人工复合生态床处理低浓度农村污水.docx
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人工复合生态床处理低浓度农村污水
人工复合生态床处理低浓度农村污水
近年随着流域点源污染控制工程的实施，面源氮、磷入湖量占流入滇池总量的比例已超过50%，因此控制面源污染已成为解决滇池富营养化的关键。
根据对滇池某示范控制区的调查，其地表径流、水土流失、固体废物和村镇生活污水是主要面污染源，而河道和沟渠是污染物的最终入湖途径，为此研究、开发了一种适合于该地区的新型人工湿地系统即人工复合生态床系统。
该系统是在人工湿地的基础上选择最佳的植物栽种方式，并在床体内部填充多孔的、有较大比表面积的介质以改善湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，同时增强系统对污染物（尤其是氮、磷）的去除能力。
人工复合生态床作为湿地系统的一种，具有工艺简单、运行管理方便、生态环境效益显著、投资少等优点，适合于村镇生活污水的处理。
根据调查，在滇池地区农村生活污水与排灌水相混合的现象十分普遍，因此农村生活污水汇集出口处因受农田排灌水的影响，污水浓度低、流量大。
对于潜流式湿地，若按常规的水力负荷（一般为2～15cm/d）设计要占很大的面积[1]，因此如何提高系统负荷、减少占地面积成为人工复合生态床研究的重点。
1试验装置及方法
1.1试验装置
试验系统设在滇池流域某一示范控制区，共有4个单元床体，结构如图1所示。
首先，污水自流进入调节池，然后通过PVC管送入各个单元床体。
人工复合生态床水流为潜流式，每个床体宽为1m、长为6m、床深为0.7m、坡度为1%。
床体底部铺设10cm厚的碎石（直径为2～4cm）层，中部为40cm厚的炉渣层，上部为10cm厚的土壤层，污水在床体内部水平流动。
布水区和集水区的宽度均为40cm，内部分别填充直径为2～5cm的卵石，集水区底部安装一根多孔集水管，且与外部一根出水高度可调的竖管相联接。
经测定床体平均孔隙率为50%，填充炉渣的水力传导系数为3.47×10-3mm/s。
为了比较不同水生植物的处理效果，在各单元床体种植了不同的植物（具体布置见表1），其中1号床为空白对照。
表1各单元床体的植物布置方式
项目
1号
2号
3号
4号
植物种类
无
芦苇
前1/3段为芦苇，后2/3段为茭白
前1/3段为芦苇，后2/3段为菖蒲
种植密度（株/m2）
16
芦苇：
16，茭白：
12
芦苇：
16，菖蒲：
20
1.2 植物栽培
试验选用滇池流域常见的水生植物：
芦苇、茭白和菖蒲。
2001年2月底在滇池附近的沼泽地选择20cm×20cm×40cm（长×宽×高）的带土芽尖并将其移植到各单元床体（种植密度见表1），栽完后立即充水并使根部浸泡在水中，半个月后开始进污水[2]。
1.3试验条件
试验所用污水来自该示范控制区某沟渠的下游段（该沟渠的水流经农田和村镇，最后进入滇池），以生活污水为主，混有一部分农田排灌水及雨水，其特点是污染物浓度低于生活污水，但水量很大。
系统运行期间的进水水质见表2，运行条件见表3。
试验过程中参照国家环保局的推荐方法分析COD、TN、氨氮和TP等水质指标（每周1～2次）。
表2污水水质
COD（mg/L）
TN（mg/L）
氨氮（mg/L）
TP（mg/L）
DO（mg/L）
pH
50～80
2～8
2～4
0.5～1.0
0.5～1.0
7.0～8.0
表3 运行条件
水力负荷（cm/d）
COD负荷［g/（m2·d）］
TN负荷［g/（m2·d）］
TP负荷［g/（m2·d）］
停留时间（d）
30
21.6
1.97
0.21
1
2结果与讨论
2.1对污染物的去除效果
湿地系统中具有沉降性的有机物通过沉积和过滤可很快被去除，可溶性有机物主要通过微生物的降解而去除，氮则是通过硝化与反硝化反应及水生植物的吸收而被去除，而磷的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收［1］。
值得指出的是复合生态床中的植物长势非常良好，在4个月内芦苇、茭白和菖蒲分别由0.4m长高到2.0、2.5和1.2m，而且枝叶繁密，生长速度明显高于天然环境中的植株。
人工复合生态床对污染物的去除效果见表4。
表4人工复合生态床对污染物的去除效果
床号
COD
TN
氨氮
TP
进水（mg/L）
出水（mg/L）
去除率（%）
进水（mg/L）
出水（mg/L）
去除率（%）
进水（mg/L）
出水（mg/L）
去除率（%）
进水（mg/L）
出水（mg/L）
去除率（%）
1
61～72
23～30
55.6～62.6（59.6）
4.9～7.8
3.0～4.8
38.5～60.0（50.4）
1.9～2.8
0.4～1.1
62.7～82.8（70.8）
0.58～0.97
0.24～0.32
54.0～58.7（55.0）
2
16～26
62.9～73.8（68.6）
1.9～3.4
55.5～62.7（59.0）
0.2～0.7
76.4～87.5（83.0）
0.20～0.29
61.8～66.0（65.0）
3
15～23
67.1～75.4（70.6）
1.8～3.2
57.0～64.0（60.6）
0.3～0.8
72.5～86.4（80.9）
0.19～0.28
62.2～67.2（66.0）
4
19～26
62.9～69.1（66.4）
1.9～3.5
54.4～61.3（57.7）
0.4～0.8
70.8～81.3（78.7）
0.21～0.29
60.8～65.1（63.2）
注：
“去除率”一栏中括号内为平均值。
从表4可以看出，2、3号床对污染物的去除效果较好，1号空白床的去除效率最低。
这是因为水生植物都有通过水面上的枝叶从大气中吸收和输送氧气的能力，它们把氧气送到根部的气体导管，所以与根或茎直接接触的土壤会呈好氧状态，其他部位的土壤则呈厌氧状态，这为土壤中各种不同微生物提供了适宜的环境，从而促进污染物的降解；而空白湿地上无植物生长且长期被淹没，土壤几乎都呈厌氧状态，不利于多种微生物的生长。
另外污水处理系统中的植物被认为是一个营养贮存库，植物吸收营养维持生长和繁殖（这些营养物基本来自污水中的有机物、氮和磷），植物生长得越快则污染物减少得越多。
2.2植物栽种方式的比较
复合生态床中除2号床全部种植芦苇以外，其他均采用混种方式。
从表4可知，3号床除污效果最好、2号床次之、4号床则低于上述两床。
以上结果说明，多种植物组合能发挥不同植物的优势，符合湿地植物的多样性规律，有利于床体对污染物的去除。
4号床的除污效果低于2、3号床是由于菖蒲与芦苇、茭白相比个体矮小（平均高度为1.2m）且分孽很少，另外菖蒲的匍匐根虽然很粗大，但其只在土壤浅层蔓延、扎根不深，因此传氧能力较低。
芦苇和茭白的根系发达并且深浅交错、输氧能力强，特别是在芦苇湿地系统中传输氧的能力更强，因为芦苇的根茎是垂直向下地延伸生长，具有非常强的穿透性。
系统运行120d后对植物根系的生长状况进行了测定，结果显示芦苇的根茎深度为30～50cm,根系发达且四处穿插；茭白的根茎深度为40～50cm,根茎粗大，其上长有许多根须；菖蒲的根茎深度为10～15cm,纵向多为根须。
2.3氧化还原电位（ORP）比较
在植物稳定生长期间测定了出水DO和床体的ORP，结果见表5。
表5各床体ORP及出水DO
项目
1号
2号
3号
4号
出水DO（mg/L）
0.7
1.5
1.3
1.1
床体ORP（mV）
-200
-48
-84
-120
由表5可知，除空白床外的各床体出水DO浓度略高于进水（0.5～1.0mg/L）,表明植物对床体有一定的输氧作用，其中2号床DO最高，3、4号床次之。
床体内部的ORP均为负值，可见床体总体上处于还原态，内部供氧不足，这种条件有利于反硝化而不利于硝化及好氧反应。
比较各单元床体的ORP发现2号床最高，3、4号床次之，1号床最低，说明植物床中芦苇的输氧能力最强，而空白床中因为无植物输氧作用则处于严重的缺氧状态。
从以上分析可知，2、3号床体是较为适宜的人工复合生态床形式，3号床对各污染物的去除综合效果最好，而且种植的茭白具有一定的经济价值。
2.4 植物对脱氮、除磷的作用
湿地系统中氮的脱除主要包括作物吸收、生物脱氮以及氮的挥发。
生活污水中的氮通常以有机氮和氨（也可以是铵离子）的形式存在。
在土壤—植物系统中，有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为铵态氮，由于土壤颗粒带有负电荷，铵离子很容易被吸附，土壤微生物通过硝化作用将铵离子转化为NO3-，土壤又可恢复对铵离子的吸附功能。
土壤对带负电荷的NO3-没有吸附截留能力，NO3-可以被植物根系吸收而成为植物营养成分或通过反硝化最终转化为N2或者N2O而挥发掉。
湿地系统中磷的去除主要包括形成不溶性的钙、铁、铝等化合物的沉淀以及植物的吸收。
采用潜流式系统时选用适宜的土壤和介质可使除磷效果更好，含有一定量粘土或介质中有铁、铝离子存在时可进一步提高除磷效果［1］。
在试验进行的第120天对系统中植物的各项参数进行了测定，结果见表6、7。
表6 各植物的氮、磷含量和含水率
项目
芦苇
茭白
菖蒲
全氮*
2.90
2.34
2.04
全磷*
0.30
0.25
0.32
含水率
61.25
53.81
61.47
注：
*干物质含量。
表7各床体植物的收割量（湿重） kg
床号
芦苇
茭白
菖蒲
1号
2号
20.8
3号
7.9
16.7
4号
9.6
5
由表6、7可计算出运行期间通过植物吸收所去除的总氮量（Nplant）和总磷量（Pplant）。
由进、出水总氮和总磷浓度和进、出水流量可以得到在此期间的总氮投配总量（Nin）和排放总量（Nout）、总磷的投配总量（Pin）和排放总量（Pout）。
试验系统采用的填充土壤的pH值为中性，所以可以忽略氮的挥发损失，由此可得到系统运行期间通过生物脱氮而去除的氮量Nb=Nin-Nplant-Nout以及通过沉淀和介质吸附去除的磷量Pa＝Pin-Pplant-Pout，计算结果如图2、3所示。
从图2可以看出，通过反硝化去除的总氮量占投配总氮量的40%左右，可见反硝化是脱氮的主要途径；植物吸收的总氮量占投配总氮量的10%～19%，也是脱氮的重要途径。
从图3可知，由沉淀和吸附去除的磷量占投配量的50%左右（是除磷的主要途径），植物吸收则占9%～16%左右。
通过比较可知，3号床中植物对氮、磷的吸收最大，4号床最小。
因为3号床中的植物特别是茭白的生长量最大，而4号床中的菖蒲由于植株矮小，生长量最小，这也从另一个角度说明了为什么3号床对污染物的去除效果较好。
由此可见，茭白对氮、磷的吸收能力强，芦苇则介于二者之间，但芦苇的根系输氧作用强。
鉴于水生植物对污水中的氮、磷具有一定吸收能力，定期收割人工复合生态床中的植物也能促进系统对氮、磷的去除。
2.5 对污染物削减量的计算
以试验所用排污沟渠为例，对人工复合生态床的污染物削减量进行了计算。
污水流量为10m3/h即（240m3/d），按3号床的处理效果计算，水力负荷为30cm/d时的处理系统所需占地面积为800m2，对COD、N和TP的平均去除量分别为15.25、1.193和0.134g/（m2·d），可削减COD、TN和TP量分别为4.45、0.35和0.039t/a，与一般湿地系统相比，该工艺水力负荷高、占地面积小。
3结论
①在高水力负荷（30cm/d）条件下各单元床体出水水质较好，对COD、TN、氨氮和TP的去除率分别为59.6%～70.6%、50.4%～60.6%、70.8%～83.0%和55.0%～66.0%。
人工复合生态床对COD、TN和TP去除量分别为15.25、1.193和0.134g/（m2·d）。
②芦苇具有较强的输氧能力，茭白具有较强的吸收氮、磷的能力，因此芦苇与茭白混种是一种较好的植物种植方式。
人工湿地处理废水有机物动态模型的研究
人工湿地已广泛应用于废水处理，然而，人工湿地的设计和运行常常缺乏模型的指导。
本研究以风车草潜流式人工湿地处理养猪场废水为研究对象，重点讨论在同一废水来源、相同的潜流式人工湿地和统一的水力停留时间下（3d），进水有机负荷（以COD表示）和气温对COD降解常数左的影响，以及基于进水有机负荷和气温丸值与出水水质预测模型。
1模拟人工湿地的构成
人工湿地的剖面如图1所示，长度为1m，宽0.5m，高0.8m，由砖和水泥砌成。
湿地内填充粒径3—5cm的碎石60cm厚作为处理床，处理床上种植风车草，试验在大棚内进行。
风车草植株根系发达，分蘖数14-16个／株，高度135-145sm，每组8株，分两行栽种。
湿地进水通过位于湿地前部的进水槽从处理床前端底部分多孔均匀进水，从另一端上部多孔均匀出水。
2COD降解的数学模型
根据反应器中反应物的流动特征和净化机理，通常把人工湿地看作推流反应器[1-3]。
在理想的推流反应器中，反应物浓度随空间和时间而变化，并遵循：
Yt=Yoexp（-kt）
式中：
t——反应器物料的理论停留时间，d；
Yt——出口COD的质量浓度，mg／L；
Yo——进口COD的质量浓度，mg／L；
K——COD降解常数[4]。
在上述方程中，兑反映湿地废水COD的降解速度，它与废水性质、进水特征、废水处理系统的整体特征以及系统运行的环境条件等有关[5]。
3实验方法
测试前先运行2个月，以让处理床挂膜；运行时每隔3d进1次废水，进水量90L／室，进水浓度低于当季正式测试时的最低进水浓度。
为了研究季节性气温（水温）对湿地降解COD的影响，将试验按4个不同季节进行测试，试验连续进行1a。
其中，秋季和春季运行采用同一个进水浓度范围，废水在湿地的停留时间（HRT）采用5个方式（5，4，3，2，1d），秋季春季试验平均进水COD的质量浓度为736.29土29.63mg／L，5种停留时间运行下的水力负荷分别为72，90，120，180和360L／（m2·d），有机负荷（以COD计）依次为：
53.01，66.26，88.35，132.53和265.06g／（m2·d）。
冬季和夏季试验运行采用同一个停留时间（3d），5个不同的进水浓度范围（见表1）。
表1 夏季、冬季风车草湿地降解COD的5个k值
序号
Yo（mg·L-1）
Yt（mg·L-1）
K/d-1
夏季
冬季
夏季
冬季
夏季
冬季
1
86.26
196.32
35.07
44.93
0.2999
0.4915
2
255.13
345.68
55.24
81.21
0.5101
0.4829
3
651.38
582.44
108.58
147.72
0.5972
0.4573
4
983.38
677.15
112.90
200.92
0.7215
0.4050
5
1440.18
1002.82
163.67
230.39
0.7250
0.4903
注：
①停留时间为3d，k按Yt=Yo·e（-kθ）计算；②水力负荷为120L／（m2·d），平均有机负荷从低到高依次为：
16.95，36.04，74.02，99.63和146.58g／（m2·d）。
试验期间各组每天连续进水，进水是猪场废水经沉淀和厌氧处理后的出水再按试验所需用清水调配而成。
在同一季节内，试验不同停留时间或不同进水水质的运行和测试均重复3次。
每一个季节测试结束，将试验植物沿床面上30cm剪割掉，各组继续在低浓度下继续运行。
4结果与讨论
4.1进水浓度对COD降解系数A的影响
冬、夏季湿地去除COD服从指数方程规律。
将风车草湿地夏季、冬季停留时间等于3d时Yo和Yt，的5组测定结果分别代人指数方程Yt=Yo·e（-kθ），获得夏季、冬季风车草湿地降解COD的5个k值，见表1。
根据表1中Yo与k的对应关系，可以分别求出冬、夏季COD的降解系数k（d-1）与进水COD的质量浓度（Yo，mg／L）的回归方程，分别为：
夏季：
k=0.0003Yo+0.3727，r=0.9019
（1）冬季：
k=-0.00002Yo+0.4791，r=0.2083
（2）
4.2温度对COD降解系数k的影响
将4个进水COD的质量浓度：
490.35,867.07，983.38和1440.20mg／L，依次代入冬季k与Yo的关系式k=-0.00002Yo+0.4791，可估算出4个k，依次是：
0.4693，0.4618，0.4594和0.4503d-1。
同理，将上述4个进水COD值代入夏季k与Yo的关系式k=0.0003Yo+0.3727，求出4个相应的k，依次是：
0.5198，0.6328，0.7215和0.7250d-1。
假设在同一进水浓度下，k与温度成线性关系，根据上述4种进水浓度下，冬、夏季各4个k值，以及冬、夏季气温（分别为17.9℃和27.2℃），可以分别求出上述4种进水浓度下，k随温度θ（℃）变化的直线方程，见表2。
表2 A随温度日变化的估算方程
Yo/（mg·L-1）
θ1/℃
K1/d-1
θ2/℃
K2/d-1
估算方程
490.35
17.9
0.4693
27.2
0.5198
K=0.0054θ+0.3726
867.07
17.9
0.4618
27.2
0.6328
K=0.0184θ+0.1324
983.38
17.9
0.4594
27.2
0.7125
K=0.0282θ-0.0454
1440.20
17.9
0.4503
27.2
0.7250
K=0.0295θ-0.0778
根据表2的4种不同进水浓度下、k随温度θ变化的估算方程，可以计算出秋季（温度21.4℃）、上述4种进水浓度下的COD降解常数&值分别为：
0.4882，0.5262，0.5581和0.5535d-1。
同理，可以计算出春季（温度23.8℃）、上述4种进水浓度下的COD降解常数秃值分别为：
0.5011，0.5703，0.6258和0.6243d-1。
这样，4种进水浓度、4个季节（温度）下人工湿地的COD降解常数无值汇总在表3。
表3 不同温度（9）风车草人工湿地的COD降解常数
进水ρ（COD）／（mg.L-1）
不同温度COD降解常数k/d-1
冬季（17.9℃）
秋季（21.4℃）
春季（23.8℃）
夏季（27.2℃）
0.4693
0.4882
0.5011
0.5198
867.07
0.4618
0.5262
0.5703
0.6328
983.38
0.4594
0.5581
0.6258
0.7215
1440.20
0.4503
0.5535
0.6243
0.7250
4.3COD降解常数k的估算模型
根据表3中进水浓度与k的对应数据，可以作出不同温度下，k与进水浓度之间的关系图，如图2所示。
图2表明：
冬季低温环境下，进水浓度提高，k则减小（θ1）；其它高温季节环境下，k随进水浓度提高而增大（θ2，θ3和θ4）。
图2中，不同温度下，k随进水浓度变化的回归方程分别为：
方程θ1：
k=0.4791-（2×10-5）yo，r=1.0000 （3）
方程θ2：
k=0.4656+（7×10-5）yo，r=0.8489 （4）
方程θ3，k=0.4563+0.0001yo， r=0.8735 （5）
方程θ4：
k=0.4432+0.0002yo， r=0.8856 （6）
上述θ1—θ4的4个方程可用k=a+byo来表示，方程中a值与温度关系见图3，b值与温度关系见图4。
图3、图4可见，a值随温度上升而下降，而b值随温度上升而增加，其回归关系为：
a=0.5482-0.0039θ，r=1.0000 （7）
b=0.0004+（2×10-5）θ，r=0.9924 （8）
将式（7）和式（8）代人k=a+byo中，则k与进水浓度的关系式变为：
k=（-0.0039θ+0.5482）+[（2×10-5）θ-0.0004]yo。
（9）
若式（7）用a=a1θ+a2来表示，则al=-0.0039，a2=0.5482
同理，若式（8）用b=b1θ+b2来表示，则b1=2×10-5，b2=-0.0004
将k=a+byo代入yt=yoexp（-kt），
则：
yl=yoexp[-（a+byo）t]，再将a=a1θ+a2和b=b1θ+b2代入，
则：
y1=yoexp{-[（a1θ+a2）+（b1θ+b2）yo]t} （10）
式（10）中：
yl为出水COD的质量浓度mg／L；yo为进水COD的质量浓度mg／L；θ为温度，℃；t为水力停留时间，d;a1,a2，b1和b2均为系数，a1=-0.0039，a2=0.5482，bl=2×10-5，b2=-0.0004。
这样，通过式（10），也可以预测出不同温度、进水COD浓度和停留时间下的风车草人工湿地猪场废水处理的出水COD值。
5实测与模拟结果的比较
式（10）是根据人工湿地实际系统的进水浓度和水力停留时间以及运行温度环境，预测出人工湿地的出水水质，式中k是关键，其估算模型的精度见表4。
表4 k式的准确性检验
系统运行条件
k
K1
K1误差/%
进水ρ（COD）=490.35mg·L-1
17.9℃
0.4693
0.4578
-2.45
21.4℃
0.4882
0.4785
-1.99
23.8℃
0.5011
0.4927
-1.68
27.2℃
0.5198
0.5127
-1.37
进水ρ（COD）=867.07mg·L-1
17.9℃
0.4618
0.4419
-4.31
21.4℃
0.5262
0.4890
-7.07
23.8℃
0.5703
0.5213
-8.59
27.2℃
0.6328
0.5669
-10.41
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