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人工湿地强化复氧技术研究现状及设计构想

2014-11-28惠斌顾银海张金戈

绿色科技 2014年1期
关键词:溶解氧人工湿地

惠斌 顾银海 张金戈

摘要:指出了改善人工湿地复氧能力以提高湿地处理能力的研究包括选用利于复氧的植物和填料、跌水曝气、进水端机械曝气、间歇式运行等,采取这些措施时,必须结合湿地规模、场地条件、卫生条件要求等实际情况。提出了一种基于间歇式运行的改良小型人工湿地设计构想,为该类型人工湿地强化复氧提供了设计思路。

关键词:人工湿地;溶解氧;复氧技术

中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:16749944(2014)01015304

1引言

人工湿地系统中的氧主要被消耗用于有机物和氮等营养物质的生物降解,而作为湿地氧来源的植物根系泌氧及大气表面复氧所产生的少量氧气相对于城市污水在实际负荷下所需的氧气量来说是微不足道的[1]。常规的人工湿地处理系统仍主要为厌氧反应系统,这使得湿地对有机物的去除较为依赖缺氧和厌氧生化反应,处理效率较低;湿地除磷主要依赖基质吸附沉淀作用,随着植物衰败和基质吸附饱和,湿地除磷效果将逐渐丧失;常规人工湿地脱氮效率普遍在50%~65%之间[2],何连生,刘鸿亮等[3]研究认为在有机物丰富的潜流湿地中,硝化菌竞争氧气能力较弱,按照全程硝化化学计量学得到的硝化需氧量(NOD)高于实际的表面复氧和植物根系放氧,通过湿地表面复氧和根区放氧不能完整地硝化反硝化。

在污水生物处理中,利用溶解氧的生化反应是效率最高的反应过程,并能产生矿化终端产物,因此,形成好氧环境是提高污水生物处理系统处理能效的重要途径,如何通过改善人工湿地中的溶解氧含量及分布以提高湿地处理效率逐渐受到关注。

2人工湿地工艺条件对湿地氧环境的影响

大气表面复氧、挺水植物根系氧传输和进水溶氧是湿地中溶解氧的主要来源。多数研究显示,大气表面复氧强度在0.5~1g/(m2·d)范围,植物根系氧传输强度在0~3g/(m2·d)范围[4]。从人工湿地工艺运行条件角度分析,影响湿地氧环境的主要影响因素包括植物种类、填料表面性能、水力流态等。

2.1植物种类

不同种类植物的根系氧传输能力有所不同,鄢璐,王世和等人[5]研究比较了五种植物湿地供氧能力和稳定性,供氧能力顺序为芦苇>美人蕉>茶花>富贵竹>空心菜。研究表明,湿地植物的生长状况及其光合作用

收稿日期:20131129

作者简介:惠斌(1988—),男,陕西渭南人,南京工业大学环境学院硕士研究生。

强度对于湿地DO分布影响显著,随着植物净光合作用速率的增加,DO增加,但污水中污染物降解又消耗了植物光合作用产生的氧,引起DO水平下降。因此,选择生长旺盛、根系发达和光合作用较强的湿地植物,适当降低污水的负荷,可以改善湿地溶解氧条件。

2.2基质填料

填料物理性质的不同,尤其是孔隙率和表面性质的不同将直接影响其复氧效果,孔隙率大、比表面积大的多孔状填料具有一定的可选性。

高常飞等[6]通过人工强化生态滤床特性研究可知,火山岩和砾石2种滤料溶氧扩散能力区别较大,利用效率存在明显差异,比表面积较大的滤料(火山岩)溶氧扩散明显能力较高。

2.3水力流态

对于潜流人工湿地,在进水溶氧浓度相同时,垂直流人工湿地的氧环境优于水平流人工湿地,垂直流人工湿地独特的结构设计和水力流态使其更有利于湿地内部的供氧,创造出较好的氧环境,提高各项污染物的去除效果。

2.4水力停留时间

湿地停留时间过短时,水力负荷较高,湿地进出水容易发生短路,好氧反应不能完全进行,氧的消耗较少,故湿地溶解氧较高。停留时间过长时,易造成大量“死水区”,处理效果变差,同时由于有机物负荷较低,氧消耗速率较慢,加之植物输氧和表明复氧效果,湿地溶解氧浓度有所提高,最佳停留时间对应溶解氧最低值。

3强化复氧技术

常规污水处理技术通常借助高能耗来控制反应器内溶解氧浓度,而对于低能耗甚至无能耗的生态处理技术而言,大型曝气机械的使用是不现实的。因此,如何因地制宜地控制生态处理系统中的溶解氧浓度,保证出水水质,是生态处理系统设计中的一个重要和关键的问题。目前,基于改善湿地溶解氧水平的人工湿地强化处理技术研究主要分为控制运行条件、改变水力流态、强化供氧等。本文对目前几种高效的湿地强化复氧方式研究进展进行总结和分析。

3.1间歇式运行

聂志丹等[7]研究采用间歇运行方式使人工湿地复氧能力提高了51.1%,对TN和NH+4-N的去除率分别提高了28.6%和51.5%。MichalGreen[8]通过研究发现,在人工湿地系统连续运行1~2d后,将其中的污水排干并闲置2~8d可以提高硝化效果;崔玉波等[9]采用进水12h、排水12h(HRT=1d)的间歇运行方式,使两级人工湿地对氨氮的去除率提高至99%;彭举威等[10]采用进水6h、排水6h(HRT=2d)的间歇进、出水方式,提高了湿地系统对COD的处理效能;尹军等[11]采用进水12h、出水12h(HRT=4d)的间歇进、出水方式,提高了湿地系统对氨氮的处理效能。

王晟、徐祖信[12]等人通过湿地静态(中高低)浸润线运行和动态浸润线运行对比结果表明,根据浸润线动态设计原理发明的序批式潜流人工湿地污水处理工艺(CBSW)能够实现了单级湿地内好氧/缺氧环境的交替出现,提高了脱氮能力,除污综合效果理想。

张帅[13]研究了潮汐式运行人工湿地对高浓度农村生活污水的处理效果,认为潮汐式复氧方式均能明显提高人工湿地系统对农村生活污水的处理效果,明显改善微生物硝化、反硝化、生物吸收等作用,有效地提高了人工湿地对COD、氮、磷的去除性能。

近年来,欧洲建设了一些间歇式非饱和潜流人工湿地系统,大多数用于三级处理,运行结果表明,间歇式潜流人工湿地(潮汐流人工湿地)的进水负荷约为传统潜流人工湿地的2倍。endprint

3.2跌水曝气

肖海文,邓荣森等[14]研究认为设置多级多段跌水有利于均衡湿地床填料内的溶解氧分布,促进硝化反应,保证出水水质。高常飞等[15]研究认为跌水曝气复氧预处理效果明显,能够满足人工强化生态滤床复氧量要求,当跌水曝气高度在0.6m以内,跌水曝气DO呈现稳定增加,两者之间具有正相关关系。叶芬霞等[16]构建了新型人工湿地——塔式复合人工湿地(TICW)处理农村生活污水,利用阶梯式跌水进行充氧,克服了目前人工湿地含氧量少、硝化速率慢的瓶颈,对NH+4-N的去除率达到了82%。

英国水污染研究实验室曾在实验室和野外对跌水的复氧效应进行了系统地研究,建立了如下预测方程[17]:

r=1+0.38abh(1-0.11h)(1+0.046t)

r为跌水复氧氧亏比,通过氧亏比r可定量地表征跌水复氧的效果,r越大,复氧效果越好。式中h为跌水的自由落差(m);t为温度(℃);a为水质参数,其取值为:较清洁水体为1.8,污染较轻的水体为1.6,中等污染水体为1.0,严重污染水体为0.65;b为曝气系数,其取值随跌水的方式而变化,普通自由下落跌水为10,阶梯跌水为13,多级阶梯跌水为135。

虽然跌水曝气能够有效改善进水端溶解氧水平,但受场地条件和卫生条件限制,跌水曝气技术适用范围有限。

3.3机械曝气增氧

国内外一些学者采用人工增氧的方法来提高湿地的污水处理能力。孙亚兵等[18]利用改进型自动增氧潜流人工湿地处理模拟生活污水,NH+4-N的平均去除率为88.93%,但系统后期出水均不稳定;Claudiane等[19]采用空气泵对人工湿地进行强制增氧,结果表明,污水TKN去除率提高了9.4%,但是污水处理费用大大增加;Nivala等[20]用曝气水平潜流湿地处理垃圾填埋场渗滤液,发现在曝气下取得了很高的氨氮与BOD5去除率;Ouelle-tPlamondon等[21]在种植了菖蒲的水平流湿地模型进水端人工曝气,取得了较高的COD和总氮的去除率;Lahav等[21]利用自创的被动增氧技术在垂直流湿地床模型中进行试验,取得了300g·(m2·d)-1的氮去除负荷;鄢璐等[22]通过对复合潜流湿地前端进行强化供氧,显著提高了有机质和总氮的去除率。

除上述强化复氧技术外,多点进水、出水回流等技术也能在一定程度上改善湿地内溶解氧水平。湿地溶解氧水平除受人为因素影响,也受到多种自然因素的影响,如温度、光强等。总的来说,上述强化复氧措施对人工湿地溶解氧环境和净化效果均有不同程度影响,采取这些措施时,必须结合湿地规模、场地条件、卫生条件要求等实际情况。

4强化通气复氧构造设计构想

在前文所述的强化复氧技术中,间歇式运行更符合人工湿地低能耗运行的基本特点,对于分散式小规模的人工湿地,复氧技术运用更具灵活性。笔者提出了一种基于间歇式运行的改良小型人工湿地用于分散式污废水处理回用的设计构想。以海南生态旅游岛生态民宿为研究样本,就地处理回用一家一户的优质杂排水,达到景观回用水标准,设计基本参数如下。

4.1设计运行参数

设计水量:

Qw=η1·η2·m·qd

式中:Qw为设计水量,m3/d;η1为水量折减系数,即污水量占用水量的比例,取0.9;η2为杂排水比例系数,即优质杂排水比例占污废水量的比例,取0.65;qd为用水定额,按照别墅用水定额上限取350L/人·d;m为用水人数,取6,Qw=1.23m3/d。

水质设计参数及处理目标。

根据实地水质检测和文献查阅,确定原水水质指标、回用水水质目标及人工湿处理负荷等设计参数,见表1。

4.2基本结构尺寸

4.2.1人工湿地表面积

表面积设计考虑最大污染负荷和水力负荷。人工湿地污染负荷有BOD5表面负荷、CODcr表面负荷、TN表面负荷、NH+4-N表面负荷、TP表面负荷,用污染负荷计算人工湿地面积为:

A=Q(C0-Ce)N

式中:Q为污水流量,m3/d;C0为进水污染物浓度,mg/L或g/m3;Ce为出水污染物浓度,mg/L或g/m3;N为污染物表面负荷,g/m2·d,取值见表1。

用水力负荷计算人工湿地面积为:

A=QNq

式中:Nq为水力负荷,L/m2·d,取值见表1。输入表1设计参数,经最大污染负荷计算和水力负荷校核,湿地面积取6m2。

4.2.2人工湿地深度

人工湿地设计深度为:

h=T·QA·n

式中:h为人工湿地深度,m;T为水力停留时间,d,取2d;Q为设计流量,m3/d;A为人工湿地表面积,m2;n为人工湿地填料孔隙率,取0.4。

计算得设计深度h=1.025m,本设计中取h=1m,超高为0.2m。设计运行参数见表2。

4.3强化通气结构设计

根据结构尺寸计算,湿地尺寸较小,结构形式灵活。本设计采用模块化的箱式结构,沿人工湿地长边方向的侧壁开孔,内壁设网状围护防治土壤填料漏出,外壁设通气集水槽,槽顶设格栅隔档杂物坠入,工艺结构见图1。

图1强化通气的人工湿地结构示意

穿孔通气孔在人工湿地长边方向的侧壁上沿基质层深度方向均匀分布,由穿孔通气口和通气集水槽构成的通气系统能够在湿地不同水位运行状态下发挥通气复氧效果,改善基质层溶解氧水平,提高小型间歇式运行或潮汐流运行的人工湿地系统的复氧能力。

5结语

通过改善湿地工艺结构形式、运行条件以及采取适宜的强化复氧技术措施均可以不同程度改善湿地氧环境,从而提高人工湿地对污染物去除效率。对于强调低能耗甚至无能耗的污水生态处理技术而言,机械式强化曝气供氧不具有广泛推广价值;跌水曝气能够有效提高进水端复氧效果,但对湿地结构及卫生条件要求较高;间歇式运行或潮汐流人工湿地兼具表流人工湿地和潜流人工湿地的特点,一定程度上客服了潜流人工湿地植物难以发挥作用的缺点和表流人工湿地厌氧环境处理效率低下的缺点,人工湿地干湿交替运行同时也有利于基质强化和再生,能够有效提高人工湿地脱氮除污能力。endprint

笔者在总结人工湿地强化复氧技术研究成果的基础上,提出了一种强化通气结构设计构想,适用于间歇式或潮汐流运行的小型人工湿地系统,为该类型人工湿地强化复氧提供设计思路。

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笔者在总结人工湿地强化复氧技术研究成果的基础上,提出了一种强化通气结构设计构想,适用于间歇式或潮汐流运行的小型人工湿地系统,为该类型人工湿地强化复氧提供设计思路。

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