中水濕地去氮效果研究

孫秀敏,王 琳,甘 泓,邵福建

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.山東省平陰縣污水處理廠,山東平陰 250400)

中水濕地去氮效果研究

孫秀敏1,王 琳1,甘 泓1,邵福建2

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.山東省平陰縣污水處理廠,山東平陰 250400)

以山東省平陰中水濕地為研究對象,通過對濕地水體、底泥的氨態(tài)氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO-3-N)沿程變化的分析,研究濕地對中水中氮(N)的去除效果。結(jié)果表明:濕地對水體中NH3-N的去除效果較好,而作為水體中N主要存在形式的NO-3-N沿水流方向卻呈增加趨勢,微生物硝化作用強(qiáng)烈。底泥中總氮(TN)沿水流方向也呈增加趨勢,累計(jì)效應(yīng)比較明顯。研究結(jié)果為濕地設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論支持。

人工濕地;中水;水樣;底泥;去氮效果

南水北調(diào)東線工程輸水渠道的90%是利用現(xiàn)有的河道湖泊,為滿足受水區(qū)用水要求,輸水干線及其支流的水體水質(zhì)必須達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。而這些作為輸水渠道的河道湖泊,水環(huán)境現(xiàn)狀較差,特別是里運(yùn)河及南四湖至東平湖區(qū)間和小清河的水質(zhì)現(xiàn)狀極差,幾乎全部為劣Ⅴ類,這必然影響到輸水水質(zhì)安全,影響工程效益的發(fā)揮,因此治污是東線工程成敗的關(guān)鍵。在改善干線本身水環(huán)境的同時(shí),也要防止沿線城市的生活、工業(yè)污水進(jìn)入調(diào)水干線,影響調(diào)水水質(zhì)。這就需要建設(shè)截污導(dǎo)流工程對污水進(jìn)行截、蓄、導(dǎo)、用,以期實(shí)現(xiàn)污水就地資源化利用,用作城市環(huán)境、綠化和城市居民沖洗用水等。相對于投資較大的截污導(dǎo)流工程而言,人工濕地作為一種高效、低耗的污水處理新工藝已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。它利用基質(zhì)-微生物-植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用,通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對廢水的高效凈化[4],尤其是對N、P的去除效果明顯。N、P作為造成水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質(zhì),如果在水中大量積累,會(huì)使藻類大量繁殖,導(dǎo)致水質(zhì)惡化。因此降低N、P濃度一直是污水處理、水環(huán)境治理的重點(diǎn)。筆者選擇距濟(jì)平干渠較近的平陰中水濕地為研究對象,通過分析濕地對中水中N的去除效果,研究人工濕地在東線治污中的實(shí)際功效,并為人工濕地的進(jìn)一步改善和運(yùn)行管理提供理論依據(jù),以期為人工濕地在整個(gè)東線工程沿線的推廣起到示范作用。

一般說來,濕地系統(tǒng)的脫N過程主要包括:有機(jī)基質(zhì)對N的吸附;陽離子交換作用和固N(yùn)作用;作物的吸收及因其收獲而去除;NH3的揮發(fā)而逸入大氣;被微生物代謝而形成生物質(zhì)的一部分;化學(xué)的、生物的硝化反硝化;隨凈化水流出;滲入地下水[5]。有研究表明,微生物的硝化反硝化作用和植物吸收是人工濕地脫N的主要途徑[6]。一般情況下,污水中有機(jī)氮被微生物分解成NH3-N,NH3-N作為營養(yǎng)成分被植物分解吸收合成蛋白質(zhì)等,通過收割植物,有機(jī)氮和NH3-N從污水和濕地中去除[7]。NO-3-N則通過反硝化菌的反硝化作用被還原為N2或N2O,從系統(tǒng)中逸出。另外,NH3-N也可經(jīng)硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO-3-N,但這個(gè)過程只改變了N的存在形式,反硝化作用才能實(shí)現(xiàn)N從系統(tǒng)的去除。

1 平陰中水濕地概況

實(shí)驗(yàn)地平陰縣是山東省濟(jì)南市的郊縣,地處南水北調(diào)東線工程黃河以南段,是山東省環(huán)境保護(hù)工作的關(guān)鍵地區(qū),影響著省城濟(jì)南居民的飲用水質(zhì)量。縣污水處理廠位于南水北調(diào)膠東輸水干線與入黃中水輸送工程的交匯處,設(shè)計(jì)規(guī)模為日處理污水4萬t,于2005年7月開始運(yùn)行,平均日處理污水2萬t,處理率在95%以上,出水執(zhí)行國標(biāo)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。2007年,為進(jìn)一步治理城市水環(huán)境,污水處理廠對其西側(cè)原有的多個(gè)魚塘(共33.3 hm2)進(jìn)行改造,經(jīng)排水清淤后串聯(lián)打通建立了水力聯(lián)系,并引入蘆葦、蒲草等水生植物,建成平均水深1.5m的表面流中水人工濕地(圖1),對污水處理廠的出水進(jìn)行進(jìn)一步凈化處理。通過項(xiàng)目實(shí)施,平陰縣污水處理將確保由原設(shè)計(jì)排放一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提高到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),污染物年削減量按設(shè)計(jì)規(guī)模預(yù)計(jì),重點(diǎn)污染物COD可削減1300t/a,增加削減量150t/a。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

2 樣品采集

平陰中水濕地采取S形繞流和回流設(shè)計(jì),如圖1中箭頭所示,盡可能增加水體流程,延長水體在區(qū)內(nèi)停留時(shí)間,達(dá)到較好的污染物去除效果。2008年3月在濕地中沿水流方向選取25個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。其中1～14點(diǎn)在Ⅰ區(qū)、15～25點(diǎn)在Ⅱ區(qū),處理后的污水先流經(jīng)Ⅰ區(qū)再經(jīng)過Ⅱ區(qū),Ⅱ區(qū)水質(zhì)理論上要比Ⅰ區(qū)好。另外,在距中水濕地1km處未受污染的水域選擇一個(gè)26號(hào)采樣點(diǎn)作為對照。在26個(gè)采樣點(diǎn)各取一個(gè)水樣 ,在 2 ～ 12、14、16、18、20、21、23、24 點(diǎn)采集新鮮底泥樣品,置于保鮮袋中,密封包扎后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

濕地污水中的N主要以NH3-N和NO-3-N(包括NO2--N在內(nèi))兩種形式存在,此次主要測定樣品的NH3-N和NO-3-N濃度。測定方法采用比色法,在連續(xù)流動(dòng)分析儀上進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 水樣結(jié)果分析

3.1.1 NO-3-N

為去除實(shí)驗(yàn)過程中所用的水和KCl溶液對結(jié)果的影響,增加了水、KCl兩個(gè)空白樣,測定結(jié)果表明:兩個(gè)空白樣的NO-3-N質(zhì)量濃度分別為0.36mg/L和0.4mg/L。采樣點(diǎn)的NO-3-N質(zhì)量濃度應(yīng)為實(shí)測質(zhì)量濃度減掉空白樣質(zhì)量濃度值。對照點(diǎn)26點(diǎn)的NO-3-N質(zhì)量濃度為7.96 mg/L。由結(jié)果可見,濕地中的NO-3-N質(zhì)量濃度比正常水域高出很多。圖2給出了NO-3-N質(zhì)量濃度沿水流的變化趨勢,在1點(diǎn)和14點(diǎn)之間,也就是Ⅰ區(qū)內(nèi),NO-3-N質(zhì)量濃度略有波動(dòng),但總體沒有大的變化。而Ⅱ區(qū)內(nèi)NO-3-N質(zhì)量濃度增長很快,從15點(diǎn)的23.76mg/L增加到25點(diǎn)的35.32mg/L,增長率為48.7%。

圖2 水體NO-3-N隨水流變化情況

溫度、pH值、溶解氧(DO)是影響濕地去污效果的三個(gè)主要因素,溫度和pH值隨水流的變化不大,但是DO變化較大,如圖3所示。DO隨水流不斷升高,與NO-3-N變化一致。Ⅱ區(qū)濕地DO質(zhì)量濃度高,好氧微生物進(jìn)行好氧過程,硝化作用強(qiáng)烈,NH3-N在好氧情況下經(jīng)硝化細(xì)菌氧化,轉(zhuǎn)變?yōu)镹O-3-N[8-9]。硝化作用只改變了N的存在形式,對N的去除是不完全的。建議對該區(qū)采取措施,使反硝化細(xì)菌有適宜的厭氧缺氧環(huán)境和充足的有機(jī)物來源,以加強(qiáng)反硝化作用,將NO-3-N還原為N2或N2O,從而真正降低TN質(zhì)量濃度。

圖3 濕地水體中DO的沿程變化規(guī)律

3.1.2 NH3-N

和NO-3-N的測定過程相同,增加的水、KCl兩個(gè)空白樣的NH3-N質(zhì)量濃度均為0.76mg/L。根據(jù)GB18918—2002《污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,出水執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),NH3-N質(zhì)量濃度應(yīng)不大于5mg/L,濕地各采樣點(diǎn)均滿足這一水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),NH3-N質(zhì)量濃度進(jìn)口為1.24mg/L,出口為0.64mg/L,去除率為48.4%,濕地系統(tǒng)對NH3-N的去除效果比較明顯。水流沿程各點(diǎn)的NH3-N變化情況如圖4所示,污水進(jìn)入濕地的前一段,即9點(diǎn)之前,NH3-N持續(xù)增加,主要是因?yàn)樗杏袡C(jī)氮化合物被微生物的氨化作用分解產(chǎn)生了NH3-N。之后隨微生物硝化作用等不斷加強(qiáng),NH3-N不斷轉(zhuǎn)化為NO-3-N。NH3-N去除效果雖然很好,但其質(zhì)量濃度跟NO-3-N的相比小很多,無機(jī)氮總質(zhì)量濃度還是出口大于進(jìn)口,以致不能滿足TN排放標(biāo)準(zhǔn)[10],因此水體NO-3-N去除是濕地下一步改進(jìn)的主要目標(biāo)。

圖4 水體NH3-N隨水流變化情況

3.2 底泥結(jié)果分析

底泥樣品N質(zhì)量濃度測定與水樣測定稍有不同,首先要從固體中提取N,再根據(jù)測得的底泥含水量反推稱取新鮮底泥樣的干重,最后算得單位干重的N質(zhì)量濃度。圖5、圖6給出了底泥中NO-3-N、NH3-N沿水流的變化趨勢。跟水樣中N的分布規(guī)律恰恰相反:水樣中NO-3-N質(zhì)量濃度約為NH3-N質(zhì)量濃度的 20倍左右,而底泥中NH3-N質(zhì)量比約為NO-3-N質(zhì)量比的10倍左右。說明水和底泥中,N的主要存在形式是不同的,水中以NO-3-N為主,底泥中以NH3-N為主。就變化規(guī)律而言,NO-3-N總體上是不斷減少的,從進(jìn)水口的0.01167mg/g減少到出水口的0.00327mg/g,去除率約為72%,主要的去除過程可能是反硝化作用。底泥NH3-N大致呈增加趨勢,這與底泥有機(jī)質(zhì)對水中N的吸附沉淀作用有一定的關(guān)系,TN隨著NH3-N的增加而增加,在底泥中的累積效應(yīng)比較明顯。

圖5 底泥NO-3-N隨水流變化情況

圖6 底泥NH3-N隨水流變化情況

4 結(jié) 論

a.濕地對水體中NH3-N的去除效果較好,去除率為48.4%。但水體中N主要以NO-3-N的形式存在,且在Ⅱ區(qū),NO-3-N質(zhì)量濃度沿水流方向增加,導(dǎo)致TN質(zhì)量濃度超過排放標(biāo)準(zhǔn),建議營造水體更利于厭氧細(xì)菌生存的厭氧環(huán)境,加強(qiáng)反硝化作用,增強(qiáng)濕地對NO-3-N的去除效果。

b.底泥中,N主要以NH3-N的形式存在,NH3-N質(zhì)量濃度沿水流方向增加,導(dǎo)致TN在底泥中累計(jì)效應(yīng)比較明顯,建議定期清理更換底泥,增強(qiáng)去N效果。

c.總體而言,平陰濕地是由魚塘改建而成的,采用天然基質(zhì),沒有特別的強(qiáng)化脫N設(shè)計(jì),使得去N效果并不理想。濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)還需要進(jìn)一步改進(jìn),如引入去污效果較好的水生植物,定期更換底泥等。

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[10]GB18918—2002,城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

Removal of nitrogen in reclaimed water by constructed wetland

SUN Xiu-min1,WANG Lin1,GAN Hong1,SHAO Fu-jian2
(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;2.Pingyin Sewage Treatment Plant of Shandong Province,Pingyin 250400,China)

The Pingyin constructed wetland of Shandong Province was selected for study of removal efficiency of nitrogen in reclaimed water through analysis of the changes of NH4+-N and NO-3-N contents along the flow direction both in wetland water and sediments.The results showed that the removal of NH4+-N inwetlandwater was significant;however,as the main existing form of nitrogen in wastewater,NO-3-N increased along the flow direction,and the microbial nitrification was strong.Total nitrogen(TN)in sediments also tended to increase and accumulate.The results from this study could provide theoretical support for further improvement of the constructed wetland design.

constructed wetland;reclaimed water;water sample;sediment;nitrogen removal efficiency

X703

A

1004-6933(2010)02-00010-03

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2006BAB04A15);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)資助項(xiàng)目(2006CB403408);國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金(50721006)

孫秀敏(1985—),女,河北故城人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃、配置與管理。E-mail:xiumin.sun@126.com

(收稿日期:2009-08-10 編輯:徐 娟)