不同运行方式对人工湿地强化除磷的影响研究.pdf

不同运行方式对人工湿地强化除磷的影响研究 * 刘洋 深圳市环境科学研究院， 广东 深圳 518001 摘要 采用改变湿地构型、 不同进水方式和曝气运行 3 种方法， 开展不同运行方式对人工湿地的强化除磷效果研究。 结果表明 垂直流湿地 TP 的去除率比水平流湿地平均高 10 左右， 串联方式对改善人工湿地系统除磷效果不明显， 而当水平流湿地多点进水的配水比为 2∶ 1∶ 1时， 湿地对 TP 的去除率可上升 5 ～ 10 。湿地间歇运行当停置时间为 2d 时， TP 去除率可提高 6 左右; 人工湿地曝气运行当气水比为 6 时， 总磷去除率可达到最大。湿地间歇进水、 曝气 运行方式都可一定程度地提高湿地除磷效率， 但要综合考虑对其他主要污染物的去除效果及系统运行费用影响。 关键词 人工湿地; 除磷; 改进措施 RESEARCH ON THE INFLUENCE OF CONSTRUCTED WETLANDS FOR INTENSIFYING PHOSPHORUS REMOVAL UNDER VARIOUS OPERATION CONDITIONS Liu Yang Shenzhen Research Academy of Environmental Sciences，Shenzhen 518001，China AbstractThe experiment took three measures including ameliorating structure， changing inflow way and aerifying to research the influence of constructed wetlands for intensifying phosphorus removal．The results showed that when wetland was constructed in vertical structure，the phosphorus removal rate was about 10 more than that of horizontal flow wetlands;when the ratio of inflow was 2∶ 1∶ 1 on multi-inflow wetland，the phosphorus removal rate rose by 5 ～ 10 ;when intermission- infow wetlands paused for 2d，the phosphorus removal rate rose by 6 ;when gas-water ratio was 6 on aerifying wetlands，the phosphorus removal rate reached the maximum．Intermission-inflow and aerifying constructed wetlands both intensified phosphorus removal， but the removal rate of other pollutant and running expenses should be consided as well． Keywordsconstructed wetlands;phosphorus removal;improving measures * 国家自然科学基金资助项目 50278016 。 人工湿地是一种建造、 运行费用低， 运转、 维护方 便的生态污水处理技术 ［1- 2］， 其作为一种高效、 低耗的 污水处理新工艺已被广泛接受， 特别是其在污水深度 处理领域的应用逐步为人们所重视。人工湿地系统 对磷的去除主要依靠基质、 植物和微生物三者的协同 作用 ［3- 4］， 其中基质的吸附、 过滤、 拦截和化学反应等 作用是湿地系统除磷的主要作用 ［5］。相关研究和工 程实践表明 ［6- 8］， 人工湿地污水处理系统运行一段时 间后对磷的去除效率逐渐下降， 为提高人工湿地对磷 的去除效率及系统运行稳定性， 本文从改善湿地构 型、 改变进水方式、 系统曝气三方面提出人工湿地的 强化除磷措施， 为今后人工湿地的构建和运行提供 参考。 1试验部分 1. 1装置 试验采用 7 组尺寸相同的潜流型人工湿地， 其中 6 组 1 号 ～ 6 号 为水平流潜流型湿地， 所填充的基 质级配相同， 污水以推流方式流经填料床; 另外 1 组 7 号 为垂直流潜流型湿地， 纵向分隔成等体积的 3 部分， 各池面间落差为 8 cm， 污水从湿地底部布水， 以阶梯方式 3 次垂直向上流经填料床。7 组潜流湿 地的池体尺寸均为 3. 3 m 1. 0 m 1. 0 m， 水平流人 工湿地底面坡度为 1 ， 垂直流人工湿地底面坡度为 2 ， 底部和四周以水泥墙封闭， 并进行防渗处理。每 个系统均分为进水段、 处理段和出水段。 1. 2方法 试验进水采用南京某污水处理厂的初沉池出水， 湿地系统进水 ρ TP 在 3 ～ 10 mg/L 变化， 人工湿地 51 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 水力停留时间均为 5. 5 d。1 号水平潜流型湿地作为 空白试验湿地， 采用常规进水及运行方式; 2 号水平 潜流型湿地采用多点进水， 进水点为湿地前端、 1 /3 处和 2 /3 处; 3 号水平潜流型湿地采用间歇运行方 式; 4 号水平潜流型湿地采用对填料层进行曝气方式 运行; 5 号与 6 号水平潜流型湿地采用串联连接方式 运行; 7 号垂直流湿地运行参数同 1 号湿地。 2结果与讨论 2. 1改进人工湿地构型强化除磷效果 2. 1. 1垂直流与水平流湿地的除磷效果比较 人工湿地系统稳定运行后， 对 1 号水平潜流型湿 地和 7 号垂直潜流型湿地进行了为期 1 年的对比 试验。 图 1 为垂直流湿地与水平流湿地对 TP 去除率的 年变化曲线。由图 1 可以看出 垂直流湿地对 TP 的 去除率始终高于水平流湿地， 平均高 10 左右。这 说明湿地中磷的去除效果与流体的流态密切相关。 由垂直流湿地的构造可知， 污水以阶梯方式 3 次垂直 向上流过填料床， 因此， 垂直流湿地的水体流态比水 平流湿地更加曲折， 湍动也更为剧烈， 这种流动状态 十分利于磷污染物被基质和植物根系吸附截留 ［9- 10］， 进而通过植物吸收、 微生物同化等生化作用使磷从水 环境中去除。 图 1垂直流与水平流湿地对 TP 的去除效果比较 相比水平流湿地， 垂直流湿地 TP 去除率的年变 化曲线相对平缓。由此说明垂直流湿地受季节、 温度 等外界因素影响相对较小， 系统除磷效果更为稳定。 2. 1. 2人工湿地串联对除磷效果的影响 试验将 5 号与 6 号的水平流人工湿地串联起来， 将 5 号湿地的出水作为 6 号湿地的进水， 两组湿地之 间用管道连接。湿地侧壁均设有取样管， 在每块湿地 的 0. 4 m 高度处， 沿程四等分处的前、 中、 后三个点进 行取样。试验运行期间， 保证 5 号湿地的水力停留时 间为 5. 5 d， 沿程取样测定磷的去除率。试验期间外 界气温处于 10 ～ 20 ℃ 。 图 2 为两组湿地串联后， 溶解性正磷酸盐 IP 、 过滤性总磷 ITP 及总磷 TP 的沿程去除率。由 图 2可知 5 号人工湿地对磷的去除率， 随湿地长度的 增加不断增大; 经 6 号人工湿地后， 磷的去除率开始 有所下降， 而后沿湿地流程逐渐上升。分析原因可能 为， 在 5 号人工湿地中， 由于进水的含磷浓度较高， 刚 开始时发生了基质对磷素的吸附、 截留及化学反应， 所以沿流程方向磷的去除率不断上升; 而后进入 6 号 湿地时， 污水中的磷浓度已经降到基质的饱和水平以 下， 又由于湿地经过近 1 年的运行， 前端累积了大量 的磷， 并未被基质完全固定， 因此当含磷浓度较低的 污水流经湿地前端时， 基质和植物根系表面的磷发生 了释放 ［11- 12］， 固相中的磷又重新回到液相中， 致使磷 的去除率有所下降， 在 6 号湿地的中后程， 由于后端 累积的磷浓度在污水的含磷浓度以下， 所以磷的去除 率又有一定程度的回升， 并且去除率略大于 5 号湿地 出水。由此可见， 人工湿地长期运行以后， 基质对磷 的吸附量趋于饱和， 通过串联的方式改善人工湿地系 统对磷的去除率， 效果并不明显。 图 2串联人工湿地中 IP、 FTP 和 TP 去除率沿程的变化曲线 2. 2改变人工湿地进水方式强化除磷效果 2. 2. 1多点进水对湿地除磷效果的影响 多点进水试验于 2 号湿地进行， 进水点为湿地前 端、 1 /3 处和 2 /3 处。首先从前端开始进水， 待稳定 运行两周后， 开始以不同的配水比多点进水， 保持湿 地进水总量不变， 每组配水比运行两周。试验期间外 界气温处于 10 ～ 20 ℃ 。 图 3 为多点进水试验中， 2 号湿地前端进水及在 不同配水比下多点进水 TP 的平均去除率。当配水 比为 2∶ 1∶ 1时， TP 的去除率有所提高; 当配水比为 61 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 1∶ 2∶ 1时， TP 去除率与常规进水的去除效果接近; 当 配水比为 1∶ 1∶ 2时， TP 的去除率低于前端进水效果。 分析原因认为， 由于湿地前端基质吸附位点有限， 当 污水全部从前端进入湿地时， 一部分的磷被前段的基 质吸附、 截留， 污水中的磷浓度快速下降; 当进入湿地 后段时， 由于液相中的磷与基质的饱和吸附量间的浓 度差小， 致使磷的吸附反应推动力小， 基质对磷的吸 附能力下降， 所以， 在湿地后程， 系统对磷的去除率上 升缓慢; 当湿地从前端、 1 /3 处和 2 /3 处同时进水时， 湿地的前、 中、 后三段都可以得到有效利用。因此， 通 过调节多点进水的配水比可以提高水平潜流人工湿 地 TP 的去除率。试验结果表明， 当进水点的配水比 为 2∶ 1∶ 1时， TP 的去除率最大， 比常规进水高 5 ～ 10 。 图 3人工湿地多点进水时 TP 去除率变化 2. 2. 2间歇运行对湿地除磷效果的影响 间歇运行试验在 3 号水平流湿地上进行。试验 期间外界气温处于 5 ～ 15 ℃ 。试验同时考察了在不 同间歇时间运行时 TP 及主要污染物的平均去除率 变化。 由图 4 可见 湿地间歇运行对磷的去除率有所提 高， 当湿地停置 2d 后运行， TP 去除率可提高 6 ; 停 置 14d 后运行， TP 去除率可上升 10 ; 湿地停置时间 越长， TP 的去除率上升越多。分析认为， 由于湿地排 干水及停置过程中， 大量空气补充于湿地床体内， 使 得湿地系统内部氧化还原电位升高， 利于基质中的 钙、 铁等金属离子与无机磷发生化学反应 ［13- 15］， 使已 吸附的磷被基质固定得更加牢固， 基质的吸附位点也 得到一定程度的恢复， 与此同时， 湿地植物在停置过 程中处于饥渴状态， 所以湿地重新进水后， 污水中的 磷污染物可以得到更好地去除。 当间歇进水周期短时， COD 和 TN 的去除率都有 一定程度的提高; 当湿地停置时间过长时， COD 和 TN 的去除率均有所下降。分析认为， 间歇运行促进 了湿地中氧的传输， 使湿地在停置和运行过程中， 交 替地处于好氧和厌氧状态 ［2， 16］， 这种氧环境有利于微 生物对有机污染物降解及硝化、 反硝化反应的进行; 但当湿地停置时间过长， 湿地中的微生物得不到外界 能量补充， 从而抑制了微生物的生长， 致使湿地重新 进水后对 COD 和 TN 的去除率降低。 图 4人工湿地间歇进水时 TP、 COD 和 TN 去除率变化 2. 3曝气运行对湿地除磷效果的影响 曝气试验在 4 号水平流湿地上进行， 曝气位置为 湿地 20 cm 水位高度的前、 中、 后三处， 湿地保持高水 位运行。试验期间外界气温处于 5 ～ 15 ℃ 。 由图 5 可见 随着气水比的增加， 出水溶解氧浓 度呈逐渐上升趋势， 无曝气时， 出水溶解氧浓度平均 为 0. 4 mg/L 左右， 气水比达到 8 时， 出水溶解氧浓度 上升至 0. 8 mg/L， 说明曝气措施对湿地内部的氧环 境有明显的改善。随气水比的增大， 人工湿地对 TP 的去除率呈先上升后下降的趋势， 当气水比为 6 时， 湿地对 TP 去除率达到最大。分析认为， 当曝气强度 开始增加时， 湿地内部的氧环境开始逐渐发生变化， 局部区域逐渐由缺氧变为好氧， 此时， 基质与磷的物 理化学反应能力增强， 湿地基质内的金属离子， 如 Fe3 等 与 磷 结 合 成 的 络 合 物 更 加 稳 定，不 易 释 放 ［14， 17］; 同时， 微生物对磷的摄取量加大， PAO 利用 溶解氧作为电子受体， 进行氧化磷酸化作用， 以体内 贮存的 PHA 及污水中可利用的有机物作为碳源和能 源， 供细菌生长、 合成糖原及积累聚磷 ［18］， 所以 TP 去 除率逐渐增大， 最大增长幅度达 10 ; 但当曝气强度 过大时， 大的进气量对湿地基质产生一定的冲刷作 用， 原本吸附于基质表面上的磷， 开始出现解吸现象， 被水流带出系统， 从而导致湿地对 TP 的去除效果 下降。 71 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 图 5人工湿地不同气水比下 DO 浓度与 TP 去除率变化曲线 3结论 1 垂直流湿地水体流态曲折， 抗水力冲击负荷 强， 除磷效果明显优于水平流湿地， TP 的去除率比水 平流湿地平均高 10 左右; 除此之外， 垂直流湿地 TP 去除率受温度影响较小， 系统运行相对稳定， 在实际 工程中更具有应用价值; 人工湿地长期运行以后， 基 质对磷的吸附量趋于饱和， 通过串联方式改善人工湿 地系统对磷的去除效果不明显。 2 通过改变人工湿地系统的进水方式可以增进 整个人工湿地系统的利用率。本试验中， 当人工湿地 多点进水的配水比为 2∶ 1∶ 1时， 湿地对 TP 的去除率 有所提高， 可上升 5 ～ 10 ， 去除效果稳定; 人工湿 地间歇运行可以强化基质对磷的固定作用， 提高 TP 去除率， 停置时间越长， TP 的去除率上升越多， 但停 置时间过长， 微生物活性下降， 将影响 COD 和 TN 的 去除效果， 考虑湿地系统整体的净化效果， 宜选取 2d 作为间歇进水周期。 3 人工湿地强化曝气对 TP 的去除率有一定程 度的改善， 气水比为 6 时， 总磷去除率达到最大; 曝气 运行在提高湿地效率的同时， 也相应的增加了湿地的 运行费用和维护管理工作， 因此， 在实际工程中， 需根 据具体情况来定。 参考文献 ［1］Block A，Kelana Centre，Point Jalan．The use of constructed wetlandsforwastewatertreatment ［M］．MalaysiaWetlands International-Malaysia office，2003． ［2］梁威， 胡洪营． 人工湿地净化污水过程中的生物作用［J］． 中国 给水排水， 2003， 19 10 28- 31． ［3］李林锋， 年跃刚， 蒋高明． 植物吸收在人工湿地脱氮除磷中的 贡献［J］． 环境科学研究，2009， 22 3 337- 342． ［4］Lenz A， Wild U． Nitrogen and phosphorus budget in rewetted fens ［J］． Wat Sci Tech， 2001， 44 11 － 12 143- 149． ［5］潘继花， 何岩， 邓伟， 等． 湿地对水中磷素净化作用的研究进展 ［J］． 生态环境， 2004， 13 1 102- 104． ［6］BROOKS A S． Phosphorus removal by wollastonite a constructedwetland ［ J］ ． Ecological Engineering， 2000， 15 1 － 2 121- 132． ［7］李科德， 胡正嘉． 芦苇床系统净化污水的机理［J］． 中国环境 科学， 1995， 15 2 140- 144． ［8］阮红权， 杨海真． 构造人工湿地技术及其应用［J］． 江苏环境 科技， 2004， 17 3 35- 37． ［9］崔理华， 朱夕珍， 骆世明， 等． 垂直流人工湿地系统对污水磷的 净化效果［J］． 环境污染治理技术与设备， 2002， 3 7 13- 17． ［ 10］AndersWorman，VeronikaKronns．Effectofpondshapeand vegetation heterogeneity on flow and treatment per-ance of constructed wetlands［J］． Journal of Hydrology， 2005， 301 1 － 4 123- 138． ［ 11］Wang NM， MitsxhWJ．Adetailedecosystemmodelof phosphorus dynamics in created riparian wetlands［J］．Ecological Modeling，2000，126101- 130． ［ 12］徐治国， 何岩， 闫百兴， 等． 湿地植物对外源氮、 磷输入的响应 研究［J］． 环境科学研究， 2007， 20 1 64- 68． ［ 13］Mitsh W J． Phosphorus retention in constructed freshwater riparian marshes［J］． Ecological Applacation，1995， 5 3 830- 845． ［ 14］鲁如坤． 土壤农业化学分析方法［M］． 北京 中国农业出版社， 1999 308- 315． ［ 15］Lim P E， Tay M G， Mak K Y， et al． The effect of heavy metals onnitrogen and oxygen demand removal in constructed wetlands ［J］． The Science of the Total Environment，2003， 301 1 － 3 13- 21． ［ 16］Cooper P F，Job G D，Green M B ， et al．Reed beds and constructed wetlands for wastewater treatment［M］． Medmenham， Marlow，UKWRc Publication，1996． ［ 17］Drizo A， Frost C A， Smith K A， et al． Phosphate and ammonium removal by constructed wetlands with horizontal subsurface flow， using shale as a substrate［J］． Water Science and Technology， 1997， 35 5 95- 102． ［ 18］梁威． 构建湿地基质微生物与净化效果相关分析［J］． 中国环 境科学，2002，22 3 282- 285． 作者通信处刘洋518001深圳市红桂路红桂一街 E- mailyangtze_as sina． com． cn 2011 － 06 － 15 收稿 81 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期