人工湿地深度处理医院污水的研究
摘要：以人工湿地系统处理医院污水处理站二级处理出水, 以达到深度降解并去除TN 的目的。设计总面积782 m2 人工湿地系统, 其中自由表面流型( FWS) 人工湿地450 m2 和潜流型( SSF) 人工湿地186 m2 , 最后连接生态景观池面积146 m2 , 每日平均抽取30 m3 污水( 二级处理出水) , 水力负荷为0. 05 m/ d。早期运行结果显示, TN 去除率为44% , NO-3-N 去除率FWS 湿地为15%, SSF 湿地为34%。试验进行到稳定运行期, 调高流量至70~ 100 m3 / d, 水力负荷为0. 11~ 0. 16 m/ d, 结果显示,NO-3-N 去除率达68%; 比较FWS 与SSF 湿地的NO- 3-N 的去除速率,FWS 湿地为2. 48 g/ ( m2 d) ,SSF 湿地为3. 61 g/ ( m2 d) 。SSF 湿地对NO-3-N 的去除效能比FWS 湿地好。
关键词：医院污水,人工湿地,自由表面流型,潜流型,总氮,硝酸氮
嘉义县位于台湾省中部地区, 属于亚热带季风气候, 全年气温以7 月最高, 1 月最低, 年平均温度 23. 3 ℃; 雨量丰富, 年平均降雨量2 000 mm。嘉义县慈济医院污水处理站处理量1 000 m3 / d, 出水水质指标除T N 之外均符合台湾省2007 年放流水标准( 环保署0960065740 号) 。本研究以人工湿地作为深度处理设施以求达到降低TN 的目的。
1 湿地设置情况
湿地系统总面积约1 000 m2 , 其中:①自由表面流型(FWS)人工湿地450 m2 , 水深为30~ 100 cm, 水流径道的孔隙率约为0. 8, 湿地中种植芦苇、莎草、香蒲、水芙蓉等水生植物。②潜流型( SSF) 人工湿地186 m2 , 水深约为100 cm, 填充的滤材包括砾石、牡蛎壳两种, 孔隙率为0. 45, 系统中种植香蒲、荸荠、培地茅等水生植物。③生态景观池146 m2 , 其功能一方面能够持续吸收水中的营养盐, 另一方面可以水生植物作为生物指标, 观察其生长状况以了解水质净化的情况。同时也可作为园区景观规划的一部分。池中以水生植物为主体, 这些水生植物除了具有观赏的功能外, 还兼具持续吸收水中营养盐及提供各类生物栖息场地的功能。④步道与花木200 m2 , 基地剩余部分规划为系统维护管理空间, 亦可整理成为参观休憩的园区。场地周围有断面尺寸宽×深= 1 m× 0. 7 m 污水处理厂出水水渠, 人工湿地系统流程及采样点布置见图1。
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本研究分三个阶段, 启动期: 2006 年8~ 11 月, Q= 30 m3 / d, 水力负荷为0. 05 m/ d; 稳定操作期Ⅰ: 2007 年4~ 6 月, Q= 70 m3 / d, 水力负荷为0. 11 m/ d; 稳定操作期Ⅱ: 2007 年7~ 12 月, Q= 100 m3 / d, 水力负荷为0. 16 m/ d。
2 启动期
人工湿地系统自2006 年8 月开始启动, 运行10 周后各项水质平均值如表1 所示。由于本湿地系统的进水为医院污水处理站的二级出水, 除NO-3- N 外, 进水各项水质指标均较低, 经人工湿地处理后, 可进一步削减污染量, 减少对环境的污染。
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表1 中数据显示NO-3-N 浓度在人工湿地中逐渐下降, 湿地出水NO-3-N 为14. 68 mg/ L, 去除率53%, 但其去除效率未达到文献报道值[ 1, 2] 。由于医院污水处理站已去除了大部分的有机物, 人工湿地系统进水的BOD5 与CODCr 均较低, 在进水有机物不足的条件下, 人工湿地进行化硝化作用所需的碳源必须依赖湿地中的植物, 试验中FWS 湿地的植物生长密度正逐步提高, 而SSF 湿地的植物生长密度仍不高, 因此湿地的植物所能提供的碳源仍十分有限, 湿地在NO-3-N 去除上的表现不如预期。
NO-3-N 去除率FWS 湿地为25%, SSF 湿地为36% , SSF 湿地对NO- 3-N 的去除比FWS 湿地明显。FWS 湿地的植物体可以直接存留于水体中提供碳源, 进行硝化作用。SSF 湿地的植物则因石头介质的阻隔, 无法直接获得碳源, 然而SSF 湿地的石头介质可以提供比FWS 湿地更多的表面积供硝化菌生长, 此外SSF 湿地进行硝化作用所需的碳源除了可由植物体根部提供外, 还可由FWS 湿地水体中尚未被微生物所完全利用的碳源, 进入SSF 湿地中获得。同时FWS 湿地中由于光合作用使得 DO 维持相当高的浓度( 4. 9~ 5. 7 mg / L) , 进而抑制硝化反应的发生, 反观SSF 湿地中DO 浓度较低 ( DO 为1~ 2. 4 mg/ L) , 这也是SSF 湿地较适合硝化作用的原因之一。
3 稳定操作期
于2007 年3 月将进水流量控制为70 m3 / d, 水力负荷为0. 11 m/ d。表2 为4 个月后各项水质平均值。此期间湿地对污染物的去除效果明显较启动期高。例如TP, 经人工湿地处理后, 有较明显的去除效果, 从4. 84 mg/ L 降低至2. 34 mg/ L, 去除率58%。
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湿地除磷主要依赖湿地中底泥等介质的吸附, 以及植物与微生物的摄取。由于人工湿地已经运行半年以上, 湿地中的介质对磷的吸附可能已达饱和, 因此湿地中磷的去除主要为植物与微生物摄取。另外, 从表2 可看出FWS 湿地中的DO 维持在4 mg/ L 以上, SSF 的DO 维持在2 mg/ L 以上, 即使在较不易受到日光照射而衍生藻类的SSF 湿地系统, 仍可维持一定的DO 浓度, 主要因为湿地中耗氧的有机物浓度并不高。
从表2 可看出, NO- 3-N 去除率68. 12% , 此去除率已与文献报道值相当[ 1,2] , 该人工湿地已经进入稳定适应期。进一步比较FWS 与SSF 湿地对 NO- 3-N 的去除效能, FWS 湿地的NO- 3-N 去除率为43%, SSF 为44%, 两者相当, 然而FWS 的 NO- 3-N 去除速率为2. 48 g / ( m2 d) , SSF 的去除速率为3. 61g/ ( m2 d) , SSF 湿地对NO- 3-N 的去除效果比FWS 湿地优越。
4 稳定操作期Ⅱ
于2007 年7 月将流量控制为100 m3 / d, 水力负荷为0. 16 m/ d。表3 为6 个月后各项水质平均值, 此期间湿地已经完全稳定运行。
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比较启动期与稳定操作期Ⅰ、Ⅱ, 人工湿地对于 NO- 3-N、T P 的去除速率如图2、图3 所示。稳定操作期的人工湿地中各点去除速率均比启动期高, 另外值得注意的是在稳定操作期, 采样点①的 NO- 3-N 去除速率远高于其他各采样点, 主要原因为湿地入流段底泥中的硝化菌受高浓度N O- 3-N 刺激, 硝化活性远高于湿地中其他各点, 使湿地入流段的N O- 3-N 去除比其他各点优越; 反之, 在湿地启动适应期阶段并无类似的情形发生, 显示湿地底泥中的硝化菌同样处于适应期。采样点①总磷的去除速率也高于其他各采样点, 主要原因是该处放置了水芙蓉等浮水性植物, 在经常打捞的情况下, 水芙蓉可持续增长并摄取水中的磷[ 3, 4] 。
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另外, 稳定操作期湿地对其他污染物去除不如启动期( 如NH3-N、T P 等) , 主要原因为启动适应期的湿地植物生长快速, 对营养盐的需求量较大, 故即使进入湿地中的营养盐浓度相当低, 经湿地处理过后, 仍可获得一定的处理效果, 因此若要使人工湿地对营养盐等污染物保持良好的去除效果, 需对植物进行适当的采收, 使湿地中的植物保持一定的生长速率。
5 长期运行情况
人工湿地完工后必须持续管理与维护, 湿地的功能才能持续发挥, 本研究的人工湿地于2007 年6 月完工后, 进行试验操作的时间约为1. 5 年, 待研究所需的数据收集完整后, 人工湿地的运行与维护即完全交由慈济医院进行管理, 至目前已正常运行3 年。后续的运行管理维护状况, 以及湿地是否仍维持当初试验时的功能, 是值得关注的课题。因此本文作者于2009 年7 月6~ 20 日前往该湿地场址采集水样进行分析, 并记录处理流量, 以了解其后续的运行维护状况与功能评估。
TN: 2009 年7 月7 日、21 日医院污水处理站曝气量减半, 出水BOD5 依然很低, 原先在启动期、稳定操作期Ⅰ、稳定操作期Ⅱ湿地出水NH3-N 浓度较小, NH3-N 在2009 年7 月7 日为30. 94 mg/ L、 21 日为57. 44 mg/ L, 浓度增加; NO- 3-N 在7 月7 日为0. 43 mg/ L、21 日为0. 12 mg/ L, 浓度减少; 氮的种类由原来的NO- 3-N ( 由约37 mg/ L 降低为 0. 4 mg / L) 变成NH3-N( 由原来的0. 45 mg/ L 增加为30~ 57 mg / L) , 显示目前湿地存在硝化和反硝化作用, 与文献研究结果一致[ 5, 6] 。
TP: 2009 年7 月7 日测得数据T P 进水3. 6 mg/ L, 出水7. 8 mg/ L, 浓度不减反增, 是因为没有进行植物采收, 植物在水中腐烂而释出磷。次日进行植物采收后, 于21 日测得T P 进水8. 2 mg/ L、出水6. 1 mg / L, 浓度降低。
6 结语
( 1) 医院污水处理站二级处理出水中, T N 组成主要污染物为NO- 3-N ( 约占TN 的80%~ 90%) , 平均浓度约为31. 04 mg / L, 经FWS 湿地处理后, 浓度降低至23. 1 mg/ L, 再经SSF 湿地处理后, 浓度可降低至14. 68 mg/ L, FWS 的N O- 3-N 去除率约为26%, SSF 湿地约为36% , 整个湿地的N O- 3-N 去除率为53% 。显示SSF 湿地对于NO- 3-N 的去除效能比FWS 湿地好。
( 2) 研究过程中发现, 医院污水处理站出水有机物平均浓度很低( BOD5 < 10 mg/ L) , 这种状况不利于有机碳源的硝化反应, 使本研究的脱硝化速率常数较低, 解决方法如下:①适当减少污水处理站的曝气量。因为台湾省环保署的放流水标准规定BOD5 低于30 mg/ L 即可, 因此减少污水处理站的曝气量不但能够节省能源, 同时也可增加人工湿地系统中有助于硝化反应的有机碳源, 但曝气量减少过多会造成硝化作用的不完全。②等待人工湿地系统运行稳定。长期运行后的人工湿地系统中, 会累积一些植物体残渣, 这些植物体在水体中会逐步释放出有机物, 增进硝化作用。不过这种方法仅对FWS 湿地有效, 同时也较难控制。③将部分医院污水处理站的进水引入人工湿地系统。因为污水中含有较高的BOD5 , 可为硝化所利用, 人工湿地本身同时也具有硝化作用去除氨氮, 可起到减少医院污水处理站负荷及降低TN 的作用。
( 3) 虽然SSF 湿地硝化效能较佳, 且所需的土地面积较少, 但是相对于FWS 湿地其造价要高出许多。
参考文献
1 高廷东, 卢继承, 林贞贤. 一体化装置 潜流人工湿地处理生活污水的研究. 给水排水, 2008, 34( 11) : 161~ 164
2 李亚峰, 田西满, 刘佳. 人工湿地处理北方小区生活污水. 中国给水排水, 2009, 25( 12) : 53~ 56
3 李松, 单胜道, 曾林慧, 等. 人工湿地/ 稳定塘工艺处理农村生活污水. 中国给水排水, 2008, 24( 10) : 67~ 69
4 谢龙, 汪德爟. 花叶芦竹潜流人工湿地处理生活污水的研究. 中国给水排水, 2009, 25( 5) : 89~ 91
5 黄娟, 王世和, 鄢璐, 等. 潜流型人工湿地硝化和反硝化作用强度研究. 环境科学, 2007, 28( 9) : 65~ 69
6 贺锋, 吴振斌, 陶箐, 等. 复合垂直流人工湿地污水处理系统硝化与反硝化作用. 环境科学, 2005, 26( 1) : 47~ 50
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