潜流人工湿地堵塞物分布研究

2017-03-15 05:50:58 2

  1 引言

  堵塞、短流及死区问题是制约人工湿地工程化应用的瓶颈.科学的床体结构设计及合理的运行方式是保证人工湿地高效运行的前提.国内外许多学者研究了湿地堵塞的影响.湿地堵塞后水平潜流湿地与垂直流湿地的水力停留时间都发生了变化.也有学者对人工湿地堵塞的各种物理,化学和生物因素进行了讨论.本课题组前期研究发现,根据填料渗透系数将填料进行分层填充的人工湿地在处理微污染水体时取得了净化效果及水力性能的显著提升,而在处理污染物浓度相对较高的原生活污水时,人工强化曝气是保证净化效果的有效手段.目前关于人工湿地曝气的研究主要集中在曝气对有机物、氮、磷等污染物净化效果的提升、曝气量的确定等方面,关于曝气与人工湿地床体堵塞关系方面的研究还鲜有报道.鉴于此,本研究以分层结构人工湿地为主体,通过堵塞物组分分析、电镜扫描及能谱分析等方法,探讨强化曝气对人工湿地堵塞物分布规律的影响,研究结果为人工湿地系统的工程应用提供理论依据和技术支持.

  2 材料与方法

  2.1 试验装置及取样点

  构建曝气及未曝气水平潜流人工湿地对比小试实验系统,两系统尺寸及结构相同,长度为100 cm,宽度为50 cm,填料高度为85 cm,进水端及出水端各设置长度为10 cm布水区和集水区,填充粒径为30~50 mm鹅卵石,主体填料区域长度为80 cm,石英砂填料(w(SiO2)%:≥45,w(MgO)%:≥29,w(CaO)%:≤3.5,w(Fe2O3)%:≤1.5),采用分层填充方式,由表层到底层填料渗透系数分别为6、12、25、55、143 m·d-1,床体种植美人蕉,种植密度为20株·m-2.曝气人工湿地中曝气系统由气泵、导气管和穿孔管3部分组成,考虑到进水端水体中污染物浓度较高,易形成厌氧环境,加之池体底部多为水流死区,因此,穿孔曝气管水平铺设在进水端主体填料区池底以上10 cm处.

  曝气与未曝气人工湿地进水采用桂林市七里店污水厂进水井出水,其中氨氮、COD、总磷浓度分别为(21.45±10.81)、(92.67±20.5)及(2.4±1.5)mg·g-1,实验采用连续进水的方式,水力停留时间为24 h,其运行过程中净化效果良好(白少元等,2014),人工湿地运行近3年后开展本试验.取样方法如下:分别在未曝气人工湿地(A)及曝气人工湿地(B)中设位置相同的6个取样点采用五点取样法进行分层取样,其中1号取样点位于距进水溢流堰20 cm处池体中线上,距填料表面10 cm,2、3号点位于1号点正下方,相邻两个取样点间垂直距离为25 cm;4、5、6号点位于距出水溢流堰20 cm处池体中垂线上,与1、2、3号点相对应;未曝气人工湿地系统6个取样点相应编号分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6,曝气人工湿地系统取样点相应的编号依次为B1、B2、B3、B4、B5和B6(图 1).

  图 1

  图 1 曝气人工湿地装置及采样点示意图

  2.2 试验方法

  2.2.1 累积物分析方法

  从6个取样点各取50 g基质样品用100 mL蒸馏水轻轻冲洗,将水洗液平均分为两份,每份50 mL,其中1份经0.45 μm滤膜过滤后在103~105 ℃蒸干后称重,得到溶解性固体质量,然后在600 ℃下灼烧至恒重,得到溶解性固体灼烧后质量;另1份水洗液则直接经103~105 ℃蒸干后称重,得到总固体质量,然后在600 ℃下灼烧至恒重,得到总固体灼烧后质量.则50 mL水洗液中:可溶有机物质量=溶解性固体质量—溶解性固体灼烧后质量;不可溶有机物质量=总固体质量-总固体灼烧后质量-可溶有机物质量;水洗液中各种有机物质量分别减去空白值即为基质间各种有机物成分的质量(叶建锋等,2008).

  2.2.2 电镜及能谱分析

  取样后,将代表性基质样品分别置于广口瓶中,并放入100 ℃的烘箱内烘干.样品干燥后,选择平整断面用导电胶将其牢固粘贴在样品托板上并编号,随后,将样品放进真空蒸发镀膜仪进行喷镀金膜,使金粉均匀附在样品表面,以保证样品有良好的导电性能,最后用JSM-6380LV型扫描电镜(日本)进行观察及X射线能谱仪分析(IE 350,英国).

  3 结果与讨论

  3.1 对比人工湿地基质堵塞物分布规律

  对比人工湿地系统填料堵塞物分布如图 2所示,其中A1~A6取自未曝气人工湿地系统,B1~B6为曝气人工湿地填料样品,实验期间两人工湿地溶解氧分布情况如图 3所示.两系统在堵塞物组分、堵塞物随系统长度及深度方向上分布规律如下:

  图 2

  图 2 对比人工湿地系统累积物分布

  图 3

  图 3 对比人工湿地系统溶解氧分布

  1)在堵塞物组分方面,两系统中堵塞物累积总量相当,且基质间无机物积累总量均显著高于有机物积累总量.未曝气及曝气填料样品中,堵塞物平均累积量分别为5.18 mg·g-1及5.21 mg·g-1,其中无机物含量所占比例的平均值分别为71.6%和84.4%,相应的,有机物所占总堵塞物平均比例仅为28.4%和15.6%,且以不可溶有机物为主,这一结果与Pedescoll等研究结论相似(Pedescoll et al.,2009).由此可见,堵塞物中无机物主要来源于两部分,一是随原污水进入系统的无机颗粒物,二是水流冲刷床体基质产生的细小无机填料颗粒.对于曝气系统来说,由于曝气产生气流对水流的扰动作用,加速了对填料的冲刷作用,使得填料堵塞物中无机物比例进一步增大,如图 3所示,未曝气人工湿地平均溶解氧为2.97 mg·g-1,曝气人工湿地中的溶解氧为4.19 mg·g-1,相应的,未曝气系统与曝气系统无机物平均累积量分别为3.8 mg·g-1及4.4 mg·g-1.曝气人工湿地系统在较高的溶解氧状态下增加了系统中微生物代谢活性,提高了对水体中有机物的代谢能力,使得有机物总累积量降低,未曝气系统与曝气系统有机物平均累积量分别为0.77 mg·g-1及0.46 mg·g-1.目前的研究表明,堵塞的形成主要是由于较低的氧化还原电位造成的微生物胞外聚合物的快速蓄积,并与多糖类、聚尿类等物质形成低密度的孔径为纳米级的凝胶网状结构,拦截无机、有机颗粒物造成的.由此可见,曝气通过降低有机物累积量,在一定程度上,能够有效缓解堵塞的形成.

  2)堵塞物组分在床体垂直的变化方面,两系统中,基质累积物总量、可溶有机物、不可溶有机物与无机物含量随着垂直方向的增加而增大.推测其原因可能在于分层填充方式,使水流分布趋于均匀,底层较大的孔隙率使过水通量增加,颗粒物在水流夹带及重力作用下进入并积累在填料底层.但值得注意的是,不同累积物组分在垂直方向上分布差异较大.对于未曝气人工湿地系统来说,表层的堵塞物总量占底层的32.3%,但表层堵塞物中可溶有机物含量及不可溶有机物含量分别占底层的42.2%和42.8%,而表层无机物含量占底层的28.8%.比较而言,曝气人工湿地系统中,表层的堵塞物总量占底层的36.6%,表层堵塞物中可溶有机物含量及不可溶有机物含量分别占底层的44.8%和46.1%,而表层无机物含量占底层的35.2%,即曝气使有机物降解较为充分,累积量相对较少,与DO分布情况对比可知,堵塞物含量与溶解氧含量呈负相关关系,溶解氧较高的区域堵塞物含量较少.此外,曝气给水流带来的扰动,使堵塞物在垂向上的分布更为均匀.

  3)两对比系统中出水端堵塞物累积量略高于进水端.未曝气的人工湿地系统A1~A6 6个样品中,进水端累积物的总量由表层向底层分别为2.41 mg·g-1、4.53 mg·g-1和7.49 mg·g-1,相应的,出水端累积物总量分别是2.69 mg·g-1、5.87 mg·g-1和8.26 mg·g-1,出水端的累积物总量比进水端分别高出11.60%、29.42%和10.28%;而曝气系统的B1~B6 6个样品中,进水端累积物总量由表层向底层分别为2.40 mg·g-1、4.94 mg·g-1和7.37 mg·g-1,相应的出水端累积物总量分别为3.11 mg·g-1、5.62 mg·g-1和7.68 mg·g-1,出水端的累积物总量比进水端分别高出29.50%、13.92%和4.27%,考虑原因与水流在反应器中的推流运行并逐渐积累有关.对比两系统发现,进水端底部加装曝气装置后,使出水端表层累积物较未曝气系统略有增加,而底层累积物略有降低.而总体而言,曝气使堵塞物累积空间分布略有变化,但总体累积规律改变不大.

  3.2 对比人工湿地基质电镜及能谱分析 3.2.1 未曝气人工湿地基质电镜及能谱分析

  未曝气人工湿地床体表层及底层填料电镜及能谱分析结果如图 4、5所示.从图中可以看出,尽管扫描电镜样品经过了脱水、干燥和镀金等前处理,样品在一定程度上脱水变形,但仍可以看出,未曝气人工湿地系统表层基质表面主要呈现片状结构,且有些许孔隙存在,被认为是底物与营养物质的传递通道.比较而言,下层基质表面只要呈现丝缕状结构,表面紧实,且更为光滑(图 4).

  图 4

  图 4 未曝气人工湿地上层基质电镜及能谱分析图

  元素分析显示,基质表层的化学组成元素为O、Fe、Si、Al、K、Mg、C、N等元素(未标注的波峰是喷的金),其中O、Fe、Si出现较大波峰,其主要来源于石英砂填料自身化学组分,而K、Mg、Al、C、N波峰较小,其中C、N、K等元素主要来源于污水中有机物及生物膜物质.床体底层填料主要组分同样为Si、Fe、Al、C、O等元素,但总体而言且种类比上层基质元素少.这进一步证实了前面对堵塞物组分分析结果,堵塞物以无机物为主,有机物累积量所占比例很小.床体表层与大气接触,溶解氧状态相对较好,微生物较为活跃,加之植物根系较为密集,因此有较为丰富的C、N、K等元素.

  3.2.2 曝气人工湿地基质电镜及能谱分析

  曝气人工湿地系统床体表层及底层的填料电镜及能谱分析结果如图 6、7所示.图 5可以看出上层基质表面主要呈显片状结构,且有较大孔洞存在,被认为是底物与营养物质的传递通道(符波等,2009).比较而言,下层基质表面只要呈现絮状结构,表面更为平整.

  图 5

  图 5 未曝气人工湿地下层基质电镜及能谱分析图

  图 6

  图 6 曝气人工湿地下层基质电镜及能谱分析图

  图 7

  图 6 曝气人工湿地上层基质电镜及能谱分析图

  能谱分析结果显示,曝气系统表层及底层元素种类均显著高于未曝气系统,在图 5、6中,除了与未曝气系统相似的Si、Fe、O等元素峰值较大外,还均出现了Ti、Mn、Al、K、C、N、Ca、P、Cl等生物体有机物组成所必须的元素.由此可见,曝气系统改善了床体的氧化还原状况,使微生物在床体表层及底层的分布范围更为广泛.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  4 结论

  1)两系统中堵塞物组成均以无机物为主,有机物以不可溶性有机物为主.

  2)曝气对堵塞物化学组分影响较大,曝气使堵塞物中有机物组分含量减少,无机物含量增加,但对堵塞物总量差异不显著.

  3)曝气对堵塞物在水平及垂直方向的分布影响不大,在此人工湿地设计及运行条件下,两系统在堵塞物分布方面呈现相似规律,即底层累积物含量略高于表层,出水端累积物含量略高于进水端.

  4)电镜及能谱分析结果显示,由于曝气提升了床体中溶解氧水平,使得累积物中元素丰度增加,总体表现为,曝气系统较未曝气系统丰富,表层元素较底层丰富.

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