兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用處理污染河水研究

劉文杰， 劉桂萍， 高紅杰， 彭劍鋒， 宋永會

(1.沈陽化工大學環(huán)境與生物工程學院，遼寧沈陽110142; 2.中國環(huán)境科學研究院，北京100012)

藻類塘(Algae Pond，AP)是由美國加州大學伯克利分校Oswald教授提出并發(fā)展的一種穩(wěn)定塘的改進形式［1］.目前藻類塘在美國、法國、德國、南非、以色列、菲律賓、泰國、印度、新加坡等國都有應用［2－3］，但在我國的研究工作只處于起步階段.

藻類塘雖然是一種基建費用和運行費用比較低，操作維護簡便，對有機物、氮磷和病原菌都有較好去除效果的工藝，但由于藻類塘出水中含有一定數(shù)量的藻類，如果不加以去除而直接排入受納水體，會引起受納水體富營養(yǎng)化，污染水體.因此必須對藻類塘出水中的藻類進行分離.

蘆葦和浮萍具有較好的克藻效應［4］，它們不僅具有較高的生長率、能夠快速吸收和分解水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，而且易移出水體，既可作為牛、豬、鴨的營養(yǎng)飼料，又可漚制綠肥，能帶來可觀的經(jīng)濟效益［5］.水生植物塘中的微生物將廢水中的污染物、生產(chǎn)者和消費者的排泄物及動植物尸體等有機物分解，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機物，并從中取得供自身生長繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)，這樣在水生植物塘中形成了具有生產(chǎn)者、消費者和分解者的食物鏈.利用這種方法來處理受污染的河水是一種廉價、高效的處理方法，值得大力推廣［6－9］.利用水生植物塘除藻和進一步凈化水質(zhì)是藻類塘應用中一個必不可少的后續(xù)工藝，水生植物塘使用礫石作為水生植物生長的基質(zhì).本文主要研究藻類塘與水生植物塘聯(lián)用對沈陽某重污染河流的凈化效果.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置(見圖1)于沈陽某污水處理實驗室中，藻類塘為長×寬×高=1 m×1 m×0.7 m的有機玻璃長方體，有效體積500 L;水生植物塘為長×寬×高=1 m×0.3 m×0.7 m的有機玻璃長方體，有效體積150 L.通過調(diào)節(jié)蠕動泵來控制進水的流量，出水均為溢流.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic of the experimental equipment

1.2 實驗水質(zhì)

實驗污染河水水質(zhì)指標見表1.

表1 實驗水質(zhì)一覽表Table 1 Quality of influent water in the reactor mg/L

1.3 監(jiān)測方法

1.4 試劑和儀器

硫酸，沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)試劑廠，優(yōu)級純;硫酸銀，天津市科密歐化學試劑有限公司，分析純;鹽酸，沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)試劑廠，分析純;抗壞血酸，天津博迪化工股份有限公司，分析純;鉬酸銨，天津博迪化工股份有限公司，分析純;過硫酸鉀(sigma-alorich)等.

奧立龍720APLUS Benchtop型pH計(Thermo Orion Co.USA);UV-6100紫外分光光度計，上海元析儀器有限公司;CR3200 COD消解器(WTW German);YSI-550A便攜式溶解氧儀等.

1.5 運行條件

實驗過程中藻類塘與水生植物塘的運行條件為:HRT=4 d，水深0.5 m，通過光補償保證每天光照時間為12 h，連續(xù)流運行.

2 結(jié)果與討論

2.1 進出水pH變化

圖2為兩級藻類塘和水生植物塘進出水pH值變化，從圖2可知pH值波動較大.藻類塘中藻類進行光合作用時，會發(fā)生下列反應:

藻類進行光合作用吸收水體中的CO2，使水體中CO2濃度降低，反應(1)向左進行，結(jié)合(2)式可知，此時(2)式中的反應向左進行，水中H+濃度降低，進而使水中的pH值升高.光合作用停止時，水中CO2濃度開始升高，pH值降低.所以兩級藻類塘與水生植物塘進出水中pH值會呈現(xiàn)出一定的波動.

圖2 進出水pH值變化Fig.2 The pHs of reactors

2.2 進出水DO質(zhì)量濃度變化

圖3為一級藻類塘、二級藻類塘和水生植物塘DO質(zhì)量濃度變化曲線.兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝進水DO質(zhì)量濃度平均值為1.27 mg/L，出水DO質(zhì)量濃度平均值為5.88 mg/L.由此可知，一級藻類塘、二級藻類塘和水生植物塘出水DO質(zhì)量濃度均高于進水.藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝出水中DO質(zhì)量濃度可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅱ類標準.說明藻類塘與水生植物塘對污染水體有較好的富氧作用.

圖3 聯(lián)用工藝進出水DO質(zhì)量濃度變化Fig.3 The DO concentrations of reactors

2.3 Chl-a質(zhì)量濃度變化

圖4為一級藻類塘、二級藻類塘和水生植物塘出水中Chl-a質(zhì)量濃度變化.

圖4 聯(lián)用工藝進出水Chl-a質(zhì)量濃度變化Fig.4 Variations of Chl-a concentrations in the reactors

從圖4可知:一級藻類塘和二級藻類塘Chla質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致.開始時由于處于啟動階段，所以Chl-a質(zhì)量濃度幾乎為零.運行到10 d以后Chl-a質(zhì)量濃度開始有明顯的增長，增加到最大值后開始出現(xiàn)降低的現(xiàn)象.其原因是實驗在9月進行，隨著運行時間的增長，藻類塘中的光照時間變短、光照強度減弱、塘中水溫降低，藻類生長繁殖速度緩慢，甚至出現(xiàn)負增長現(xiàn)象，所以Chl-a質(zhì)量濃度又出現(xiàn)降低的現(xiàn)象.同時水生植物塘中的礫石和蘆葦對藻類塘出水中的藻類有很好的過濾作用，這樣就會使聯(lián)用工藝出水中Chl-a的質(zhì)量濃度較低，并且可以穩(wěn)定在0.03 mg/L以下.水生植物塘對藻類塘出水中Chl-a的平均去除率為94.5%，可見水生植物塘是兩級藻類塘的一個很好的后續(xù)工藝.

2.4 COD凈化效果

圖5為藻類塘與水生植物塘對COD的凈化效果.從圖5可知:進水COD質(zhì)量濃度平均值為86.17 mg/L，植物塘出水中COD質(zhì)量濃度平均值為35.4 mg/L，平去除率可以達到58.76%.兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝出水COD質(zhì)量濃度可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅴ類標準，可用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域［11］.進入藻類塘中的有機物，在O2充足的條件下被異養(yǎng)型細菌分解為CO2、H2O等產(chǎn)物.藻類塘中的藻類在光照條件下，通過光合作用把CO2等產(chǎn)物作為營養(yǎng)物質(zhì)來合成自身的細胞，同時釋放出O2，供好氧細菌等微生物分解有機物用，2個過程相互補給，不斷循環(huán)，使水質(zhì)得到凈化.當水力停留時間較長時，這2個過程循環(huán)次數(shù)增多，可使水中的有機物被異養(yǎng)細菌充分分解，進而促進COD的去除率增高.

圖5 COD去除Fig.5 COD removal in the reactors

2.5 PO3－4-P凈化效果

圖6 -P去除Fig.6 -P removal in the reactors

2.6 TP凈化效果

圖7為兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝對TP的凈化效果.從圖7可知:一級藻類塘、二級藻類塘與水生植物塘出水中TP的質(zhì)量濃度逐漸降低;聯(lián)用工藝進水TP質(zhì)量濃度平均值為0.93 mg/L時，植物塘出水中TP質(zhì)量濃度的平均值為0.16 mg/L，平均去除率可達82.8%.兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝出水TP質(zhì)量濃度可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅲ類標準，可用于魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)［11］.因為在高效藻類塘和水生植物塘中，-P的去除是TP去除的主要途徑，所以TP的去除規(guī)律與-P的去除規(guī)律相同.

圖7 TP去除Fig.7 TP removal in the reactors

圖8 -N的去除Fig.8 -N removal in the reactors

2.8 TN凈化效果

圖9為兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝對TN的凈化效果.

圖9 TN去除Fig.9 TN removal in the reactors

從圖9可知:一級藻類塘、二級藻類塘與水生植物塘出水中TN質(zhì)量濃度逐漸降低.聯(lián)用工藝進水TN質(zhì)量濃度平均值為3.14 mg/L時，水生植物塘出水中TN質(zhì)量濃度平均值為1.51 mg/L，平均去除率為51.1%.兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝出水TN質(zhì)量濃度可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅴ類標準，可用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域［11］.綜合兩級藻類塘與水生植物塘對-N和TN的去除效果可知，一級藻類塘、二級藻類塘和水生植物塘對TN的去除率均低于對-N去除率.為此在實驗中對一、二級高效藻類塘和水生植物塘出水中的TN組成進行進一步的分析，發(fā)現(xiàn)主要是以硝態(tài)氮的形式存在.藻類塘中-N的轉(zhuǎn)化途徑主要有藻類的同化、氨揮發(fā)和硝化作用等［13］，其中硝化作用是-N轉(zhuǎn)化的主要途徑.實驗過程中發(fā)現(xiàn)一、二級高效藻類塘中存在著硝化作用，并且硝化反應消耗了藻類塘中絕大多數(shù)-N.這是因為在光照條件下藻類塘中的藻類可進行光合作用產(chǎn)生O2，使高效藻類塘中DO質(zhì)量濃度升高，這就為硝化反應提供了必須的條件，使高效藻類塘中的-N通過硝化反應轉(zhuǎn)化為-N，從而使藻類塘出水中-N的質(zhì)量濃度降低，-N的去除率升高，由于-N轉(zhuǎn)化為-N，使TN的質(zhì)量濃度變化不大，所以TN的去除率低于-N的去除率.而在水生植物塘內(nèi)，水生植物等優(yōu)先吸收利用-N，使植物塘出水中-N質(zhì)量濃度降低，去除率升高.但是，由于水生植物塘中仍然存在著硝化作用，所以，此時TN的去除率依然低于-N的去除率.

2.9 進出水-N和-N質(zhì)量濃度變化

圖10 進出水-N質(zhì)量濃度變化Fig.10 Variations of -N concentrations of practicality river water

圖11 進出水-N質(zhì)量濃度變化Fig.11 Variations of-N concentrations of practicality river water

3 結(jié)論

兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用處理污染河水時，出水TP質(zhì)量濃度的平均值為0.16 mg/L，可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅲ類標準;出水中COD質(zhì)量濃度平均值為35.4 mg/L，可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅴ類標準;出水DO質(zhì)量濃度平均值為5.88 mg/L，可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅱ類標準;出水中-N質(zhì)量濃度平均值為0.66 mg/L，可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值中規(guī)定的Ⅲ類標準;對TN的平均去除率為51.1%.水生植物塘對藻類塘出水中的藻類有很好去除效果，平均去除率為94.5%.兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用的工藝對N、P等污染物濃度較低的河流有較好的凈化效果.出水可以達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準.說明兩級藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝是一種高效的污水處理工藝.

［1］ Gómez E，Casellas C，Picot B，et al.Ammonia Elimination Processes in Stabilisation and High-rate Algae Pond Systems［J］.Wat.Sci.Tech.，1995，31(12): 303－312.

［2］ 韓仕群，張振華，嚴少華.國內(nèi)外利用藻類技術(shù)處理廢水、凈化水體研究現(xiàn)狀［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境發(fā)展，2000(1):13－16.

［3］ Picot B，Halouani H E，Casellas C，et al. Nutrient Removal by High Rate Pond System in a Mediterranean Climate(France)［J］.Wat.Sci.Tech.，1991，23(7/9):1535－1541.

［4］ 唐萍，吳國榮，陸長梅，等.太湖水域幾種高等水生植物的克藻效應［J］.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2001，17(3): 42－44，47.

［5］ 許航，陳煥壯，熊啟權(quán)，等.水生植物塘脫氮除磷的效能及機理研究［J］.哈爾濱建筑大學學報，1999，32(4):69－73.

［6］ 劉超翔.提高人工濕地處理生活污水效能的研究［D］.北京:清華大學環(huán)境科學與工系，2003:35－36.

［7］ 李海，孫瑞征，陳振選，等.城市污水處理技術(shù)及工程實例［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2002:28－29.

［8］ 沈錫芬，章宗涉，龔循矩，等.微型生物監(jiān)測新技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1990:67－69.

［9］ 青島市海洋與漁業(yè)局.2001年青島市海洋環(huán)境質(zhì)量公報［R］.青島:青島市海洋與漁局，2002.

［10］國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京:中國環(huán)境科學出版社，2002:765－766.

［11］國家環(huán)境保護總局.中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標準［S］.北京:環(huán)境科學出版社，2002.

［12］何少林，黃翔峰，陳廣，等.高效藻類塘磷酸鹽去除機理研究［J］.四川環(huán)境，2006，4(2):18－20.

［13］何少林.高效藻類塘處理農(nóng)村生活污水氮磷去除機理及工藝研究［D］.上海:同濟大學，2006:87.