不同填料對(duì)室內(nèi)小試污水凈化效果研究

不同填料對(duì)室內(nèi)小試污水凈化效果研究

近年來(lái)，建成的濕區(qū)生態(tài)處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，其中植物、填充植物、生長(zhǎng)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(zhǎng)、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(duì)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(shí)驗(yàn)中此法選用填料較少且粒徑較實(shí)際工程所用填料小,對(duì)填料的實(shí)際去污性有過高估計(jì)。為此,本實(shí)驗(yàn)開展不同單一填填料及其組合運(yùn)行效果實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)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(yè)巖、煤灰、礦渣、陶粒、石灰石、沸石等?？紤]到填料的來(lái)源及成本等因素,選用天津本地的頁(yè)巖、粗礫石、鐵礦石、麥飯石作為實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)狀況,進(jìn)而影響污染物去除效果,因此對(duì)實(shí)驗(yàn)所用填料的干容重、孔隙率、水力滲透系數(shù)、顆粒粒徑級(jí)配等部分物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,具體數(shù)據(jù)見表1。1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行及效果實(shí)驗(yàn)測(cè)定比較室內(nèi)無(wú)植物條件下填料對(duì)污染物的去除性能。實(shí)驗(yàn)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(jī)玻璃,內(nèi)徑均為15cm,高120cm,進(jìn)水管位于上行柱100cm處,出水管比進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)行初期,24h連續(xù)用泵于污水箱中抽取污水,設(shè)計(jì)水力負(fù)荷200mm/d,各裝置日進(jìn)污水約7L。運(yùn)行兩周后,發(fā)現(xiàn)泵抽取污水過程中造成水流紊動(dòng)引起懸浮顆粒物在流量控制閥附近積累,導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)水流量減小甚至無(wú)出流,致使實(shí)驗(yàn)條件不一進(jìn)而無(wú)法比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后采用人工投加等量污水:工作日每日上午8點(diǎn)向各裝置加水3L,下午4點(diǎn)加水4L,日光燈照明8h;周末及節(jié)假日采取上午8點(diǎn)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(yùn)行。整改后,實(shí)驗(yàn)于2006年3月開始正常運(yùn)行,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期為一個(gè)月,每隔兩天在進(jìn)水口、出水口采集水樣,測(cè)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(jì),上海);COD:采用COD快速測(cè)定儀(HE-9906,德國(guó))。2結(jié)合污染物的性能2.1cod的去除植物床人工濕地對(duì)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(shí)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(wú)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(duì)各實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)水及出水采樣分析,測(cè)定COD去除率變化情況,結(jié)果見圖2、圖3。從圖中可看出,無(wú)論單一填料還是組合填料,COD去除率隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出周期性波動(dòng),但波動(dòng)趨勢(shì)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(jìn)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(yè)巖COD去除效果最好,最高可達(dá)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(dòng),這與無(wú)植物床COD的去除途徑有關(guān)。室內(nèi)小試系統(tǒng)無(wú)植物栽種,有機(jī)污染物的去除僅通過填料吸附和微生物降解實(shí)現(xiàn),因此水力滲透系數(shù)低(水力滯留時(shí)間長(zhǎng))、孔隙率低的頁(yè)巖和麥飯石具備較長(zhǎng)的污水、填料接觸時(shí)間和較大接觸面積,提供較好的吸附沉降條件和相對(duì)適宜的微生物生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)在植物、填料表面的微生物硝化、反硝化實(shí)現(xiàn)。室內(nèi)小試無(wú)植物栽種且室內(nèi)缺乏陽(yáng)光照射對(duì)微生物生長(zhǎng)不利,水力負(fù)荷200mm/d(水力停留時(shí)間約2.4d)達(dá)不到微生物徹底除氮的要求(水力停留時(shí)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(yè)巖TN去除率最高,達(dá)到85%以上,其次是麥飯石、鐵礦石、粗礫石;組合填料中頁(yè)巖與粗礫石TN去除率稍高于頁(yè)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(shí)驗(yàn)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(yè)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(yè)巖組合TN去除率稍高于麥飯石與頁(yè)巖組合,但麥飯石TN去除率隨時(shí)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(shí)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(dòng)與隨時(shí)間推移逐漸變小的趨勢(shì)。造成TN去除率波動(dòng)的原因也與工作日與節(jié)假日進(jìn)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(dòng)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(shí)間的增長(zhǎng)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(shì),然后趨于穩(wěn)定,該現(xiàn)象與填料的磷吸附特點(diǎn)有關(guān)。填料對(duì)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(yáng)光不利于微生物生長(zhǎng),填料吸附以物理吸附和化學(xué)吸附為主,物理吸附時(shí)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(shí)現(xiàn),吸附較穩(wěn)定。試驗(yàn)前期,填料對(duì)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(shì),但部分填料及其組合TP去除率隨時(shí)間推移逐漸下降,其中麥飯石TP去除率下降最快,從實(shí)驗(yàn)初55%減少到30%?？梢?隨著實(shí)驗(yàn)周期延長(zhǎng),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(yè)巖與麥飯石、頁(yè)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(shì),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(duì)穩(wěn)定,這可能是組合的填料化學(xué)吸附強(qiáng)于物理吸附的結(jié)果,其具體原因可通過測(cè)定填料化學(xué)性質(zhì)及相關(guān)吸附實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。單一填料頁(yè)巖TP去除率最高達(dá)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(yè)巖與粗礫石TP去除率最高,高于其它組合填料及除頁(yè)巖外的單一填料,頁(yè)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(yè)巖的磷吸附能力很強(qiáng),吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得其最大吸附量為730mgP/kg。圖6、圖7中頁(yè)巖及其組合磷去除效果明顯好于其它單一及組合填料,驗(yàn)證了頁(yè)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(yè)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(jìn)水水質(zhì)、水力負(fù)荷為200mm/d的運(yùn)行條件下,單一填料中,頁(yè)巖的COD、TN、TP去除性能優(yōu)越,去除率分別最高分別可達(dá)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