基于鐵碳物化-生物耦合法的新型濕地填料研究
2018-09-10 20:05:34劉學燕侯琮語李德生鄧卓智
人民黃河 2018年11期
劉學燕 侯琮語 李德生 鄧卓智
摘要：針對北方人工濕地運行過程中出現的植物生長萎靡、微生物活性低下、脫氮除磷效率不能滿足設計要求等問題，研究新型鐵碳濕地材料，利用其微電解產生的[Fe2+]和[H]給硝化細菌做電子供體，將硝酸鹽氮還原為N2，實現物化-生物耦合脫氮，并在實驗室構建不同介質、不同類型的人工濕地，試驗中對比了傳統填料人工濕地與新型鐵碳人工濕地的運行狀況。結果表明：進行間歇曝氣情況下，采用脫氮除磷功能材料的人工濕地在水力停留時間24h的情況下對氨氮、總磷、COD的去除效率分別達到89%、76%、67%，均高于傳統填料去除效率，尤其是對氨氮;采用脫氮除磷功能材料的人工濕地植物生長良好，表明脫氮除磷功能材料作為新型濕地填料發揮了良好的效果。
關鍵詞：人工濕地;脫氮除磷功能材料;微電解;曝氣
中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：A
人工濕地起源于20世紀70年代末，由基質、植物和微生物三者形成共生系統，通過物理、化學和生物作用的協同關系來進行廢水處理，對氮、磷處理效果好，出水水質好，工程基建和運行費用低，維護管理方便[1]。
目前，人工濕地應用越來越廣泛，如水源地保護、再生水凈化、面源凈化、微污染湖泊河道水體達標凈化等[2]，這些應用有一個特點，即進水污染物濃度較低，部分處理水質對象為近Ⅳ類水，甚至優于Ⅳ類水，且去除污染主要對象為氮磷污染濃度。在北方地區人工濕地運行過程中，微污染凈化入水營養物質濃度低、溶解氧不足，使得植物生長萎靡，微生物活性低下，處理效果較差，不能滿足設計凈化負荷。因此，需要針對運行中的弱點研究應對方法。
人工濕地三大要素包括水、基質填料、水生植物[3]，其中基質填料是人工濕地的主體，水生植物生長同樣依賴于基質填料，因此人工濕地基質填料是研究的重點。研究表明，在碳源充足的情況下，不同的填料如爐渣、粉煤灰和砂等對氮磷等污染物的去除效率不同[4]。但是實際濕地進水普遍會出現碳源較少的情況[5]，COD含量/TN含量<5時濕地系統對氮磷去除率較低[6]，低COD含量/TN含量情況下對濕地材料研究較少，為解決低COD含量/TN含量情況下濕地運行狀況差的情況，需要針對低COD含量/TN含量情況研究新型濕地填料來提高濕地處理效率。
1 常規濕地填料及功能填料
1.1 常規濕地填料
常規濕地填料選取基于適用性、經濟性、易得性原則，常用的有礫石、頁巖、石英砂、無煙煤、沸石、陶粒等。濕地填料通過吸附、過濾、吸收、離子交換、絡合反應等物理化學作用凈化水質，同時在運行穩定后填料上生長微生物，通過微生物自身的新陳代謝吸收和降解污染物質。填料本身性質是影響濕地去污能力的主要因素，其中包括物理化學性質如基質粒徑、比表面積、孔隙率及Ca、Al、Fe含量等。研究表明，Ca、Al、Fe含量高的基質吸附磷效果好。不同填料對濕地凈化功能影響較大，應優先選擇粒徑、級配合適，Ca、Al、Fe含量較高的填料[7]。
采用常規濕地填料在運行過程中常遇到填料堵塞、植物生長狀況差等問題，繼而導致濕地運行效果差，不能達到出水要求，因此濕地填料的選擇尤為重要。
1.2 脫氮除磷功能材料
為解決人工濕地運行過程中植物生長緩慢萎靡、易堵塞、效率低的問題，提高濕地脫氮除磷效率，促進濕地植物健康生長，本試驗選用脫氮除磷功能材料為濕地填料。
脫氮除磷功能材料主要成分為鐵粉和活性炭，通過特殊燒制后形成，擁有巨大的比表面積和大量微孔，適合微生物附著。主要物理參數為：直徑10～20mm，密度1200kg/m3，比表面積32.017m3/g，孔隙率46%，物理強度≥600kg/cm2。
在好氧情況下，氨氮在硝化細菌和氨氧化菌的作用下生成硝酸鹽氮。脫氮除磷功能材料中催化劑使其發生微電解作用，釋放出具有很強還原性的[Fe2+]和[H]，其可以還原硝酸鹽氮，后續隨著反硝化菌的出現，將微電解產生的Fe2+和[H]作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為N2，實現物化-生物耦合脫氮。此外微電解產生的鐵離子會和陰極產生的OH-反應生成Fe（OH）2和Fe（OH）3，其絮凝作用可降低出水濁度[8-9]。
在酸性條件下，鐵離子及其氧化物通過發生置換反應可以有效沉淀磷，并且基質中鐵在游離氧化鐵的形態下，其形成磷酸鐵鹽的能力越強，除磷效果越好。
鐵是植物生長所必須的微量元素，同時是細胞內許多重要酶的組成部分，鐵碳微電解釋放出的鐵可以促進植物生長，避免黃葉病。出現黃葉病會導致人工濕地產生大量凋落物，凋落物會導致水體指標如pH、溶解氧、總溶解固體和電導率等發生變化，甚至會加速濕地堵塞[10]。
2 試驗材料與方法
2.1 試驗用水及水質
試驗廢水水質模擬地表水V類水體，由人工配置制得，以葡萄糖為碳源、以氯化銨為氮源、磷酸氫二鉀為磷源。試驗原水CODCr、NH4+-N、NO3-N、TP濃度分別為（40±2）、（2±0.4）、（0.5±0.3）、（0.4±0.1）mg/L。
2.2 試驗裝置
試驗分別在4個多介質潛流式人工濕地系統中進行。試驗裝置技術參數見表1。4個試驗濕地均種植蘆葦。布水系統采用管身均勻開孔的鋼管布水，進水干管分出4個支管，等間距分布于布水層。人工濕地工藝流程見圖1。
2.3 試驗方法
上述人工濕地系統于2017年3月10日開始準備工作，其中：1#、2#、3#試驗裝置于3月底開始投入運行，于4月19日開始正式檢測分析;4#試驗裝置于2017年4月20日開始投入運行，于5月2日開始正式檢測分析。試驗過程為連續進水、出水，水質檢測為每天下午取樣分析，水質檢測按國標進行。
3 試驗結果與討論
3.1 氨氮、硝氮、總氮的去除效果
1#、2#、3#系統運行期間進行間歇曝氣。試驗初期出水水質不穩定，取2017年4月29日至2017年5月3日連續5d出水水質數據繪圖分析，期間溫度為20-25℃。上述系統對NH3-N，硝氮、總氮的去除效果見圖2～圖4，
可見，加入脫氮除磷功能材料的人工濕地運行效果良好。氨氮、硝氮和總氮的處理效果明顯，氨氮由原水的Ⅴ類水經處理后達到Ⅲ類水，甚至Ⅱ類水。
圖2顯示，氨氮平均進水濃度為（2±0.4）mg/L，Ⅴ類水標準，1#、2#、3#系統出水氨氮最高濃度分別為0.32、0.43、0.67mg/L，平均值分別為0.23、0.22、0.60mg/L，平均去除率分別為89%、89%、71%。
圖3顯示，硝氮的平均進水濃度為（0.5±0.3）mg/L，1#、2#、3#系統出水硝氮最高濃度分別為0.29、0.49、0.40mg/L，平均去除率分別為63%、48%、78%。分析第4次取樣結果知，可能大部分氨氮通過硝化反應轉化為硝氮，導致硝氮濃度較高。
圖4顯示，總氮的平均進水濃度為（2.5±0.5）mg/L，1#、2#、3#系統出水總氮平均值分別為0.41、0.49、0.71mg/L，平均去除率分別為84%、81%、73%。1#濕地氨氮去除率較高，原因可能是1#濕地脫氮除磷功能材料處于濕地系統表層，溶解氧含量較高，有利于附著在填料層上的微生物膜發生硝化去除氨氮，2#、3#濕地脫氮除磷功能材料處于濕地系統中部及底部，中、底部溶解氧含量相對較低，有利于發生反硝化去除硝態氮。
3.2 總磷的去除效果
含脫氮除磷功能材料的人工濕地對總磷去除效果見圖5。總磷平均進水濃度為（0.40±0.13）mg/L，1#、2#、3#系統出水總磷最高濃度分別為0.17、0.16、0.17mg/L，出水平均值分別為0.11、0.11、0.10mg/L，平均去除率分別為76%、76%、79%。在濕地系統中，脫氮除磷功能材料釋放出鐵離子，磷在鐵離子及其氧化物的作用下沉淀下來，從而降低了出水的磷濃度。同時，濕地系統中的有機質可以與Fe2O3結合，給磷的吸附提供了一個活躍的表面，從而促進了磷的吸附[11]。
3.3 COD的去除效果
含脫氮除磷功能材料的人工濕地對COD的去除效果見圖6。進水COD的濃度為（40±2）mg/L，1#、2#、3#系統出水COD平均濃度分別為13、13、14 mg/L，COD平均去除率分別為67%、67%、65%。濕地系統中的微生物主要集中在脫氮除磷功能材料孔隙、表面以及蘆葦根部，有機物的降解主要靠微生物活動來完成。濕地中填料、植物、微生物是緊密相關的，合適的填料及植物可以培養大量微生物來降解水體中有機物，提高處理效率。
3.4 溶解氧對去除效果的影響
上述研究成果均在間歇曝氣情況下運行的人工濕地系統得出，本節將其與2017年5月9-13日連續5d未曝氣情況下濕地運行結果（見圖7～圖11）進行對比。
1#、2#、3#濕地系統布置有脫氮除磷功能材料，其氨氮去除率為40%～70%，4#濕地未布置脫氮除磷功能材料，其出水氨氮濃度較高，去除率為5%～25%;1#、2#、3#系統總氮去除率為35%～80%，4#濕地為10%～25%;1#、2#、3#濕地系統硝氮去除率為40%～90%，4#濕地為30%～70%：1#、2#、3#濕地系統總磷去除率為55%～90%，4#濕地為30%～50%;1#、2#、3#濕地系統COD去除率為70%～90%，4#濕地為15%～25%。
濕地系統曝氣與未曝氣情況對比表明，溶解氧能夠有效提高氮、磷、COD的去除率。原因是溶解氧決定了濕地內部的氧化還原環境，通常情況下厭氧條件會導致濕地發生釋磷過程，好氧條件下會導致濕地中磷濃度下降。氮的轉化過程包括硝化、反硝化，其中硝化過程需要在好氧條件下進行（溶解氧濃度為2～4mg/L），反硝化過程需要在缺氧條件下進行（溶解氧濃度小于0.5mg/L），因此溶解氧濃度較低會導致硝化過程進行不充分，反硝化過程反應充分，導致氨氮去除率低，硝氮去除率高。大部分微生物需要在好氧條件下通過呼吸作用降解COD，溶解氧不足會導致微生物活性下降，COD降解效率降低。其中4#濕地系統運行時間較短，未形成有效生物膜，導致處理效率較低。同樣在不曝氣情況下，1#、2#、3#濕地系統去除效率明顯高于4#濕地，充分表明脫氮除磷功能材料對溶解氧的需求較普通濕地材料低，可以降低成本。由圖7一圖11可知，2#濕地系統對氨氮、總氮、硝氮、總磷及COD的綜合處理效果較1#、3#、4#濕地系統更優，脫氮除磷功能材料在濕地系統中層時綜合處理效果最好，1#濕地系統中鐵碳材料在濕地表層時適用于進水氨氮濃度較高的情況，3#濕地系統中鐵碳材料在濕地下層時適用于進水硝氮濃度較高的情況。
4 結論
（1）1#、2#、3#濕地系統采用了加載脫氮除磷功能材料，從3月底開始運行了5個月，期間進行間歇曝氣。檢測結果顯示，濕地人水水質為模擬Ⅴ類，經處理后達到Ⅲ類水甚至Ⅱ類水標準，氨氮、硝氮和總氮的處理效果明顯。相比之下，4#濕地出水水質僅為Ⅳ類，且出水氨氮濃度較高，濕地植物多現黃葉病癥狀。
（2）從1#、2#、3#濕地系統的運行效果可以看出，適當曝氣有利于濕地系統快速啟動。1#、2#、3#濕地系統試驗裝置對氨氮、硝氮和總氮的去除效果表明：表層填充脫氮除磷功能材料有利于氨氮的去除，中部或底部填充脫氮除磷功能材料對硝氮的去除較有利。從試驗結果看，在濕地中適當增加曝氣設備可提高濕地處理效果，尤其是去除氨氮作用較好。
（3）脫氮除磷功能材料通過電子供給解決了人工濕地脫氮過程中碳源不足的問題，實現了在無外加碳源條件下對低C/N污水高效脫氮，降低了濕地運行成本。
（4）使用脫氮除磷功能材料可以將水力停留時間由傳統的3d減為1d，縮短水體停留時間意味著可以縮減濕地整體面積，利用更少的面積達到同樣的處理效果，對于降低濕地用地成本有重大意義。
（5）脫氮除磷功能材料在運行過程中有部分放熱過程，在濕地表面覆蓋保溫層的情況下可以緩解石英砂填料濕地冬季運行困難的問題。觀察濕地植物得出，在脫氮除磷功能材料供給植物足夠鐵元素的作用下，蘆葦、菖蒲生長旺盛，同時避免了黃葉病的發生，充分發揮了植物的凈水及景觀作用，解決了石英砂填料人工濕地實際運行中植物生長狀況差的問題。本次試驗充分證明了該新型材料應用于人工濕地系統是可行的，未來可進行更多研究，探討其應用于濕地系統的優勢。
（6）脫氮除磷功能材料相比石英砂填料的優勢為：低碳源情況下脫氮效果好;水力停留時間縮短;運行過程中填料放熱可緩解冬季運行困難問題;濕地植物生長旺盛，避免黃葉病發生。
濕地將在未來城市建設及水體凈化方面有大量應用。濕地材料是影響濕地凈化能力的重要因素，選取高性能的濕地材料同時搭配合適的濕地植物將對濕地凈化能力有極大提升。對濕地材料的選取應結合實際濕地工程情況進行，通過分析不同外界環境因素對濕地填料凈化特性的影響，實現濕地運行最優化。本次試驗未對溶解氧濃度進行具體測量，有必要進一步開展試驗對其進行分析，尋求最優溶解氧濃度。
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