新型復(fù)合流人工濕地處理食品加工廢水的探索(環(huán)保)
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新型復(fù)合流人工濕地處理食品加工廢水的探索(環(huán)保)
陳曉東1， 張帆1， 張華1， 許翼1， 王迪2， 孫文章2
（1．沈陽環(huán)境科學研究院，遼寧沈陽110016；2．沈陽賽思環(huán)境工程設(shè)計研究中心，遼寧沈陽110016）
摘要：針對農(nóng)副產(chǎn)品加工園區(qū)食品加工行業(yè)產(chǎn)生的廢水，在沈陽市輝山明渠河口濕地污水處理廠構(gòu)建中試規(guī)模的新型復(fù)合流人工濕地，通過對比研究明確該濕地對化學需氧量(COD)、氨氮（NH3-N）、總氮(TN)和總磷(TP)的處理效果。結(jié)果表明，垂直流人工濕地(VSF)和復(fù)合流人工濕地(HVC)對COD的平均去除率分別為39.69%、45.56%；對氨氮的平均去除率分別為51.23%、80.96%；對TN的平均去除率分別為35.80%、57.30%；對TP的平均去除率分別為48.80%、80.24%。新型復(fù)合流人工濕地通過靈活的布水方式，營造出適宜微生物生存的溶解氧和溫度環(huán)境，對有機物和氮磷的分解和吸收過程都比較完整。但是，復(fù)合流人工濕地需要控制進水的污染物濃度，超高濃度的污水將使?jié)竦刂参锏纳L和微生物環(huán)境遭到破壞。
關(guān)鍵詞：復(fù)合流人工濕地；垂直流人工濕地；食品加工廢水； 富營養(yǎng)化
中圖分類號：X703.1 doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.020 文章編號：1003-6504,(2016)05-0100-05
人工濕地技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型污水生態(tài)處理新技術(shù)，具有投資少、效率高、抗沖擊、處理效果穩(wěn)定、運行費用低、維護方便和景觀生態(tài)相容性好等特點。按照不同的結(jié)構(gòu)可將其分為表流人工濕地和潛流人工濕地，潛流人工濕地又分為水平潛流濕地和垂直潛流濕地。近年來，人工濕地技術(shù)被廣泛引入到工業(yè)廢水和農(nóng)村生活污水處理中，如英
國倫敦泰晤士河、美國Apopka湖、武漢東湖等均采用了人工濕地技術(shù)。國內(nèi)外學者圍繞濕地的結(jié)構(gòu)、基質(zhì)類型、植物種類以及不同水力負荷條件下的污染物去除率等進行探討。在相同基質(zhì)和植物種植條件下，潛流人工濕地具有更好的凈化效果已達成共識，但對于不同布水方式下人工濕地的處理效果仍存在爭議。比如，聶志丹等針對垂直流、水平流和表面流人工濕地處理富營養(yǎng)化水體的效果進行比較，發(fā)現(xiàn)垂直流人工濕地對氨氮、總氮和總磷的去除
效果最好。然而，高春芳等采用組合生態(tài)工藝對規(guī)�；i場養(yǎng)殖廢水進行處理時，發(fā)現(xiàn)水平潛流人工濕地的去除率更高。因此，針對不同類型的污水，需要選擇不同的布水方式。
為了適應(yīng)綜合型污水中污染物成份變化，針對污水特性調(diào)整濕地水流形態(tài)或組建復(fù)合型人工濕地，對提高污染物處理率均有顯著作用。吳振斌等對比了垂直潛流濕地中上行流和下行流的組合形式，發(fā)現(xiàn)下行流一上行流人工濕地對水質(zhì)改善和水生態(tài)恢復(fù)具有重要意義，且在冬季仍能正常運行。另外，復(fù)合型人工濕地通過組合不同濕地類型，發(fā)揮出綜合處理特性，并逐步成為人工濕地發(fā)展的主流方向。如楊長明等將復(fù)合型人工濕地應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠的尾水處理過程中，發(fā)現(xiàn)其對去除類蛋白和類腐殖酸物質(zhì)等有較強的作用。但是，目前的復(fù)合型人工濕地仍是簡單的流態(tài)組合，如表流與潛流的串聯(lián)或者垂直下行流和上行流的組合，需要建設(shè)多個濕地單元體才能達到污水處理的目的。本文針對農(nóng)副產(chǎn)品加工園區(qū)食品加工行業(yè)產(chǎn)生的富營養(yǎng)化廢水，開發(fā)出復(fù)合流人工濕地(HVC)，將表流和潛流等多種流態(tài)融人同一單元體。同時，開展復(fù)合流人工濕地和垂直流人工濕地(VSF)的中試比較研究，對比分析2種人工濕地對富營養(yǎng)化水體中的污染物指標（化學需氧量COD、氨氮、總氮、總磷等）的處理效率，為農(nóng)副產(chǎn)品加工園區(qū)的污水處理設(shè)施建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗裝置
中試試驗基地位于沈陽市輝山明渠河口濕地污水處理廠內(nèi)，設(shè)置面積相同的(長×寬×深=6.0 mx5.0mx1.8 m)的垂直潛流人工濕地和復(fù)合流人工濕地結(jié)構(gòu)單元進行對比。單元組成由底至上依次為防滲層、倒淤層、填料層和種植層，填料按照“下粗上細”的原則進行填充，濕地內(nèi)種植茭白。其中，垂直潛流人工濕地的水流自上而下流動，結(jié)構(gòu)與其他研究相一致；復(fù)合流人工濕地的結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。圖1中上升的箭頭代表上升水流；下降的箭頭代表下降水流，水平箭頭代表水平流。該類型濕地可靈活布置補水與曝氣，調(diào)整濕地內(nèi)的水流形態(tài)和環(huán)境，以處理各種類型的污水。裝置右側(cè)設(shè)置集水管，將經(jīng)過濕地處理后的水收集到集水渠內(nèi)，由集水渠向外排出，試驗中所取水樣來自復(fù)合流人工濕地集水渠。污水從布水管進入濕地后，通過散水管向各填料層均勻布水。
1.2 進水情況及分析方法
1.2.1 進水情況
試驗為分為2個階段，啟動初期(40 d)采用低濃度污水，對濕地植物進行馴化和養(yǎng)護；運行后期(30d)提高進水污染負荷，采用污水處理廠集水池內(nèi)的高濃度污水（表1）。通過定期取樣檢測分析，對比垂直流人工濕地和復(fù)合流人工濕地在不同污染負荷下對各項水質(zhì)指標的去除效果。農(nóng)副產(chǎn)品加工園區(qū)肉類加工和飼料生產(chǎn)等行業(yè)所產(chǎn)生的廢水中COD和氨氮含量非常高，經(jīng)廠區(qū)二級處理后COD濃度仍然保持在50～150 mg/L，氨氮濃度為30～120 mg/L。
1.2.2 分析方法
從人工濕地的布水管和集水渠采集進出水水樣，采用國家標準方法進行測定，COD采用重鉻酸鹽法；氨氮采用納氏試劑光度法；TN采用堿性過硫酸鉀一紫外分光光度法；TP采用鉬酸銨分光光度法。
2 結(jié)果與分析
2.1 2種人工濕地對COD去除效果比較
圖2為進出水的COD濃度變化和污染物的去除率對比情況。由圖2可知，COD的進水濃度波動較大，啟動初期的平均濃度為48.92 mg/L，之后平均濃度上升至96.83 mg/L。2種人工濕地的出水濃度均與進水濃度保持正相關(guān)關(guān)系，垂直流濕地的平均出水濃度為45.28 mg/L；復(fù)合流人工濕地的平均出水濃度為38.29 mg/L。從污染物去除率來看，2種人工濕地對COD去除率均比較低，分別為39.69%和45.56%。在低濃度階段，垂直流人工濕地對COD處理率相對較高，平均去除率為40.72%；而在高濃度階段，復(fù)合流人工濕地的處理效果相對較好，平均去除率達到54.28%。
與垂直流人工濕地相比較，復(fù)合流人工濕地可同時營造出好氧和厭氧環(huán)境。在厭氧環(huán)境下，微生物進行無氧呼吸，將大分子有機物分解成穩(wěn)定、簡單的小分子有機物。在好氧狀態(tài)下，好氧微生物通過新陳代謝作用將厭氧段未能去除的小分子有機物進行分解，將有機物氧化成二氧化碳、硝酸鹽、水、硫酸根等穩(wěn)定物質(zhì)。在高濃度環(huán)境下，這種好氧和厭氧環(huán)境的協(xié)同作用優(yōu)勢更為明顯，因而處理效果也更佳。但是，試驗也發(fā)現(xiàn)當濃度超過150 mg/L時，濕地對COD去除率將下降，而且對后續(xù)污水的處理也將有明顯影響。
2.2 2種人工濕地對氨氮和TN去除效果比較
圖3和圖4分別為氨氮和總氮的進出水濃度變化和去除率情況。啟動初期，氨氮的平均進水濃度為6.37 mg/L，而總氮為19.52 mg/L;運行后期，氨氮的平均進水濃度為47.63 mg/L，總氮為51.50 mg/L。經(jīng)垂直流人工濕地處理后，低、高濃度階段氨氮的平均出水濃度分別為3.17 mg/L和21.81 mg/L;總氮的平均出水濃度為16.10 mg/L和30.26 mg/L。經(jīng)計算可知，垂直流人工濕地對氨氮的平均去除率為51.23%，而對總氮的平均去除率為35.80%。而在同等進水條件下，復(fù)合流人工濕地氨氮和總氮的平均去除率達到80.96%和57.30%。2個階段的氨氮出水濃度分別為1.65 mg/L和和7.12 mg/L，總氮的出水濃度為11.62mg/L和12.35 mg/L。所以，復(fù)合流人工濕地在處理氨氮方面要明顯優(yōu)于垂直流人工濕地。
在人工濕地污水處理過程中，廢水中的氨氮在各種微生物的作用下，需通過硝化和反硝化2個階段最終形成氮氣[到。復(fù)合流人工濕地中向上補充形成的表流在自重作用下向下滲透，可以加強硝化反應(yīng)過程，有利于好氧硝化菌將廢水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽。之后，在垂直潛流和水平潛流等缺氧條件下，反硝化菌又將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮氣。在表層植被和填料的保溫作用下，復(fù)合流人工濕地的下層溫度很適合反硝化菌的生長，反硝化過程能夠順利進行。因此，復(fù)合人工濕地對氮的去除效果受水體溶解氧(DO)和溫度的影響。在低濃度階段，由于氨氮僅占總氮的32.32%，復(fù)合流人工濕地的硝化過程優(yōu)勢不明顯，總氮的去除率也相對較低。但是在高濃度階段，氨氮占到總氮的92.11%，復(fù)合流人工濕地的去除率明顯高于垂直潛流人工濕地。因此，復(fù)合流人工濕地好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境的結(jié)合，對處理氨氮和總氮有重要的作用。
2.3 2種人工濕地對TP去除效果比較
圖5為總磷的進出水濃度變化趨勢和去除率比較。TP的進水濃度平均為1.45 mg/L;啟動初期的平均濃度為0.57 mg/L，運行后期的平均濃度為2.12mg/L。垂直流人工濕地TP平均出水濃度為0.67 mg/L;復(fù)合流人工濕地的TP平均出水濃度為0.21 mg/L。2種人工濕地對TP的平均去除率均較高，分別為48.80%和80.24%。試驗運行階段，復(fù)合流人工濕地對TP的去除率始終高于垂直流人工濕地，說明復(fù)合流人工濕地較垂直流人工濕地處理效果較好。
由于復(fù)合流人工濕地中的好氧環(huán)境優(yōu)于垂直流人工濕地，在好氧狀態(tài)下聚磷菌能超量地將污水中的磷吸人體內(nèi)合成糖原，使體內(nèi)的含磷量超過一般細菌體內(nèi)的含磷量的數(shù)倍。在聚磷菌群占優(yōu)勢的生物除磷系統(tǒng)中，有明顯的厭氧磷釋放和好氧磷吸收，并且磷的吸收量大于釋放量。因而，微生物的好氧吸磷量將超過厭氧釋磷量及微生物正常生長所需的磷。所以，
復(fù)合流人工濕地中的好氧環(huán)境促進了磷的吸收，處理效果也明顯優(yōu)于垂直潛流人工濕地。
3 結(jié)論
(1)通過對比垂直潛流人工濕地和復(fù)合流人工濕地對食品行業(yè)廢水的處理效果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合流人工濕地對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別達到45.56%、80.96%、57.30%和80.24%，較同等進水條件下的垂直潛流人工濕地分別高出5.87、29.73、21.52和31.44個百分點。
(2)濕地對水體中COD和氮磷的處理受溶解氧和溫度的影響，復(fù)合流人工濕地靈活的布水方式可同時營造出好氧和缺氧環(huán)境，且具有適宜微生物生存的溫度。在好氧和厭氧微生物的共同作用下，人工濕地對污染物形態(tài)轉(zhuǎn)換過程比較完整，對有機物和氮磷的分解和吸收效率較高。
(3)對于處理氮磷含量較高的食品加工行業(yè)廢水，選擇復(fù)合流人工濕地進行深度處理較為合適。但是，需要對污水進行前期處理，控制人工濕地的污染物進水濃度，因此廠區(qū)內(nèi)的二級處理顯得尤為重要。
