不同组合人工湿地处理村镇生活污水的应用基础研究

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供氧不足及低温环境是传统人工湿地(CW)处理生活污水时对污染物去除效果降低的主要原因,此外CW的不同组合形式对污染物的去除影响也各不相同。鉴于此,本论文通过平行运行HF-VF(HFCW+VFCW)和VF-HF(VFCW+HFCW)两套复合人工湿地(HCW),研究了不同组合HCW系统处理生活污水的冬季启动特征;然后研究曝气模式、水力负荷和曝气量三个重要因素对HCW处理实际生活污水效果的影响,并在此基础上对HCW处理实际生活污水时系统中氮磷营养物的去除途径进行解析;最后在分析HCW低温处理生活污水效果的基础上,探索了低温环境下HCW处理生活污水的强化策略。主要结果及结论如下:(1)在低温启动期间,对HCW第一级进行气水比为6.5:1的连续曝气,可以显著提高系统内DO浓度,快速提高系统对污染的处理能力。在启动16d后,两组HCW对SS和COD等主要污染物的去除率均趋于稳定,其对SS的平均去除率均大于91.0%,对COD的平均去除率均大于72.0%。此外,冬季低温启动时,HCW中植物分蘖并未停止,植物株高也继续增长,因此,从植物的分蘖和株高变化来看,低温对CW启动影响不大。特别是CW曝气强化启动,使CW短时间内快速达到一定的处理效果,有效降低系统内SS、COD和NH4+-N等主要污染物浓度。(2)在春、夏、秋季5个曝气强化运行阶段中,HF-VF对SS、COD、TN、NH4+-N和TP的去除率分别为96.1%、90.6%、61.6%、98.8%和48.2%,VF-HF对相应污染物的去除率分别为96.9%、87.9%、75.8%、90.3%和48.6%。因此,两HCW对SS的去除效果差异不大,HF-VF对COD和NH4+-N的去除效果优于VF-HF,而VF-HF对TN的去除效果优于前者,而且可确保SS、COD、TN和NH4+-N均达到《城镇污水处理厂排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标准,因而VF-HF是处理生活污水的较佳组合。(3)相同日总曝气量下,连续曝气、间隔1h的间歇曝气和间隔2h的间歇曝气时,HF-VF对COD和NH4+-N的去除率分别为91.1%和98.7%,90.0%和99.5%及91.5%和99.6%,而VF-HF对COD和NH4+-N的去除率分别为86.6%和91.7%,86.4%和89.8及87.9%和94.4%。因此,曝气模式对同一HCW的COD和NH4+-N的去除影响不大,但同一模式下HF-VF对COD和NH4+-N的去除率明显大于VF-HF。此外,当曝气间隔时间从0h增加到1h和2h,HF-VF对TN的去除率分别增加了5.6%和8.4%,而VF-HF对TN的去除率分别增加了11.7%和14.4%,因此增加曝气间隔时间可以提高HCW对TN的去除率。(4)HCW处理实际生活污水时,HF-VF植物根系附近填料表面微生物量、硝化活性和反硝化活性分别是远离植物根系区域的1.6、1.8和1.2倍。VF-HF中植物根系附近填料表面微生物量、硝化活性和反硝化活性分别为远离植物根系区域的2.2、1.5和1.1倍,且系统中微生物的反硝化活性是HF-VF的1.2倍。因此,CW植物根系附近微生物量及活性明显大于非根系区域,且植物根系对微生物硝化活性的影响大于对反硝化活性的影响。(5)湿地植物芦苇茎叶对氮和磷的平均吸收量分别为38.98g N/kg茎叶(dw)和2.96g P/kg茎叶(dw),根部对氮和磷的平均吸收量分别为28.87g N/kg根(dw)和4.17g P/kg根(dw)。HF-VF中芦苇茎叶吸收对TN和TP去除贡献为11.04%和19.21%,根部吸收对TN和TP去除贡献为1.58%和5.12%;VF-HF中芦苇茎叶吸收对TN和TP去除贡献为9.34%和20.88%,根部吸收对TN和TP去除贡献为1.39%和7.76%。因此,芦苇茎叶部分单位干重对TN的吸收量是根部的1.35倍,而根部单位干重对TP的吸收量是茎叶部分的1.41倍。(6)低温条件下对HCW第一级进行曝停比1:2、气水比6.5:1,间隔时间2h的间歇曝气,HF-VF出水COD、TN、NH4+-N平均浓度分别为23.12、28.08和0.24mg/L,与不曝气相比分别提高了26.1%、31.6%和71.5%;而VF-HF出水对应污染物平均浓度分别为26.49、15.13和6.79mg/L,与不曝气相比,分别提高了19.9%、44.4%和55.9%。因此,对HCW进行曝气强化可以弥补冬季植物休眠期泌氧能力有限的缺陷,显著提高系统对COD、TN和NH4+-N的去除。
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