太阳能曝气人工垂直潜流湿地去除生活污水氮磷的试验研究.pdf

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第32卷第6期长江科学院院报Vol_32No．62015年6月JournalofYangtzeRiverSeientiticResearchInstituteJun．20l5DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2015．06．007太阳能曝气人工垂直潜流湿地去除生活污水氮磷的试验研究汤显强h-一。吴敏h-(1．长江科学院a．流域水环境研究所；b．流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉430010；2．江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，南昌330029)摘要：利用芦苇和砾石构建太阳能曝气人工垂直潜流湿地处理生活污水。设定水力负荷400mm／d，气水~L10：1，当进水氨氮(NH．N)、总氮(TN)、溶解性反应磷(SRP)和总磷(TP)平均浓度为5．14，7．56，0．40，0．53mg／L时，引入太阳能曝气后，各自的平均去除率分别提高24．8％，9．4％，15．7％和11．5％。随着气温下降和进水浓度降低，湿地微生物脱氮除磷能力下降，曝气对改善生活污水氮磷去除作用不显著。对试验系统而言，太阳能曝气湿地基本建设费用是无曝气湿地的2．49倍；但以20a运行为基础折算出的污水处理费比无曝气湿地仅高0．03m。综上，从污染去除性能和污水长期处理费用来看，太阳能曝气湿地在生活污水处理方面具有较好的技术经济优势。关键词：太阳能曝气；人工湿地；氮；磷；治理成本中图分类号：TV213；X703．1文献标志码：A文章编号：1001—5485(2015)06—0037—05农村地区地势开阔、太阳能资源丰富且便于利用，将成熟的太阳能技术耦合人人工湿地净化系统，利用1研究背景太阳能发电曝气，改善人工湿地溶解氧供给率低等人工垂直潜流湿地占地面积小，污染物与填料不足是便利可行的。此外，农村地区基础设施建设接触效果好，有机污染物如BOD和COD的去除率落实后，生活污水等分散排放，难以集中收集处理。通常达到80％以上¨J，但无机氮、磷去除率相对较因地制宜发展太阳能曝气人工垂直潜流湿地，既能低。统计表明，受溶解氧可利用率限制，绝大多数垂解决分散生活污水处理问题，又能改善氮磷等营养直潜流湿地去除氨氮和可溶性反应磷通常低于物质去除，并节约电力成本。50％_2-31。湿地填料溶解氧含量较低是导致氨氮去为了将太阳能曝气人工垂直潜流湿地应用于实除l生能不佳的主要原因_4J。湿地除磷也受溶解氧践，本文采用芦苇和砾石构建人工垂直潜流湿地，利影响，当填料内部溶解氧浓度下降，由好氧转为厌氧用太阳能对湿地填料进行间歇曝气，研究其对生活状态时，Fe¨被还原为Fe¨，其结合的磷以PO¨的污水中氮磷的净化性能。形式释放，提高湿地磷出水浓度J。此外，提高溶解氧利用率还可促进人工湿地生物除磷j，采取2材料及方法“潮汐流”等增加湿地填料复氧能力的操作后，湿地磷去除效率可提高10％～12％。2．1试验材料及装置湿地植物根系具有一定的泌氧能力，释放的部室外构建太阳能曝气人工垂直潜流湿地系统分溶解氧能提高填料内部溶解氧含量J。研究表(图1)，具体尺寸为长2．0m、宽1．0m和高0．7m。明，湿地植物根系释放的溶解氧量远低于有机污染自下而上分层依次填充20cm粒径为10～20mm粗物降解、氨氮硝化等过程的耗氧量J，采取合理措粒石(孔隙no．42)、30cm粒径为7—10mm的细砾施提高人工湿地填料溶解氧含量极为必要。曝气常石(孔隙率0．48)和10cm土壤为湿地填料。试验用于增加河道、湖泊等天然水体的溶解氧浓度和去装置共两套：曝气和无曝气。二者之间的差别在于除异味J。曝气需要消耗电力、增加成本，但我国曝气湿地安装有太阳能板、空压机和曝气头等。收稿日期：2o14—04—02；修回日期：2o14—04—09基金项目：国家自然科学基金项目(51379017，51209011)作者简介：汤显强(1981一)，男，湖北竹溪人，高级工程师，主要研究方向水资源保护与水污染控制，(电话)027—82827263(电子信箱)ckyshj@126．corn。 38长江科学院院报2015篮测定仪和HANNA便携式pH计测定。3结果与讨论3．1氮去除3．1．1NH-N去除图1太阳能曝气人工垂直潜流湿地试验系统从图2可看出，受生活污水成分变化影响，Pig．1ExperimentsystemofsolaraeratedverticalNH一N进水浓度随时间变化起伏较大。但无论进水subsurfaceflOWconstructedwetiand浓度如何变化，试验期间曝气湿地系统的NH．N出在太阳能曝气人工垂直湿地填料内部(距上表水浓度持续显著低于无曝气对照，太阳能曝气改善面30cm)的同一水平面上均匀设置8个曝气头。了人工垂直潜流湿地的NH4-N去除性能。此外，曝采用小型空气压缩机(ACQ-007型，最大供气量100气湿地的NH一N出水浓度持续处于低浓度水平，受L／min)从早上8点到下午6点每日供气10h，其余进水浓度波动影响较小，其平均去除率达到92．1％，时间不曝气，工作期间气水比设定为10：1。空压机与无曝气相比，太阳能曝气使NH一N平均去除率分采用太阳能系统供电，具体由40W的太阳能光板1别提高约24．8％。块、30AH的蓄电池l块、12V／3A的控制器l台、AC220／20W的逆变器1台等组成。2．2试验方法一一)／蛏乞9630试验在长江科学院的院内进行，采用办公室化粪池上清液(主要为生活污水及部分雨水)为湿地进水。设计水力负荷400mm／d，理论水力停留时间约20h。2014年5月，选择平均株高约40em、株型大小相似及生物量相当的芦苇栽种于填料中，密度为8株／m。栽种2周后成活，分蘖出新芽，试验随即正常运行。2014年6月开始正式试验，平均进水日期水质情况见表1，每周采集进水和出水的水样一次，图2NH-N去除测定SRP，TP，NH一N，NO3一N和TN浓度。为检验曝Fig．2RemovalofNH4·N气对湿地填料溶解氧含量的影响，每月检测曝气和引入太阳能曝气后，湿地溶解氧含量增加明显，无曝气湿地系统出水溶解氧浓度1次。随着试验进曝气湿地出水DO浓度显著高于无曝气湿地(P<行，当气温下降到0~C后，停止试验，以防装置管路0．05)，出水DO浓度增加了2．36～4．69mg／L上冻。(表2)。湿地植物根系泌氧量有限，太阳能曝气的2．3分析方法应用，极大提高了湿地填料内溶解氧供给水平，在好参照《水与废水监测分析方法》(第四版)，水样氧条件下，氨氧化细菌、硝化细菌等的湿地微生物生通过0．45m滤膜后，滤液中的SRP用钼锑抗比色长繁殖和活性增强J，氨氮的硝化去除性能得到改法测定；总磷采用过硫酸钾消解钼锑抗比色法。氨善。研究表明，对芦苇床砾石湿地来说，进水pH小氮、硝酸盐氮分别采用纳氏试剂分光光度法和酚二于8．5时，挥发、植物吸收、填料吸附等过程对湿地氨黄酸分光光度法；总氮采用碱性过硫酸钾消解，紫外氮去除的贡献较小J。氨氧化细菌在有氧条件下分光光度法。DO和pH分别采用美国YSI溶解氧快速将氨氮转化为硝态氮的硝化过程，才是曝气湿表1试验期间主要进水水质状况Table1Influentwaterqualityduringexperimentalrunningperiod 第6期汤显强等太阳能曝气人工垂直潜流湿地去除生活污水氮磷的试验研究39表2溶解氧出水平均浓度实现，曝气提高了湿地溶解氧水平，阻碍适宜在Table2MeaneffluentDOconcentrationsmg／L厌氧条件下进行的NO-N反硝化去除和微生物吸系统旦!旦旦!旦旦收进程J，削弱了NO．N去除。总体来看，太阳能曝气6．355．766．525．194．93无曝气2．241．781．832．212．57曝气不利于NO，．N去除。3．1．3TN去除地氨氮去除的主要机制J。如图2和表2所示，引NH一N和NO，一N是进水TN的主要组成部分入太阳能曝气后，湿地填料内部的溶解氧浓度显著增加，极大强化了氨氮硝化过程，导致湿地系统稳定(表1)，TN去除体现NH．N和NO，-N的综合去除性能。在试验初期(6_-7月)，引入太阳能曝气后，高效地去除NH4一N。从图2还可看出，随着进水浓度和气温下降，初较高的湿地填料溶解氧浓度促进了NH．N生物吸始相当分散的曝气和无曝气湿地NH一N去除曲线收和硝化。期间因进水氨氮浓度较高(图2)，硝化逐渐趋于重合。当进水NH一N浓度较低时，硝化去生成的NO一N难以快速和有效反硝化去除，逐渐累除NH．N的需氧量较小，湿地植物根系自身的泌氧积的NO-N(图3)是造成曝气湿地TN出水浓度高量几乎可以满足其硝化耗氧需求J，引入曝气增加于无曝气湿地的重要原因(图4)。的溶解氧不能有效用于氨氮去除，因此太阳能曝气对改善低浓度NH．N去除意义不大。气温也能影响曝气湿地NH．N效果，当气温低于10~C后，湿地填料微生物活性明显减弱甚至休眠，受温度调节的氨氮硝化过程速度变缓，微生物不能及时有效利用曝气增加的溶解氧进行硝化除氮J。3．1．2NO3-N去除NO一N去除与NH．N不同，试验初期，曝气湿地系统的NO一N出水浓度高于进水浓度。较高的NO，一N主要有2个来源：进水和NH一N硝化。引入太阳能曝气后，湿地溶解氧含量增加(表2)，NH一N图4TN去除性能Fig．4EficiencyofTNremoval在好氧条件下硝化，新生成的NO一N逐渐累积，进研究表明，湿地填料微生物挂膜一般需要在而提高湿地出水NO．N浓度(图3)。2_3月，进入8月后，湿地填料微生物作用稳定，TN出水浓度也趋于均匀分布；整个试验期间，曝气湿地的TN平均去除率为76．5％。统计发现，曝气湿地TN平均出水浓度显著低于无曝气湿地(P<0．05)，太阳能曝气改善了人工垂直潜流湿地TN去除l生能；与无曝气湿地相比，太阳能曝气使TN平均去除率提高了9．4％。现有研究表明，对有植物湿地系统来说，微生物硝化一反硝化、水生植物和湿地微生物吸收是TN去除的主要途径j。从图2和图3可看出，太阳能曝气分别优化和阻碍和硝化和反硝化，整体来看，不利于TN的硝化一反硝化顺利进图3NO3-N去除性能行，植物根系及根际微生物吸收(微生物对NH．NFig．3EficiencyofNO3-Nremoval的吸收)可能是曝气湿地优化TN去除的重要途试验期间，无曝气湿地NO-N去除相对稳定，径，这是因为，曝气改善了TN在湿地填料和植物根平均去除率为65．72％。无曝气条件下，湿地植物利际间的传质效率，创造出更好的根系吸收和微生物用根系泌氧硝化进水中的氨氮，并在根际微区环境同化利用条件J。内创造好氧、缺氧和厌氧区域，适应NO一N反硝化3．2磷去除去除J。引入太阳能曝气后，NO．N平均去除率下从表I可看出，SRP是TP的主要组成部分，降12．21％。研究表明，NO一N去除主要通过反硝化SRP和TP去除性能曲线趋势一致(图5和图6)。 长江科学院院报2015生一般来说，湿地填料微生物挂膜需要在2—3月，挂能。最后，曝气能增强了磷在潜流湿地系统内的传膜期间(6—7月)，曝气强化了填料内部水流的紊动质效率，促进了植物根系的吸收和组织转运[1，改程度，填料与磷接触效果被改善，利于吸附除磷。与善植物除磷作用。综上，通过吸附、微生物和植物吸此同时，填料表面的生物膜尚不成熟，聚磷菌生物除收等磷去除过程的强化，太阳能曝气有效改善了潜磷效应不明显，吸附在填料表面的磷又容易在曝流湿地的磷去除。气条件下脱附，磷吸附与解吸处于动态调节过程。3．3经济性分析总体来看，与无曝气湿地相比，太阳能曝气改善湿地湿地建设费用(含砾石、土壤、植物、泵、管路、磷去除的作用不显著。空压机和太阳能供电系统等)见表3。从表3可看出，太阳能曝气湿地建设费用是无曝气湿地的2．49倍，引入太阳能供电及曝气显著增加了湿地建设成本。湿地系统运行费用主要为电费和少量人工费，无曝气人工垂直潜流湿地的污水处理费(含基建成本，下同)大约0．48m。采用太阳能供电和曝气后，系统运行过程中无需额外电力供给。本文湿地试验系统日处理污水0．8m，以湿地运行20a，年运行300d计算，太阳能曝气人工湿地的污水处理费用为0．51m。与无曝气相比，太阳能曝气湿地的处理费用增加4．4％(0．023~_／m)，但图5SRP去除性能NH-N，TN，SRP和TP的月均去除率提高了24．8％，9．4％，15．7％和11．5％，具有较好的技术经济优势。此外，我国城市污水处理费用一般约1．0Yv_／m，无论曝气与否，湿地处理费用约占其50％。当湿地系统进人工程应用后，随着规模增加，能够进一步降低单位面积建设费用和太阳能供电及曝气装置成本，提高系统的经济竞争优势。表3湿地试验系统的建设费用Table3Constructioncostfortheexperimentalwetlands元图6TP去除性能Fig．6EfficiencyofTPremoval随着微生物挂膜完成，填料吸附和微生物吸收除磷过程相对稳定，太阳能曝气湿地SRP和TP出水浓度显著低于无曝气湿地。整个试验期间，太阳能曝气湿地的SRP和TP平均去除率分别为76．2％和67．3％。与无曝气湿地相比，太阳能曝气湿地可4结论使SRP和rP的平均去除效率分别提高15．7％和将太阳能曝气引人人工垂直潜流湿地，增加溶11．5％。研究结果表明，填料吸附和滞留是潜流湿解氧供给，探讨其生活污水氮磷去除的技术经济性地磷去除的主要途径。引入曝气后，强化了湿地填料与磷的接触效果，能。试验结果发现，在400mrn／d的水力负荷下，太磷吸附去除性能得到改善。另外，曝气后，湿地微生阳能曝气优化了吸附、微生物吸收和植物组织提取物数量和活性增加J，湿地填料如砾石中Al和Fe等脱氮除磷过程，能有效提高湿地去除NH一N，TN，等金属元素受微生物活动影响逐渐释放，并形成Al—SRP和TP的性能；但曝气创造的有氧环境不利于P和Fe．P等H，改善湿地微生物除磷和化学除磷性NO一N反硝化去除。此外，低温条件下，微生物活性 第6期汤显强等太阳能曝气人工垂直潜流湿地去除生活污水氮磷的试验研究4l下降，单纯的引入曝气不能有效促进氮磷去除。ence，2o08，25(9)：1279—1290．『6]DE．BASHANLE．BASHANY．RecentAdvancesinRe．与无曝气湿地比，太阳能曝气湿地的处理费用movingPhosphomsfromWastewaterandItsFutureUseas增]JI6．2％(0．03m)，但NH一N，TN，RP和TPFertilizer(1997—2003)[J]．WaterResearch，2004，38的月均去除率提高了10％以上，在净化生活污水方(19)：4222—4246．面具有较好的技术经济优势。随着该太阳能湿地进[7]BEHRENDSL，HOUKEL，BAILEYE，eta1．Reciproca-ringConstructedWetlandsforTreatingIndustria1．Munici—入工程应用，可通过规模效应进一步降低基建和装palandAgrl‘culturalWastewater[J]．WaterScienceand置设备成本，提高其经济竞争优势。Technology，2001，44(11／12)：399一加5．18lVYMAzALJ．RemovalofNutrientsinVariousTypesof参考文献：ConstructedWetlands『J1．ScienceoftheTotalEnviron—ment，2007，380(1—3)：48—65．[1]ZHUH，YANB，XUY，eta1．RemovalofNitrogenand[9]TANGXQ，HUANGSL，NGc0，eta1．EnhancementC0DinHorizontalSubsurfaceFlowConstructedWetlandsofNitrogenandPhosphorusRemovalinPilot．scaleVerti．underDiferentInfluentC／NRatios[J]．EcologicalEngi—catSubsurfaceFlow．constructedWetlandsUsingPolypro．neering。2014，63：58—63．pylenePellets[J]．EnvironmentalEngineeringScience，r2]VYMZALJ．TheUseofHybridConstructedWetlandsfor20o9。26(3)：621—631．WastewaterrreatmentwitllSpecialAttentiontoNitrogen[10]rrSUNEDAS，OHNOT，SOEJIMAK，eta1．Simuhane．Removal：AReviewofaRecentDevelopmentlJ1．Water0USNitrogenandPhosphorusRemovalUsingDenitrifyingResearch．2013。14：4795—4811．Phosphate—accumulatingOrganismsinSequencingBatch[3]TANGXQ，HUANGSL，scHOLZM，eta1．NutrientReactor[J]．BiochemicalEngineeringJournal，2006，27RemovalinVerticalSubsurfaceFlowConstructedWet．(3)：191—196．1andsTreatingEutrophicRiverWater[J]．International[11]sAKADEVANK，BAVORHJ．PhosphateAdsorptionJournalofEnvironmentalAnalyticalChemistry。2011，CharacteristicsofSoils，SlagsandZeolitetobeUsedas91(7／8)：727—739．SubstratesinConstructedWetlandSystems『J]．Water[4]FANJ，ZHANGB，ZHANGJ，eta1．IntermittentAera-Research，1998，32(2)：393—399．tionStrategytoEnhanceOrganicsandNitrogenRemoval[12]CHENZM，CHENB，ZHOUJB，eta1．AVerticalinSubsurfaceFlowConstructedWetlands『J]．Biore—Subsurface—flowConstructedWetlandinBering[J]．sourceTechnology，2013，141：l17—122．CommunicationsinNonlinearSciencesandNumerical[5]TANGXQ，HUANGSL，SCHOLZM．NutrientRemov．Simulation，20o8。13(9)：1986—1997．alinWetlandsDuringIntermittentArtificialAeration：APilot—scaleStudy[J]．EnvironmentalEngineeringSci—(编辑：刘运飞)RemovalofNitrogenandPhosphorusinDomesticWastewaterbySolarAeratedVerticalSubsurfaceFlowConstructedWetlandsTANGXian—qiang’．WUMin’(1．BasinWaterEnvironmentalResearchDepartment，YangtzeRiverScientificResearchInstitute．Wuhan430010，China；2．KeyLabofBasinWaterResourceandEco—environmentalScienceinHubeiProvince，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan430010，China；3．JiangxiProvincialKeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandControl，Nanchang330029．China)Abstract：Reeds(Phragmites)andgravelwereusedtodeveloppilotscalesolaraeratedverticalsubsurfaceflowconstructedwetlandstotreatdomesticwastewater．Thehydraulicloadingratewasset400mm／dandairtowaterra．riowas10：1．Experimentalresultsindicatedthatsolaraerationresultedin24．8％．9．4％．15．7％and11．5％incrementintotalmeanremovalrespectivelyforammonia—nitrogen(NH4-N)，totalnitrogen(TN)，solublereactivephosphorus(SRP)andtotalphosphorus(TP)withcorrespondinginfluentconcentrationsof5．14m#L．7．56mg／L，0．40mg／Land0．53mg／L．Lowatmospherictemperatureandinfluentconcentration，however，causedanegligibleroleofsolaraerationinnitrogenandphosphorusremova1．Forthepresentexperimentapparatustheex．，penditureofsolaraeratedwetlandis2．85timesthenon-aeratedwetlands．ConsideringatotalinvestmentoveraPe—riodof20years，thecosttotreatdomesticwastewaterforsolaraeratedwetlandisonly0．02RMB／mhigherthanthatofnon—aeratedwetland．Inconclusion．solaraeratedconstructedwetlandisapromisingsolutionoftreatingdo．mesticwastewaterwithcompetitivetechnicalandeconomicaladvantages．Keywords：solaraeration；constructedwetland；nitrogen；phosphorus；costoftreatment