不同填料對室內(nèi)小試污水凈化效果研究

近年來，建成的濕區(qū)生態(tài)處理技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，其中植物、填充植物、生長在填充植物和植物根系表面的微生物組成。人工濕地填料不僅為植物生長、微生物附著提供適宜條件,自身還通過物理化學(xué)吸附,沉降絡(luò)合等作用有效去除污染物質(zhì)。目前濕地填料的選擇大多以填料對特征污染物的去除情況為依據(jù),如除磷填料的選擇常依據(jù)填料最大磷吸附量,實驗中此法選用填料較少且粒徑較實際工程所用填料小,對填料的實際去污性有過高估計。為此,本實驗開展不同單一填填料及其組合運行效果實驗研究,通過比較TN、TP、COD的去除效果,優(yōu)化選擇人工濕地填料。1實驗部分1.1實驗填料的確定目前用于污水處理的人工濕地填料包括碎石、頁巖、煤灰、礦渣、陶粒、石灰石、沸石等?？紤]到填料的來源及成本等因素,選用天津本地的頁巖、粗礫石、鐵礦石、麥飯石作為實驗填料。填料的物理性質(zhì)影響填料與污染物、溶解氧的接觸狀況及微生物的生長狀況,進而影響污染物去除效果,因此對實驗所用填料的干容重、孔隙率、水力滲透系數(shù)、顆粒粒徑級配等部分物理性質(zhì)進行測定,具體數(shù)據(jù)見表1。1.2實驗系統(tǒng)運行及效果實驗測定比較室內(nèi)無植物條件下填料對污染物的去除性能。實驗裝置共8套(見圖1),每套裝置由污水配給箱、下行柱和上行柱(按污水流向)等構(gòu)成。上行柱和下行柱材質(zhì)為有機玻璃,內(nèi)徑均為15cm,高120cm,進水管位于上行柱100cm處,出水管比進水管低10cm。1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#分別代表裝填單一填料或組合填料的實驗裝置(填料組合情況見表2)。系統(tǒng)自2006年1月中旬于室內(nèi)運行,中央空調(diào)控制室溫25℃,取衛(wèi)津河河水作為小試污水水源貯于室內(nèi)污水箱,容積為3m3,主要水質(zhì)參數(shù):COD為115~140mg/L,TN為7.8~9.5mg/L,TP為1.4~1.6mg/L,pH為8.32~8.64。系統(tǒng)運行初期,24h連續(xù)用泵于污水箱中抽取污水,設(shè)計水力負荷200mm/d,各裝置日進污水約7L。運行兩周后,發(fā)現(xiàn)泵抽取污水過程中造成水流紊動引起懸浮顆粒物在流量控制閥附近積累,導(dǎo)致部分實驗裝置進水流量減小甚至無出流,致使實驗條件不一進而無法比較實驗結(jié)果。后采用人工投加等量污水:工作日每日上午8點向各裝置加水3L,下午4點加水4L,日光燈照明8h;周末及節(jié)假日采取上午8點一次性加水7L和室內(nèi)熄燈操作。調(diào)節(jié)流量控制閥使各裝置流量接近,促使裝置連續(xù)24h運行。整改后,實驗于2006年3月開始正常運行,設(shè)計實驗周期為一個月,每隔兩天在進水口、出水口采集水樣,測定污染物質(zhì)TN、TP、COD濃度變化情況。1.3分析方法TN:采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法;TP:采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法(為UV-7504c紫外分光光度計,上海);COD:采用COD快速測定儀(HE-9906,德國)。2結(jié)合污染物的性能2.1cod的去除植物床人工濕地對COD的去除通過好氧降解、厭氧降解及填料吸附沉降、植物組織吸收實現(xiàn),植物根系不斷向床體釋放氧氣使好氧降解成為人工濕地去除COD的主要途徑。本研究小試系統(tǒng)無植物,COD去除主要靠填料吸附和填料表面微生物同化吸收。對各實驗裝置進水及出水采樣分析,測定COD去除率變化情況,結(jié)果見圖2、圖3。從圖中可看出,無論單一填料還是組合填料,COD去除率隨時間推移呈現(xiàn)出周期性波動,但波動趨勢大體一致,造成這種現(xiàn)象的原因在于周末和節(jié)假日與工作日進水方式、室內(nèi)燈光照射條件不同?；谔盍线x擇的需要,從污染物去除效果看,單一填料頁巖COD去除效果最好,最高可達40%,其次是麥飯石、粗礫石,鐵礦石最差,COD去除率大多數(shù)低于10%。組合填料COD去除效果接近,去除率在10%~35%之間浮動,這與無植物床COD的去除途徑有關(guān)。室內(nèi)小試系統(tǒng)無植物栽種,有機污染物的去除僅通過填料吸附和微生物降解實現(xiàn),因此水力滲透系數(shù)低(水力滯留時間長)、孔隙率低的頁巖和麥飯石具備較長的污水、填料接觸時間和較大接觸面積,提供較好的吸附沉降條件和相對適宜的微生物生長條件,COD去除率相應(yīng)比粗礫石和鐵礦石高。相比單一填料,組合填料COD去除率相近可能是組合填料物理性質(zhì)相似的結(jié)果。2.2填料tn及tn去除率隨時間的變化人工濕地去除氮素通過植物組織吸收、填料吸附沉降及生長在植物、填料表面的微生物硝化、反硝化實現(xiàn)。室內(nèi)小試無植物栽種且室內(nèi)缺乏陽光照射對微生物生長不利,水力負荷200mm/d(水力停留時間約2.4d)達不到微生物徹底除氮的要求(水力停留時間最低為5d),以上因素導(dǎo)致室內(nèi)小試TN去除主要靠填料吸附沉降完成。TN去除率變化如圖4、圖5所示。從TN去除率看,單一填料頁巖TN去除率最高,達到85%以上,其次是麥飯石、鐵礦石、粗礫石;組合填料中頁巖與粗礫石TN去除率稍高于頁巖與麥飯石組合,粗礫石與鐵礦石組合去除率較低,在20%~40%之間。填料TN去除率變化情況與其現(xiàn)階段去除途徑有關(guān)。實驗條件下,TN主要通過填料吸附被去除,因此孔隙率低、水力滲透系數(shù)低的頁巖具備較好的填料、污染物接觸效果,TN去除率相應(yīng)比麥飯石、鐵礦石、粗礫石高;組合填料中,粗礫石與頁巖組合TN去除率稍高于麥飯石與頁巖組合,但麥飯石TN去除率隨時間推移下降較快,從初期的75%下降至40%,其吸附能力隨著處理時間的增加將趨于飽和,因此麥飯石及其組合不宜作為TN去除填料。與COD去除率相比,部分填料的TN去除率也呈現(xiàn)出波動與隨時間推移逐漸變小的趨勢。造成TN去除率波動的原因也與工作日與節(jié)假日進水方式和光照條件不同有關(guān)。TN主要靠吸附去除,受微生物影響較COD小,因此去除率波動幅度相應(yīng)小于COD。部分填料及填料組合TN去除率下降可能是填料的吸附能力隨著處理時間的增長有所降低的緣故。2.3組合填料中磷的去除效果從圖6、圖7看出,處理初期單一填料和組合填料TP去除率均呈現(xiàn)出一定下降趨勢,然后趨于穩(wěn)定,該現(xiàn)象與填料的磷吸附特點有關(guān)。填料對磷的吸附包括物理吸附、化學(xué)吸附和微生物吸附,室內(nèi)小試系統(tǒng)由于缺乏陽光不利于微生物生長,填料吸附以物理吸附和化學(xué)吸附為主,物理吸附時間短,吸附量小,易飽和;化學(xué)吸附通過填料中金屬元素Al、Fe、Ca等與磷素形成沉淀或絡(luò)合物實現(xiàn),吸附較穩(wěn)定。試驗前期,填料對磷的吸附以表面物理吸附為主,隨著物理吸附逐漸飽和,化學(xué)吸附成為TP去除首要因素,TP去除率隨之呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的趨勢,但部分填料及其組合TP去除率隨時間推移逐漸下降,其中麥飯石TP去除率下降最快,從實驗初55%減少到30%?？梢?隨著實驗周期延長,麥飯石的磷吸附去除能力漸漸趨于飽和,因此麥飯石不宜作濕地除磷填料。組合填料中,頁巖與麥飯石、頁巖與粗礫石、鐵礦石與粗礫石組合可能由于填料的吸附能力減弱造成TP去除率也出現(xiàn)較小下降趨勢,但麥飯石與粗礫石組合TP去除率下降后又上升,并保持相對穩(wěn)定,這可能是組合的填料化學(xué)吸附強于物理吸附的結(jié)果,其具體原因可通過測定填料化學(xué)性質(zhì)及相關(guān)吸附實驗來確定。單一填料頁巖TP去除率最高達到85%以上,其次是麥飯石、粗礫石、鐵礦石最低,不足10%。組合填料中,頁巖與粗礫石TP去除率最高,高于其它組合填料及除頁巖外的單一填料,頁巖與麥飯石組合次之,粗礫石與鐵礦石組合TP去除率最低。頁巖的磷吸附能力很強,吸附實驗測得其最大吸附量為730mgP/kg。圖6、圖7中頁巖及其組合磷去除效果明顯好于其它單一及組合填料,驗證了頁巖是較好的濕地除磷填料,鐵礦石TP去除率較低可能與環(huán)境有關(guān),室內(nèi)小試出水pH值介于8.02~8.26之間,說明系統(tǒng)屬弱堿性,堿性條件下,鐵礦石中的Fe元素不易與磷結(jié)合,因此磷去除效果不佳。3人工濕地填料本文比較室內(nèi)小試填料頁巖、麥飯石、粗礫石、鐵礦石及其組合COD、TN、TP去除情況。結(jié)果表明:在相同進水水質(zhì)、水力負荷為200mm/d的運行條件下,單一填料中,頁巖的COD、TN、TP去除性能優(yōu)越,去除率分別最高分別可達40%、88.9%、87.5%,是理想的人工濕地去污填料。麥飯石物理性質(zhì)優(yōu)越,但去污能力有限,不滿足人工