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潛流人工濕地對污水廠尾水中有機物去除效果

2012-03-07 09:05:46楊長明汪盟盟李建華
關(guān)鍵詞:潛流溶解性處理廠

楊長明,馬 銳,汪盟盟,李建華

(同濟大學(xué)長江水環(huán)境教育部重點實驗室,上海200092)

與發(fā)達國家相比,我國城鎮(zhèn)污水廠處理水平整體較為落后,經(jīng)過城市污水處理廠處理過的二級出水水質(zhì)仍然較差[1],滿足不了日益增長的地表水水質(zhì)改善需求,即使出水能穩(wěn)定達到一級A排放標準,但相對于受納水體來說,仍是重要的污染源.此外,尾水中還含有一些難以被生物吸收降解的有毒有害物質(zhì),直接排放不僅可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,而且造成生態(tài)毒性,危害人體健康[2].因此,對城鎮(zhèn)污水處理廠出水進行深度處理顯得尤為必要[3].隨著國家對污染物排放總量控制日趨嚴格,為了保證出水能夠達到受納水體的水質(zhì)標準且滿足回用水水質(zhì)的要求,污水廠二級出水即尾水深度處理技術(shù),已經(jīng)提上了日程,并逐漸成為污水處理技術(shù)體系中的重要組成部分[4].

城市污水尾水中含有大量難降解有機物,當(dāng)排入天然水體中時,這些有機污染物會被生物氧化進而大量消耗水中的溶解氧(DO),導(dǎo)致DO濃度下降,使水中大量魚蝦貝類死亡[5].同時,這些有機物含有大量有毒有害成分,如農(nóng)藥、環(huán)境激素以及個人護理用品(PPCPs)等.因此,有機物削減是城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理的重要考核指標之一[6].

人工濕地作為典型的生態(tài)處理技術(shù),具有效率高、投資少、能耗低和維護簡單的特點,可以適應(yīng)低濃度污染物去除的要求,將人工濕地處理系統(tǒng)作為常規(guī)生物處理工藝的補充,能夠最大限度地削減受納水體的污染物負荷[7].目前,利用人工濕地對尾水深度處理的相關(guān)研究已有一些報道,但主要還是基于脫氮除磷效果評價[8],而關(guān)于人工濕地對尾水中有機物的去除過程表征研究還鮮有報道.越來越多的研究表明,有機污染物綜合指標如化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD),已不足以表征所采用的處理工藝對尾水中有機物的去除過程及凈化效率[9].

本文通過構(gòu)建兩種不同基質(zhì)水平潛流人工濕地小試裝置,采用凝膠過濾色譜(GFC)、紫外-可見光光譜(UV-VIS)以及三維熒光光譜(EEM)等技術(shù),較系統(tǒng)地研究了城鎮(zhèn)污水處理廠尾水中有機物在兩種不同基質(zhì)水平潛流人工濕地中的降解特性,以評價和探討潛流人工濕地系統(tǒng)對尾水中有機物的去除效果和機理,也為今后完善和構(gòu)建城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理工藝提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 潛流人工濕地處理系統(tǒng)構(gòu)建

綜合各類人工濕地系統(tǒng)的優(yōu)缺點及實際應(yīng)用情況,選擇水平潛流濕地系統(tǒng)作為試驗平臺.水平潛流濕地的水力負荷高,對BOD,COD,總懸浮物(SS),重金屬等污染物的去除效果較好,雖然其脫氮除磷效果不及垂直潛流人工濕地,但是其相對造價較低,應(yīng)用更為廣泛[10].裝置材料采用厚度為10mm的PVC硬質(zhì)塑料板,尺寸均為1.55m×0.4m×0.8m(長×寬×深).填料填充高度為0.7m,有效水深為0.6m,濕地有效容積為0.42m3.植物栽種密度為16株·m-2.進水采用穿孔管布水,經(jīng)過粒徑為30~50mm礫石布水區(qū)進入濕地填料床.出水經(jīng)粒徑30~50mm礫石收水區(qū)進入底部穿孔管,流出濕地系統(tǒng),試驗裝置如圖1所示.試驗裝置共兩套,分別為陶?;|(zhì)和沸石基質(zhì)濕地系統(tǒng),植物皆為黃菖蒲.小試裝置構(gòu)建于2009年11月,啟動初期采用上海市崇明縣城橋鎮(zhèn)污水處理廠生活污水接種,啟動期間間歇運行,日均換水45L.2010年3月初開始按不同工況連續(xù)運行.

圖1 水平潛流人工濕地裝置及取樣點分布(1~9為取樣點)Fig.1 Horizontal subsurface flow constructed wetland systems and sampling spot locations

1.2 研究方法

試驗用水取自上海市崇明縣城橋鎮(zhèn)污水處理廠的二沉池出水,試驗期間(2010年4月—2010年12月)進水主要污染物質(zhì)量濃度分別為:COD 46.4~82.7mg·L-1,總氮(TN)4.51~11.30mg·L-1,總磷(TP)0.502~0.711mg·L-1,氨氮(NH3-N)0.716~3.000mg·L-1,其平均C/N比為8.36.由此可以看出,該污水廠尾水各項指標除了COD有超標外,其他各項指標均達到城鎮(zhèn)污水廠污水排放一級A標準.

濕地系統(tǒng)運行2個月穩(wěn)定期后,沿程和不同深度各取樣點開始采集水樣,每月取樣1次,并立即帶回試驗室分析.所有水樣經(jīng)過0.45μm微孔濾膜過濾后進行水質(zhì)指標分析:COD采用重鉻酸鉀法測定,TN采用堿性過硫酸鉀消解、紫外-可見光光譜儀測定,NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定,TP采用過硫酸鉀消解法、鉬銻抗分光光度法測定.溶解性有機碳(DOC)質(zhì)量分數(shù)采用總有機碳分析儀(TOCVCPN Analyzer,日本島津)測定,具體方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[11].

進出水及沿程水中有機物分子質(zhì)量分布采用GFC測定:樣品需要經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后再進行測定,進樣量為50μL.儀器型號為LC-10ADVP(日本Shimadzu公司).測定條件如下:色譜柱型號為TSK4000,流動相采用超純水,進樣形式為流體動力注入,視差檢測器型號為RID-10A,控制器型號為SCL-10AVP,柱溫箱型號為CTO-10ASVP.

各取樣點水樣的吸光度采用紫外-可見光光譜儀進行測定(SHIMADZU,UV2450UV-VIS),波長掃描范圍為700~200nm,以1nm為步長中速掃描.使用超純水作基線,空白為去離子水.三維熒光光譜(EEM)用熒光分光光度計測定,參數(shù)設(shè)置為光電倍增管(PMT)電壓700V,帶通Ex=5nm,Em=10nm,響應(yīng)時間0.5s,掃描速度12 000nm· min-1,掃描光譜波長范圍為Ex=220~400nm,Em=250~550nm,以超純水作為空白.本文中出現(xiàn)的相對熒光強度(記為I)是指熒光光度計儀器檢測出的熒光峰峰值.熒光強度用硫酸奎寧單位(QSU)來進行標準化,以消除不同儀器之間的差別,便于對不同文獻的數(shù)據(jù)進行比較.1QSU等于溶解于0.1M硫酸溶液中的1μg·L-1硫酸奎寧溶液在350/450 nm(激發(fā)/發(fā)射)波長下的熒光強度.在測定前,水樣用0.45μm膜過濾(Whatman GF/F)進行預(yù)處理.水樣用去離子水稀釋10倍.

2 結(jié)果與討論

2.1 水平潛流人工濕地對尾水污染物總體去除效果

圖2 濕地污染物進出水濃度與平均去除率Fig.2 Pollutant concentrations in influent and effluent of constructed wetland and average removal rates

兩種不同類型基質(zhì)潛流人工濕地系統(tǒng)進出水主要污染物濃度以及平均去除率如圖2.圖2表明,除去穩(wěn)定階段的3月份外,所構(gòu)建的水平潛流人工濕地對污水廠尾水均具有較好的深度凈化能力.兩種潛流濕地對TP的去除率平均為75.6%,且隨季節(jié)變化不大;對TN去除率在46.1%~94.5%之間,去除率隨著溫度的升高而提高,季節(jié)性變化較強;出水NH3-N能夠穩(wěn)定達到地表水Ⅱ類標準,TN基本能夠穩(wěn)定達到地表水Ⅳ類標準;出水中COD質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定,分別為24.28±9.32mg·L-1,26.12± 10.12mg·L-1,平均去除率為63.0%,60.2%.出水除了小試裝置調(diào)試運行的3月份以及冬季的12月份,出水均可穩(wěn)定達到地表水Ⅳ類標準.通過對兩種基質(zhì)濕地比較后發(fā)現(xiàn),陶?;|(zhì)濕地(CW-1)的去除效果略優(yōu)于沸石基質(zhì)濕地(CW-2).若以COD等為去除目標,推薦采用陶粒填料系統(tǒng);若以TN為去除目標,推薦采用沸石填料系統(tǒng).

2.2 水平潛流人工濕地中有機物分子質(zhì)量分布特征

近年來發(fā)展起來的GFC是一種簡單方便的分子量分布測定方法.它和濾膜過濾法相比,具有快速、靈敏和準確的特點[12].表1為2010年8月25日測定的兩種水平潛流人工濕地處理系統(tǒng)中各樣點溶解性有機物(DOM)重均分子質(zhì)量(Mw).由表1可知,進水的Mw為343.2kDa,CW-1濕地出水的Mw為275.9kDa,CW-2濕地出水的Mw為264.9kDa.在經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)處理前后,污水中有機物的分子質(zhì)量發(fā)生了較大的變化,Mw分別降低了19.6%和22.8%,說明兩個濕地處理系統(tǒng)對有機污染物都有較好的降解作用,污染物都在向低碳小分子轉(zhuǎn)化.

表1 水平潛流人工濕地各采樣點水樣中有機物的重均分子質(zhì)量Tab.1 Molecular weight values in influent and effluent of constructed wetland kDa

由表1還可看出,兩種基質(zhì)類型人工濕地系統(tǒng)對于有機物的去除還是有些不同的,對于CW-2濕地,有機物基本上是在前1/4段就完成了大分子向低碳小分子的轉(zhuǎn)化,Mw從進水的343.2kDa下降為283.9kDa,在1/2段后變化不大;而CW-1濕地是在前1/2段才基本完成.在CW-1濕地的前1/4段,有機物的重均分子質(zhì)量隨著深度的增加而減小,對于水平潛流人工濕地,濕地床的深度越深其DO越低,在厭氧狀態(tài)下大分子有機物能較快地被水解酸化,然后分解轉(zhuǎn)化為小分子有機物.

圖3 水平潛流濕地各點水樣中有機物各分子質(zhì)量區(qū)間百分比Fig.3 Molecular weight distributions and percentage in influent and effluent of constructed wetland

人工濕地進出水樣品中的分子質(zhì)量分布如圖3所示.由圖3可以看出,進水中有機污染物的分子質(zhì)量主要集中在50~1 000kDa范圍內(nèi),占有機物總量的85.4%,10~50kDa的有機物幾乎沒有,只占到有機物總量的0.05%;人工濕地處理前后水樣中有機物各分子質(zhì)量區(qū)間都發(fā)生了不同程度的變化,兩種濕地出水分子質(zhì)量>1 000kDa的有機物質(zhì)量分數(shù)從5.28%分別下降為3.6%和3.8%,500~1 000 kDa的有機物質(zhì)量分數(shù)從17.9%分別下降為11.2%和11.9%,100~500kDa的有機物質(zhì)量分數(shù)從44.9%分別下降為40.9%和33.9%,50~100kDa的有機物質(zhì)量分數(shù)從27.49%分別變?yōu)?4.2%和26.59%,10~50kDa的有機物質(zhì)量分數(shù)則分別增加到13.6%和12.5%,<10kDa的有機物質(zhì)量分數(shù)從4.3%分別變?yōu)?.3%和1.1%.表明大分子有機污染物質(zhì)量分數(shù)在人工濕地處理前后都有不同程度的降低,而低于50kDa的有機污染物質(zhì)量分數(shù)有明顯增加.人工濕地污水中有機物分子質(zhì)量的變化基本上在濕地沿程前1/2段就已經(jīng)達到穩(wěn)定.在人工濕地處理尾水的過程中,大分子的有機污染物在不斷地向低分子有機物轉(zhuǎn)化,濕地下層厭氧環(huán)境有利于大分子有機物分解轉(zhuǎn)化的進行[13].

2.3 水平潛流人工濕地對溶解性有機物去除特性的光譜研究

兩種基質(zhì)水平潛流人工濕地各取樣點溶解性有機碳(DOC)質(zhì)量濃度特征吸光系數(shù)和比值見表2(2010年8月25日測定結(jié)果).從a355來看,基本上人工濕地中各點的吸光度值都呈現(xiàn)出沿程降低的趨勢,但是在人工濕地的前1/2段,兩個人工濕地a355值的變化趨勢卻略有不同,CW-1濕地隨著濕地的長度逐漸下降,吸光度值降低了43.3%,而CW-2濕地的a355值卻呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,從濕地進水口到濕地1/2處吸光度值下降了10.0%.在濕地的后1/2段,兩種基質(zhì)濕地的a355值基本沒有發(fā)生變化.尾水經(jīng)過人工濕地處理后,CW-1濕地出水的a355值明顯低于CW-2濕地,分別為0.015和0.025.

表2 兩種不同基質(zhì)水平潛流濕地各取樣點DOC質(zhì)量濃度、特征吸光系數(shù)及比值Tab.2 Molecular weight values in influent and effluent of constructed wetland 104 Da

a300/a400的比值越大,腐殖質(zhì)的腐殖化程度、芳香性越低,總的來看各樣點a300/a400比值均遠大于3.5,這表示各點水樣的腐殖化程度均不高,芳構(gòu)化程度較低.兩種基質(zhì)濕地進水中的a300/a400比值均小于濕地出水,這說明經(jīng)過人工濕地的處理,污水中的腐殖化程度和芳香性均有了不同程度的下降.在濕地中a300/a400的比值呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢,腐殖化程度的變化趨勢與之相反,先降低后略微升高.在濕地中腐殖化程度高的物質(zhì)往往很難被植物和微生物利用分解,這個趨勢可能反映了水平潛流人工濕地中有機物的利用狀況,在人工濕地前半段,污水的腐殖化程度沿著其在濕地床中流動距離的增加而降低;在濕地后半段,隨著植物、微生物生長活動所產(chǎn)生的復(fù)雜穩(wěn)定的有機物——腐殖質(zhì)的增多,出水的腐殖化程度也隨之略微升高[14].

a250/a365的比值可表征水中DOM的分子質(zhì)量,研究表明a250/a365與DOM的平均分子質(zhì)量呈反比[15].從表中可以看出a250/a365值基本上是沿程逐漸升高,反映分子質(zhì)量逐漸降低的趨勢,與GFC所得的結(jié)論相一致.這可能是由于人工濕地系統(tǒng)對有機物良好的降解作用使得水中的大分子有機污染物不斷地向低碳小分子轉(zhuǎn)化,雖然植物、微生物的生長活動會產(chǎn)生一些復(fù)雜、穩(wěn)定的大分子有機物,但是其產(chǎn)生量并不會影響水中的有機物向低碳小分子轉(zhuǎn)化的趨勢.與CW-2濕地系統(tǒng)相比,CW-1濕地水平潛流人工濕地系統(tǒng)對有機污染物向低碳小分子轉(zhuǎn)化更為徹底,對有機污染物的去除效果更好.

2.4 三維熒光光譜掃描對溶解性有機物在濕地空間變化的特征

圖4為2010年8月25日測定的水平潛流人工濕地各采樣點水樣中溶解性有機物的EEM圖譜.由圖4可明顯看出,人工濕地進水中可以分辨出有4個熒光峰出現(xiàn),分別是可見類富里酸(M)、紫外類富里酸(A)、色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)(S)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物(T).經(jīng)過人工濕地處理以后,城市污水處理廠尾水DOM 4個熒光峰均出現(xiàn)不同程度下降.相對于CW-2濕地,CW-1濕地對尾水中4個熒光峰削減更為明顯.

對EEM圖譜中4個特征峰的峰值強度變化進一步分析,從表3可以明顯看出,兩種基質(zhì)潛流濕地出水中 M峰的相對熒光強度(I)分別降低了19.2%,13.6%;S峰降低了3.5%,2.2%;T峰降低了10.7%,12.6%,A峰幾乎沒有發(fā)生變化.M峰和T峰的I值在沿程上逐漸減小,M峰和T峰基本上全都是在人工濕地的前1/2段被削減,S峰呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.S峰和T峰屬于類蛋白物質(zhì),其中S峰為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì),T峰為溶解性微生物代謝產(chǎn)物;M峰和A峰屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì).

圖4 水平潛流濕地進出水溶解性有機物的EEM圖譜Fig.4 EEM spectrum of DOM in influent and effluent of the subsurface constructed wetland

表3 水平潛流濕地各采樣點EEM特征熒光峰比較Tab.3 EEM fluorescence peak in influent and effluent of the constructed wetland

有研究表明類蛋白峰能很好地表征水環(huán)境的污染狀況[16],一般生活污水或微生物活動強烈的水體都可以表現(xiàn)出極強的類蛋白熒光,因此可以把S,T峰的削減視為有機污染物在濕地系統(tǒng)中的分解去除作用.本文研究發(fā)現(xiàn),雖然T峰是溶解性微生物代謝產(chǎn)物,但是其還是能夠被濕地中的植物、微生物所分解利用,S峰的熒光強度并沒有明顯的減小,這可能是因為色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)不能夠被濕地中的植物與微生物所降解利用[17].M峰為可見類富里酸,A峰為紫外類富里酸,都屬于類腐殖質(zhì)物質(zhì),M峰強度的降低說明了本人工濕地系統(tǒng)只對類腐殖質(zhì)中的可見類富里酸具有削減作用.一般來說,類腐殖質(zhì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、難于分解,較難被生物利用[18],而人工濕地系統(tǒng)對其卻有較好的去除作用.

3 結(jié)論

(1)人工濕地進水重均分子質(zhì)量(Mw)為343.2 kDa,經(jīng)過CW-1和CW-2濕地系統(tǒng)處理后,污水中有機物的Mw分別降低了19.6%,22.8%,為275.9 kDa,264.9kDa.在潛流人工濕地沿程前1/4段,有機物的重均分子質(zhì)量隨著深度的增加而減小.CW-2濕地是前1/4段就基本上完成了對尾水中有機物大分子向低碳小分子的轉(zhuǎn)化,Mw從進水的343.2kDa下降為283.9kDa,在1/2段后變化不大;CW-1濕地是在前1/2段才基本完成.

(2)人工濕地中各取樣點的a355值都呈現(xiàn)出沿程降低的趨勢.a355與a254和DOC的變化趨勢一致.兩種基質(zhì)人工濕地中所取的樣品在254nm和355nm處的吸光度值與DOC具有一定的線性關(guān)系,說明污水廠尾水中DOM在總有機質(zhì)中占有很大比重.濕地各點a250/a365值基本上是沿程逐漸升高,分子質(zhì)量逐漸降低的趨勢.與CW-1濕地系統(tǒng)相比,CW-2水平潛流人工濕地系統(tǒng)對有機污染物向低碳小分子轉(zhuǎn)化更為徹底,對有機污染物的去除效果更好.

(3)濕地進水中表征出四類溶解性有機物,色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)(S)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物(T)、可見類富里酸(M)、紫外類富里酸(A).經(jīng)過人工濕地凈化處理后,出水中M峰、S峰、T峰的相對熒光強度都有不同程度的降低,A峰幾乎沒有發(fā)生變化;人工濕地進出水腐殖化程度都較低,濕地中的有機物有可能來自于微生物的生命活動和死亡分解.與CW-2濕地相比較,CW-1濕地水平潛流人工濕地系統(tǒng)對出水M峰、S峰、T峰削減更為明顯.

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基于連通性恢復(fù)的潛流帶生態(tài)修復(fù)研究進展
垃圾滲濾液溶解性有機物的分子指紋特征
新疆沙灣縣金溝河滲管設(shè)計
城市污水處理廠占地研究
智能城市(2018年8期)2018-07-06 01:11:10
污水處理廠沉淀池剖析——以烏魯木齊某污水處理廠為例
溶解性有機質(zhì)對水中重金屬生物有效性的影響研究
填料級配對水平潛流濕地深度處理二級出水的試驗研究
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