠的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（）中的一級 標(biāo)準(zhǔn)，但其出水中仍然含有較多的氮、磷以及難降解的大分子物質(zhì)等污染物。因此直接排入排污河，將造成區(qū)域水資源的大量浪費(fèi)和污染 轉(zhuǎn)移。這種情況下需要對污水廠出水再進(jìn)行深度處理，降低 氮、磷以及難降解物質(zhì)等污染物的含量，達(dá)到景觀甚至生活 用水的標(biāo)準(zhǔn)。無論從功能性和經(jīng)濟(jì)性考慮，人工濕地系統(tǒng)都是污水深度凈化方式的理想選擇。王琳娜等利用傳統(tǒng)的水平潛流人工濕地處理不同濃度的污水處理廠尾水，結(jié)果顯示出水能夠達(dá)到景觀回用水水質(zhì)要求；楊長明等研究組合人工濕地對無錫城北污水處理廠出水尾水中

5、不同有機(jī)物的去除效率， 結(jié)果顯示出水基本可以達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) （） 或 類水標(biāo)準(zhǔn)；文輝等針對污水處理廠尾水氮素高的現(xiàn)象，選用不同固體碳源進(jìn)行試驗(yàn)，有效地提高了污水硝態(tài)氮的去除效率。張麗等采用 型人工濕地處理常州市某度假區(qū)污水處理廠的尾水，并選用了不同植物，不僅大大降低了受納水體的污染負(fù)荷，而且因?yàn)橹参锵到y(tǒng)與度假區(qū)環(huán)境相容，產(chǎn)生了一定的景觀效果。因此，本試驗(yàn)采用模擬水平潛流人工濕地的中試試驗(yàn)來探究其對污水廠尾水的處理效率。礫石與煤渣的混合層，厚度為。各層的礫石與煤渣的體積均比。試驗(yàn)進(jìn)行前對礫石與煤渣進(jìn)行沖洗，每次清洗完成后將裝置進(jìn)行放空。經(jīng)測定，孔隙率約為 ，根據(jù)床體尺寸可得濕地系統(tǒng)有

6、效容積 （）（ 為空隙率； 為長度； 為寬度； 為高度）。生化箱為直徑，高度 的圓筒，內(nèi)部填充基質(zhì)是有機(jī)帶孔材料，有效容積約為。人工濕地系統(tǒng)的建立該系統(tǒng)建在污水處理廠排向排污河的最后一個(gè)接觸池旁，分為三組處理系統(tǒng)（圖 ），其中兩組為模擬水平潛流人工濕地系統(tǒng)，另一組為生化箱。使用某公司提供的微生物復(fù)合菌種投入其中一組濕地系統(tǒng)和生化箱中，另一組濕地系統(tǒng)不添加微生物。每組系統(tǒng)用相同的泵來控制流量在之間，并且先將進(jìn)水從接觸池抽至儲(chǔ)水箱，再抽至各個(gè)系統(tǒng)中。圖中試試驗(yàn)裝置平面布置示意圖試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地點(diǎn)和污水成分組成試驗(yàn)地點(diǎn)位于天津市某污水處理廠內(nèi)，該污水廠主要收集區(qū)域 內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)排放的工業(yè)污水以及居民小

7、區(qū)的生活污水，其進(jìn)水成分較為復(fù)雜，污水來源見圖（資料由天津市某污水廠提供）。試驗(yàn)期間的進(jìn)水指標(biāo)見表。模擬濕地床體采用有機(jī)塑料板焊接而成，箱體長 ，寬 ，高 ，坡度為 。濕地進(jìn)水端使用帶孔管道以達(dá)到均勻布水的目的，箱體低端設(shè)置排空口，結(jié)構(gòu)見圖。圖濕地床體結(jié)構(gòu)示意圖 微生物接種經(jīng)過驗(yàn)證和篩選，試驗(yàn)所用微生物由 種菌復(fù)合而成， 其中好氧菌有：枯草芽孢桿菌（）、地衣芽孢桿菌（）、沼澤紅假單胞菌（ ）；兼 性厭氧菌：解 淀粉芽孢桿菌 （ ）、纖維單胞菌屬（）、雙氮纖維單胞菌（）、施氏假單胞菌（）、脫氮假圖污水處理廠進(jìn)水組成 表試驗(yàn)進(jìn)水濃度 項(xiàng)目氨氮總氮總磷單胞菌（）。該菌液較高，接種量為初進(jìn)水濃度次進(jìn)水

8、水樣體積的 ，并且只在試驗(yàn)第一次啟動(dòng)時(shí)添加。試驗(yàn)材料該試驗(yàn)選用礫石與煤渣作為濕地系統(tǒng)的基質(zhì)，其中礫石分為粒徑 與 兩種，煤渣粒徑為 ，根據(jù)基質(zhì)粒徑不同將濕地床體分為兩層，上層為較小粒徑礫石與煤渣的混合層，厚度為；下層為較大粒徑運(yùn)行方式與分析方法系統(tǒng)采用間歇式進(jìn)水，水力停留時(shí)間為，水力負(fù)荷為 。本次試驗(yàn)分三個(gè)階段，第一階段為系統(tǒng)調(diào)試階段，從系統(tǒng)建成至穩(wěn)定，穩(wěn)定后開始進(jìn)行觀測；第二階段從第至第，對裝置進(jìn)行曝氣、檢測；第三階段從第生 態(tài) 與 環(huán) 境第卷 總第期 南水北調(diào)與水利科技年第期至第，撤掉曝氣，對裝置進(jìn)行檢測。平均每 取一次樣，并及時(shí)對水樣進(jìn)行檢測，參照水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）中規(guī)定的方

9、法進(jìn)行分析測定，試驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)分析項(xiàng)目與分析方法見表。表監(jiān)測指標(biāo)分析方法與儀器圖 的去除效率 項(xiàng)目分析方法使用儀器懸浮物氨氮總氮總磷便攜式濁度儀法重鉻酸鉀分光光度法水楊酸鈉分光光度法硫酸肼分光光度法鉬氨酸分光光度法型水質(zhì)多參數(shù)測定儀 流動(dòng)注射分析儀 流動(dòng)注射分析儀 流動(dòng)注射分析儀流動(dòng)注射分析儀對尾水氨氮、總氮的處理效果分析圖顯示，生化箱、濕地系統(tǒng)以及接種微生物的濕地系統(tǒng)在內(nèi)對氨氮的平均去除率依次為 、 、 。具有特殊基質(zhì)的生化箱最高時(shí)達(dá)到 ，表現(xiàn)出極好的去除效率，幾乎能夠完全去除污水中的氨氮。但在曝氣關(guān)閉后 去除效率下降幅度達(dá) 。尹振娟等研究生物法人工濕地組合工藝對小城鎮(zhèn)混合污水氮素去除效果，

10、結(jié)果表明厭氧段氨氮去除效率僅為 ，當(dāng)充分曝氣后，氨氮去除率可達(dá) ，曝氣增加了溶解氧濃度并極大提高了裝置對氨氮的去除效率。但是，兩組濕地系統(tǒng)在曝氣前后的去除效率沒有較大改變而且相差不多，原因是溶解氧的增加有利于微生物的活性增強(qiáng)和生長繁殖，但只是氨氮硝化反應(yīng)的必要條件。結(jié)果與討論對尾水懸浮物處理效果分析圖顯示，生化箱、濕地系統(tǒng)以及接種微生物的濕地系統(tǒng)在內(nèi)對懸浮物（水中懸浮物（）一般以總懸浮物（）來表 示）的 平均去除效率依次是 、 和 ，即在取樣期間，進(jìn)水濁度為 ，經(jīng)三組系統(tǒng)處理后分別降至 、 和 ，都表現(xiàn)出很好的去除效率。從數(shù)據(jù)中可看出，接種微生物的濕地系統(tǒng)僅比未接種微生物的濕地系統(tǒng)提高 ，但兩

11、組濕地系統(tǒng)卻比基質(zhì)相對較少的生化箱高出近 ，可見功能微生物的接種并沒有大幅度提高懸浮物的去除效率，懸浮物的去 除主要與系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)的吸附及物理沉淀作用有關(guān)。在關(guān)閉 曝氣后，三組系統(tǒng)的處理效率均有不同程度的下降（濕地系統(tǒng)下降了 ，生化箱下降了），可見溶解氧在一定程度上也影響水中懸浮物的去除。因此對水平潛流人 工濕地前段進(jìn)行曝氣可有效解決由于懸浮物積累所造成的堵塞問題。圖氨氮的去除效率 系統(tǒng)對總氮的去除效率見圖，可以看出，接種微生物的濕地系統(tǒng)與未接種微生物的濕地系統(tǒng)在 內(nèi)的平均去除率分別為 和 ，提高了近 ，可見功能微生物的接種提高了濕地系統(tǒng)的反硝化能力。已有研究顯示，濕地系統(tǒng)對總氮的去除主要依靠微

12、生物的反硝化作用將硝 酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫诺酱髿庵小Ｈ欢?，系統(tǒng)對總氮去除效率依然不如王琳娜等僅通過水平潛流人工濕地對總氮的去除效率（ ）。湯顯強(qiáng)等通過研究人工濕地不同填料的去污性能，發(fā)現(xiàn)使用礫石作為基質(zhì)的總氮的去除效率在 以上。本研究中總氮的去除效率與其他研究不同的主要原因在于進(jìn)水成分的獨(dú)特性與氨氮較小的轉(zhuǎn)化率：尾 水中的氮素污染主要以氨氮形式存在，如果氨氮的轉(zhuǎn)化效率 有限，系統(tǒng)就沒有足夠的可供反硝化反應(yīng)的硝酸鹽態(tài)氮，從 而影響總氮的去除效率。生化箱有較高的氨氮去除效率（），但對總氮在 內(nèi)的平均去除效率僅為 。陳欣燕等研究表明參與反硝化反應(yīng)的微生物大部分養(yǎng)型兼性厭氧菌，在氧氣存在下優(yōu)先利用氧氣

13、作為電子受體，只有在缺氧的條件下才會(huì)選擇硝酸鹽態(tài)氮作為電子受體，從而達(dá)到總氮的消除。由此可知，系統(tǒng)在曝氣階段為尾圖懸浮物的去除效率 對尾水 的處理效果分析圖顯示，生化箱、濕地系統(tǒng)以及接種微生物的濕地系統(tǒng)在內(nèi) 的平均去除率依次為 、 和 ，可以看出接種微生物后濕地系統(tǒng)對 的去除率比未接種的高出 ，這說明濕地系統(tǒng)能微生物的添加有利于濕地處理效率的提高。陳德強(qiáng)等研究不同濕地組合工藝凈化污水效果的比較中發(fā)現(xiàn)，充氧效果較好的推流床對 具有更好的去除效果。在本試驗(yàn)中，對生化箱進(jìn)行曝氣， 的去除率提高將近 ，說明濕地中氧氣的增加有利于 的去除。生 態(tài) 與 環(huán) 境高 翔等 人工濕地處理污水處理廠尾水中試研究水

14、充入了足夠的溶解氧，抑制了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，這是造成生化箱總氮去除效率低的一個(gè)重要原因。是否接種微生物并無太大的關(guān)系。（）功能微生物的接種有助于濕地 系統(tǒng)對 的去除，并且溶解氧的 增加 （對 尾水進(jìn)行曝氣）也 有利于 的去除。（）溶解氧的增加極大促進(jìn)了氨氮硝化反應(yīng)的進(jìn)行，卻抑制了后期反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，不能對氮素進(jìn)行徹底的去除，三組系統(tǒng)去除效果均不理想。（）系統(tǒng)基質(zhì)的多少對總磷的去除有著明顯的作用，但是基質(zhì)對磷的吸附并不是永久的，會(huì)隨著時(shí)間的推移，逐漸下降以致平衡。本試驗(yàn)的不足之處在于，對于系統(tǒng)基質(zhì)的選擇并沒有結(jié)合最新科技的研發(fā)進(jìn)展，還停留在大眾的普通礫石與煤渣上；進(jìn)水主要為電子廠和紡織廠排出的

15、污水，其成分主要為大分子難降解物質(zhì)（這也是造成 去除效率低下的一個(gè)原因）；對氨氮與總氮的去除還需考慮怎樣調(diào)節(jié)溶解氧的含量，已達(dá)到對氮素污染物的最優(yōu)去除效率；并且本試驗(yàn)只在試驗(yàn)的后期對基質(zhì)進(jìn)行細(xì)菌觀察，能夠確定確實(shí)有大量微生物存在，但并沒有全程監(jiān)測細(xì)菌的生長情況。這些問題會(huì)在以后的試驗(yàn)中進(jìn)行改善。圖總氮的去除效率 對尾水總磷的去除效果分析由圖可知，生化箱、濕地系統(tǒng)以及接種微生物的濕地系統(tǒng)在 內(nèi)對總磷的平均去除率為 、 和 。從數(shù)據(jù)可看出，接種微生物的濕地系統(tǒng)比未接種微生物的濕地系統(tǒng)平均去除率僅提高 ，但兩組濕地系統(tǒng)相對于生化箱的平均去除率提高近 ，可見濕地系統(tǒng)是否添加功能微生物對總磷的去除率影響

16、不大，但相比于有 較少基質(zhì)的生化箱，去除效率卻有大幅度提高?；|(zhì)對磷的 吸附作用是除磷的主要途徑，植物吸收與微生物作用對磷的 去除也有一定的貢獻(xiàn)，但是其作用遠(yuǎn) 不及基質(zhì)的吸附作用。 等應(yīng)用蘆葦床水平潛流人工濕地對生活污水進(jìn)行處理，在總磷的進(jìn)水濃度為 的情況下，在試驗(yàn)初期總磷的平均去除率可達(dá) 。王琳娜等研究發(fā)現(xiàn)污水中磷的去除還與進(jìn)水磷的濃度有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)對總磷的去除效率隨著總磷濃度的提高而增 大。另外基質(zhì)對磷的吸附能力也不是永久的，而是會(huì)隨著時(shí)間的推移，達(dá)到一定的程度就開始下降。本試驗(yàn)中濕地系統(tǒng)在第時(shí)對總磷的去除效率高達(dá) ，然而隨著時(shí)間的推移去除效率逐漸下降，在第到時(shí)，基本穩(wěn)參考文獻(xiàn)（

17、）：李玉鯤，李玉鵬，李明濤淺談我國污水處理及污水資源化水資源保護(hù)，（）：（， ，（）：（）周希陽，李相璽，余澤清合理利用城市水資源的幾種途徑亞熱帶 水 土 保 持，（）：（ ， ， ，（）：（）王琳娜，吳若靜水平潛流人工濕地小試系統(tǒng)處理污水廠尾水試驗(yàn)研究環(huán)境科學(xué)與管理，（）：（ ， ，（）：（）楊長明，馬銳，山城幸，等組合人工濕地對污水處理廠尾水中有機(jī)物的去除機(jī)理研究環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，（）： （ ， ， ， ，（）：（）定在左右。等的研究表明，進(jìn)入人工濕地中的部分磷（）被微生物吸收利用，而且這部分磷在微生物死亡后幾乎全部被迅速分解釋放，回到水體當(dāng)中。吳振斌等研究表明濕地系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)磷的釋放現(xiàn)象，無

18、機(jī)磷比總磷的釋放現(xiàn)象更嚴(yán)重。白曉龍等研究三種填料對生活污水中磷的去除效果發(fā)現(xiàn)礫石的去除效率約為 ，與本試驗(yàn)結(jié)果基本相符。， ，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（， （ ）文輝，陳云峰，高良敏不同碳源材料用于污水廠尾水生物反硝化碳源的效果研究環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，（）：（ ， ， ， ，（）：（）張麗，朱曉東，鄒家慶人工濕地深度處理城市污水處理廠尾水圖總磷去除效率 結(jié)論（）水中懸浮物的去除主要依靠系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)的吸附與物理沉淀作用，并且溶解氧的增加有助于懸浮物的去除，與生 態(tài) 與 環(huán) 境第卷 總第期 南水北調(diào)與水利科技年第期工業(yè)水處理，（）：（ ， ， ，（）：（ ）國家環(huán)境保護(hù)總局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會(huì)水和廢水，（）：（）湯顯強(qiáng)，李金中，李學(xué)菊，等人工濕地不同填料去污性能比較水處理技術(shù)，（）：（ ， ， ， ，（）：（）監(jiān)測分析方法 （第 四版）北 京：中國環(huán)境科學(xué) ，（ （） ： ，（）張?jiān)鰟伲旃︽?，李方，等水平潛流人工濕地?fù)合系統(tǒng)凈化農(nóng)村高濁度富營養(yǎng)化水體的研究水處理技術(shù)，（）： （ ， ， ，（）：（） 陳欣燕，程曉如正從微生物學(xué)探討生物除磷脫氮機(jī)理中 國給水排水，（）：（ ， ， ， ，（）：（） ， ，