氧化塘-浮石床湿地系统处理城市污染河水.pdf

氧化塘 － 浮石床湿地系统处理城市污染河水 * 莫文锐 1， 2 黄建洪 1， 2 田森林 1 易皓 2 1. 昆明理工大学环境科学与工程学院， 昆明 650500;2. 环境保护部华南环境科学研究所， 广州 510655 摘要 以氧化塘 － 浮石床湿地复合系统为研究对象， 探讨了该系统在旱期与雨期工况下分别处理城市旱期低污染河水 与雨期重污染河水的运行状况， 结果表明 该复合系统可有效处理旱期低污染河水和雨期重污染河水。系统在旱期工 况 塘与湿地的水力负荷分别为 0. 22， 0. 37 m/d 与雨期工况下分别处理低污染河水和重污染河水的出水中 SS、 COD、 TP、 TN 与 NH 4 -N 均达 GB 189182002 城镇污水处理厂污染物排放标准 的一级 A 标准。 关键词 氧化塘; 浮石; 人工湿地; 污染河水 TREATMENT OF URBAN POLLUTED RIVER WATER BY THE COMBINED SYSTEM OF OXIDATION POND AND CONSTRUCTED WETLAND USING PUMICE AS SUBSTRATE Mo Wenrui 1， 2 Huang Jianhong1， 2Tian Senlin1Yi Hao2 1． Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China; 2. South China Institute of Environmental Sciences，MEP，Guangzhou 510655，China AbstractThe combined system of oxidation pond and subsurface constructed wetland using pumice as substrate was studied in Kunming． This system with two different operating behaviors was used to treat urban slightly polluted river water in dry spell and urban heavily polluted river water in rain spell respectively，and the operation of it was discussed． The results show that the system can treat polluted river water efficiently． The concentrations of SS，COD，TP，TN and NH 4 -N in treated water by the system with two different operating behaviors met the standard A of grade I in“Discharge Standard of Pollutants for Municipal Waste Water Treatment Plant” GB 189182002 ． Keywordsoxidation pond;pumice;constructed wetland;polluted river water *国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07102- 003- 4 。 0引言 削减入湖河流污染负荷是控制湖泊富营养化的 有效途径。将河道周边洼塘与闲置地改造成氧化塘 与人工湿地并引进污染河水进行处理， 出水再返回河 道的旁路处理法， 是一种经济可靠的污染河水处理 方法 ［1］。 新运粮河作为滇池入湖河流， 其旱期因昆明实施 了沿河截污而为低污染河水， 但雨期因受城市降雨径 流溢流污染而常出现重度污染。为进一步净化旱期 低污染河水和削减雨期入湖重污染负荷， 开展了氧化 塘 － 浮石床水平潜流人工湿地复合系统处理城市污 染河水的研究。本复合系统流程简化， 可于旱期工况 与雨期工况之间切换以更具针对性地处理旱期低污 染河水与雨期重污染河水， 以期为我国控制城市面源 污染提供具有参考价值的技术方法。 1材料与方法 1. 1试验装置 氧化塘 － 人工湿地工艺流程如图 1 所示。 1 － 高位水池; 2 － 潜水泵; 3 － 弹性立体填料; 4 － 微孔曝气管; 5 － 空气 压缩机; 6 － 气体流量计; 7 － 固定化回流泵; 8 － 氧化塘; 9 － 导流墙; 10 － 水平潜流人工湿地; 11 － 储水池 图 1氧化塘 － 人工湿地工艺流程 氧化塘和人工湿地有效容积分别为 3， 1 m3。湿 地所用填 料 为云 南 天然 浮 石， 湿 地 填 料 空 隙 率 为 0. 7。塘内种植风车草、 芦苇、 黄花美人蕉和菖蒲， 湿 地种植风车草和黄花美人蕉， 皆为当地生长的湿地景 31 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 观植物。氧化塘与湿地植物种植密度分别约为 2. 5， 2. 0 簇 /m3。塘内水面生长有浮萍并须定期打捞以确 保浮萍覆盖塘内约 80 的水面。塘沿水流方向设置 等大的前中后三部分， 前端是曝气区， 中端是稳定区， 后端是景观区。曝气区内布设曝气管并挂弹性立体 填料 串直径为 120 mm， 单丝直径为0． 35 mm， 装填 量为 80 串 /m3 以供菌藻共生体附着生长， 填料上的 菌藻共生体既能拦截进水中部分悬浮物， 也能降解、 同化部分污染物; 稳定区可供曝气区出水中悬浮物等 沉降并观察塘底淤泥堆积情况， 还有利于清淤; 景观 区内种植挺水景观植物， 既能辅助净化污水， 又可产 生良好景观效应。 旱期运行工况 46 月， 平均气温为 22 ℃ 该 工况为连续进水连续出水的运行工况， 即新运粮河河 道污水由水泵提升至高位水池， 通过溢流控制水位， 高位水池出水进入氧化塘前端; 氧化塘出水流入水平 潜流人工湿地， 湿地出水经储水池排入下游河道。设 定系统流量分别为 35， 45， 55 L/h， 此时氧化塘的水力 停留时间 HRT 分别为 3. 5， 2. 7， 2. 2 d， 水力负荷 HLR 分别为 0. 17， 0. 22， 0. 27 m/d， 湿地的 HRT 分别 为 1. 2， 1. 0， 0. 8 d， HLR 分别为 0. 29， 0. 37， 0. 45 m/d。 雨期运行工况 68 月， 平均气温为 25 ℃ 该 工况为“塘调蓄 － 循环处理” ， 即降雨开始后用氧化 塘调蓄 2. 5 m3初期重污染河水即直接引水入塘， 在 150 L/h 的曝气量下将调蓄的重污染河水在氧化塘 内循环处理 24 h 通过安装在塘内的 1. 5 m3/h 额定 流量的固定化回流泵实现 后再开始进行系统回流 处理 2 d 回流处理时将曝气量下调为 37. 5 L/h 进行 微曝气， 此时气水比约为 0. 8∶ 1 ， 考察回流处理 1 d 后与 2 d 后出水水质的变化。回流到储水池的尾水 以 45 L/h 的 流 量 入 塘， 此 时 氧 化 塘 的 HRT 约 为 2. 7 d， 湿地的 HRT 约为 1. 0 d。 系统以旱期工况启动， 将河道污水带入的微生物 进行自然驯化。由于气候温和、 光照充足， 经 1 个多 月的运行稳定期后， 植物长势良好并有新的分蘖出 现， 塘中的弹性填料及湿地接近表层的填料有棕绿色 的菌藻共生体着生， 此时开始水处理实验。 1. 2原水水质及分析方法 处理对象为新运粮河下游接近河口的河段河水。 试验期 间， 旱 期 河 水 水 质 为 ρ SS 54. 0 9. 3mg/L， ρ COD 60. 0 5. 6mg/L， ρ TP 1. 14 0. 12 mg/L，ρ NH 4 -N 10. 0 0. 4mg/L， ρ NO － 3 -N 0. 49 0. 03 mg/L， ρ TN 13. 8 0. 7 mg/L; 雨 期 河 水 水 质 为 ρ SS 88. 9 7. 2 mg/L， ρ COD 113 17mg/L， ρ TP 1. 58 0. 24mg/L， ρ NH 4 -N 12. 0 1. 4 mg/L， ρ NO － 3 -N 0. 67 0. 25 mg/L， ρ TN 16. 2 1. 8mg/L。可见， 旱期河水 污染较轻， 属低污染河水 ρ COD＜ 80 mg/L ， 雨期 河 水 水 质 要 差 得 多，属 重 污 染 河 水 ρ COD ＞ 80 mg/L 。 监测指标有 SS、 COD、 TN、 NH 4 -N、 NO － 3 -N、 TP， 均 采用常规标准方法分析 ［2］。 2结果与讨论 2. 1处理旱期低污染河水 河道污水中悬浮物 SS 的去除主要依靠氧化塘 沉淀和湿地过滤作用。随着 SS 的去除， 附着其上的 污染物尤其是颗粒吸附态有机物和磷也得到了去除。 有机物的去除主要是塘沉淀、 湿地过滤及微生物的降 解联合作用的结果， TP 主要是在植物吸收、 微生物同 化、 塘内沉降及填料吸附作用下得到净化， TN 主要经 过微生物降解与转化作用即硝化与反硝化作用得到 去除 ［3- 12］。 旱期系统处理低污染河水效果见图 2。 由图 2 可知 在 35， 45， 55 L/h 三种流量下氧化 塘 － 湿地工艺 COD 平均去除率为 78 、 75 、 66 ， 对 TP 平均去除率为 95 、 93 、 88 ， 对氨氮平均去 除率为 88 、 87 、 85 ， 对 TN 平均去除率为 66 、 64 、 61 ， 去除效果较好， 出水清澈透明。三种流量 下经氧化塘处理后， 硝态氮则平均增加两倍多， 体现 了较好的硝化作用， 而湿地则均有近 60 的去除率， 体现了反硝化作用。然而整个处理工艺对硝态氮去 除效果最差， 3 种流量下出水硝态氮平均分别比进水 增加了 51 、 43 、 26 ， 说明整个系统有较强硝化 作用， 而反硝化作用偏弱。 此外， 氧化塘 － 湿地工艺对 SS 具有显著去除效 果， 在 55 L/h 流量下平均去除率为 88 。氧化塘对 SS 平均 去 除 率 为 57 ， 湿 地 对 SS 平 均 去 除 率 为 73 。 三种流量下湿地出水的 SS、 COD、 TP、 氨氮、 TN 均达 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放 标准 的一级 A 标准。三种流量下湿地出水的 COD、 氨氮均符合 GB 38382002地表水环境质量标准 中的Ⅲ类标准。湿地出水 TP 分别在 35， 45 L/h 两种 41 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 图 2旱期系统在 3 种流量下对低污染河水的净化效果 流量下均能达Ⅱ类标准， 而当流量增大到 55 L/h 时 出水中 TP 只能达Ⅲ类标准。因此， 综合考虑确定较 优的系统污水处理量为 45 L/h， 即氧化塘与湿地的 水力停留时间分别为 2. 7， 1. 0 d， 水力负荷分别为 0. 22， 0. 37 m/d 时系统具有较高的处理效率。 2. 2处理雨期重污染河水 雨期系统处理重污染河水效果见图 3。 由图 3 可知 经 1 d 的氧化塘内循环处理去除大 部分除硝态氮外的其他污染物， 经 1 d 系统循环处理 后， 出水的各污染物含量已达 GB 189182002 的一 级 A 排放标准， 而经 2 d 的系统循环处理后， 出水各 污染物得到深度去除， 其中氨氮含量符合 GB 3838 2002 中的Ⅳ类地表水标准， COD 与 TP 含量可达Ⅱ类 标准， 出水澄清。整个工艺对 SS 与 TP 去除率分别在 98 和 92 以上， 去除效果显著且稳定; 对 COD 与 NH 4 -N 去除率均在 86 以上， 有机物与氨氮得到很 图 3雨期系统对重污染河水的净化效果 好的去除; 对 TN 去除率在 54 以上， 从而使 TN 得到 较好的去除。 经 1 d 的塘内循环处理， 出水硝态氮平均增加了 约 3. 7 倍， 经 1 d 的系统大循环处理后， 出水硝态氮 减少了 18 ， 说明反硝化作用有所增强， 而经 2 d 的 系统大循环处理后， 出水硝态氮又得到微弱的去除， 去除率仅为 4 。然而整个处理工艺的出水硝态氮 平均增加了近 2. 7 倍， 说明整个系统在雨期工况下还 是硝化作用较强， 而反硝化作用偏弱。 2. 3旱期与雨期处理效果比较 系统在运行过程中连续处理了旱期低污染河水 和雨期重污染河水， 这两类河水水质差异较大， 而且 其污染物在系统中的去除过程和去除效率也存在一 定差异。如表 1， 系统对重污染河水中除硝态氮和总 氮外的各污染物去除率均高于对原河道低污染河水 中污染物去除率。虽然两种污水的 SS 值相差很大， 但两者在系统出水时却相差较小， 表明在应对两种污 51 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期 染河水的运行工况下系统对河水中悬浮物均具有良 好的沉降和截留性能。系统在雨期工况下对重污染 河水有较优处理效率归因于河水中颗粒的沉降， 重污 染河水中含大量悬浮物， 许多吸附在悬浮物表面的污 染物随着悬浮物的沉降在氧化塘底累积 ［13］， 进而通 过微生物的降解与转化、 浮游生物与湿地植物的同化 作用得以去除。雨期工况下系统能去除重污染河水 中约 98 的氨氮， 而经系统处理后硝态氮却增加了 两倍多， 体现了雨期工况下系统具有良好的氧化环境 而对依赖缺氧环境的反硝化菌有较大抑制作用， 从而 最终影响了系统对总氮的去除效率。系统在旱期工 况下的硝态氮增加幅度较雨期工况下的小， 总氮去除 率较雨期工况下的高， 说明旱期工况下系统具有更明 显的缺氧环境以利于反硝化作用的进行。处理低污 染与重污染河水的系统出水均达 GB 189182002 的 一级 A 排放标准， 可用作一般回用水。 表 1旱期与雨期系统对河水处理效果比较 项目 旱期系统雨期系统 进水 / mgL － 1 出水 / mgL － 1 去除率 / 进水 / mgL － 1 出水 / mgL － 1 去除率 / ρ SS 54. 0 9. 36. 22 0. 3588. 2 1. 688. 9 7. 21. 46 0. 3998. 4 0. 3 ρ COD60. 0 5. 6 16. 2 2. 473. 2 4. 2113 1713. 5 2. 688. 1 0. 8 ρ TP 1. 14 0. 120. 09 0. 0392. 0 2. 81. 58 0. 240. 07 0. 0295. 4 1. 2 ρ NH 4 -N10. 0 0. 41. 26 0. 0987. 1 1. 112. 0 1. 41. 27 0. 0989. 3 1. 3 ρ NO － 3 -N0. 49 0. 030. 67 0. 07－ 40. 0 9. 00. 67 0. 252. 28 0. 49－ 266 86 ρ TN13. 8 0. 7 4. 94 0. 3063. 7 2. 116. 2 1. 86. 62 1. 0058. 7 4. 8 注 55 L/h 流量下获得旱期 SS 数据， 旱期其他污染物数据则是三种流量下获得值的均值。 3结论 通过对污染河水进行处理， 表明氧化塘 － 浮石床 水平潜流人工湿地复合系统在旱期工况下能有效处 理低污染河水， 亦可于雨期工况下较好地处理雨期由 城市降雨径流污染导致的城市重污染河水。系统对 污染河水具有良好的沉降性能以及硝化与反硝化作 用。塘与湿地水力停留时间分别为 2. 7， 1. 0 d， 水力 负荷分别为 0. 22， 0. 37 m/d 时系统具有较高的处理 效率， 系统在连续进水连续出水的运行工况下处理旱 期低污染河水的效果为 对各污染物的平均去除率分 别为 COD75 、 TP 93 、 TN 64 、 NH 4 -N 87 ， SS 则 在 88 以上。系统在“氧化塘调蓄 － 循环处理” 的运 行工况下处理雨期重污染河水的效果为 对各污染物 的平均去除率分别为 SS 98 、 COD88 、 TP 95 、 TN 59 、 NH 4 -N 89 。处理低污染与重污染河水的系 统出水均达 GB 189182002 的一级 A 标准。 参考文献 ［1］温东辉， 李璐． 以有机污染为主的河流治理技术的发展及现状 ［J］． 生态环境，2007，16 5 1539- 1545． ［2］国家环境保护总局 水和废水监测分析方法 编委会． 水和废 水监测分析方法［M］． 4 版． 北京中国环境科学出版社， 2002． ［3］赵安娜，冯慕华，郭萧，等． 沉水植物氧化塘对污水厂尾水深 度净化效果与机制的小试研究［J］． 湖泊科学，2010，22 4 538- 544． ［4］丁疆华，舒强． 人工湿地在处理污水中的应用［J］． 农业环境 保护，2000，19 5 320- 321． ［5］陈鹏， 周琪． 高效藻类氧化塘处理有机废水的研究和应用［J］． 上海环境科学，2001，20 7 309- 311． ［6］Shilton A．Pondtreatmenttechnology ［M］．London IWA publishing，2005． ［7］张奎， 曹文平，朱伟萍． 人工湿地污水处理技术的研究［J］ ，工 业水处理，2007，27 8 16- 21． ［8］Angelstein S，Schubert H． Elodea nuttalliiuptake，translocation and release of phosphorus［J］． Aquatic Biology，2008 3 209- 216． ［9］杜中典， 崔理华，肖乡，等． 污水人工湿地系统中有机物积累 规律与堵塞机制的研究进展［J］． 农业环境保护，2002，21 5 474- 476． ［ 10］CamargoValero M A，Mara D D． Nitrogen removal via ammonia volatilization inmaturationponds ［J］．WaterScienceand Technology，2007，55 11 87- 92． ［ 11］James F R． Nitrate removal from a drinking water supply with large free-surface constructed wetlands prior to groundwater recharge ［J］． Ecological Engineering，1999，1433- 47． ［ 12］赵安娜，柯凡，郭萧，等． 复合型人工湿地模型对污水厂尾水 的深度净化效果［J］． 生态与农村环境学报，2010，26 6 579- 585． ［ 13］尹炜，李培军，叶闽，等． 塘 － 人工湿地生态系统处理城市地 表径流的初期运行［J］． 环境工程，2006，24 3 93- 95． 作者通信处田森林650500云南省昆明市昆明理工大学呈贡校 区环境科学与工程学院 电话 0871 5920525 E- mailtiansenlin yahoo． com． cn 2011 － 08 － 15 收稿 61 环境工程 2012 年 4 月第 30 卷第 2 期