生物炭基质人工湿地处理生活污水效能的实验研究

潘 宇, 孙彩玉, 盛 涛

(黑龙江科技大学 环境与化工学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

作为一种新颖的污水处理工艺,人工湿地越来越多的应用于低浓度污水处理及污水的深度处理中。人工湿地的主要优势在于运行简单、能耗低、景观性强等[1]。在人工湿地处理系统中,基质是极其重要的组成部分,且能够直接影响湿地的处理效果[2]。在以前的研究中,人工湿地常用基质主要包含沸石、白云石、陶粒及砾石。

生物炭是一种高含碳物质,其比表面积更大且吸附性能强,可由秸秆、木屑、粪便等原材料制成[3]。目前,生物炭在含氨氮废水处理、土壤修复及蔬菜大棚土壤改良等具有一定的应用[4],而有关生物炭在人工湿地处理污水中的应用却很少。因此,笔者以市政污水处理厂剩余污泥为原料,制备生物炭,并将其作为基质建立水平流人工湿地,考察生物炭基质人工湿地处理生活污水的各项效能。

1 试 验

1.1 试验底物

本研究用生活污水,取自龙江环保哈尔滨平房污水处理厂旋流沉砂池出水,并储存在碳钢水箱内待用。生活污水各项水质参数见表1。

表1 生活污水水质

1.2 基质准备

1.2.1 生物炭制备

生物炭制备原材料用市政污泥取自龙江环保哈尔滨平房污水处理厂污泥脱水机房,污泥含水率为80%。收集后的市政污泥先用蒸馏水淘洗三遍,再用孔径5 mm的不锈钢筛网进行过滤去掉大颗粒物质。

过滤后的市政污泥放用马弗炉进行高温分解,设定分解终点温度为500 ℃,温升速率为100 ℃/h。分解后的污泥经自然降温后,用机械粉碎机进行破碎,然后用孔径5 mm的不锈钢筛网进行筛分。制备后生物炭主要性能如下:堆积密度0.87 g/cm3,表面积0.21 m2/g,平均粒径6.5 mm,pH值为6.9。

1.2.2 白云石和沸石

白云石和沸石购于宜兴市某环保设备有限公司。白云石和沸石用蒸馏水清洗三遍,室外自然风干,并用孔径5 mm的不锈钢筛网进行过滤。经分析,白云石和沸石的主要性能见表2。

表2 白云石和沸石主要性能

1.3 试验装置

人工湿地试验装置共加工3套,单套尺寸为2.1 m×0.7 m×1.2 m,超高0.1 m。装置内部从下往上依次装设高100 cm的鹅卵石(粒径15～20 mm)和700 cm的基质(粒径3～5 mm)和100 cm的石英砂(粒径2～4 mm)。其中,基质分别填充白云石(R1)、沸石(R2)和生物炭(R3)。生活污水采用磁力泵分别输送至各试验装置,磁力泵频率可调以控制装置表面水力负荷为10 cm/d。装置顶部设多孔式布水管进行布水,底部设多孔式集水管收集出水。各装置侧壁在不同高度设2个取样口,以进行取样检测分析运行数据。装置连续运行时间为300 d,每天取样检测进出水各项污染物指标。

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 人工湿地运行性能

各组人工湿地在启动运行约100 d后,出水各项指标趋于稳定,运行达到稳定状态。各组人工湿地在稳定运行期间对COD和BOD5的去除情况见图1。从图1中可以看出,R1、R2和R3对COD的平均去除率分别为(65.3±1.2)%、(76.6±0.7)%和(82.3±3.3)%,对BOD5的平均去除率分别为(72.9±0.5)%、(83.1±1.7)%和(87.3±0.9)%。由此可见, R3组(生物炭组)人工湿地对COD和BOD5的去除效率最高。

图1 3组人工湿地对COD和BOD5的去除情况 Fig.1 Removal of COD and BOD5 by three groups of constructed wetlands

较R1和R2组,R3组对COD的去除率分别提高了26%和8.7%,对BOD5的去除率分别提高了19.8%和5.1%。Kizito[6]研究发现牛粪生物炭基质建立的人工湿地处理生活污水比白云石和陶粒基质的人工湿地呈现出更高的污染物去除能力,这与生物炭更大的比表面积有关。

表3为其他文献关于水平流人工湿地处理生活污水的数据。由表3可知,本研究生物炭基质人工湿地对COD和BOD5的去除率γ与Fountoulakiset[7]和Zhou等[8]的研究结果接近。他们构建的水平流人工湿地对生活污水中COD和BOD5的去除率分别在71%～76%和78%～87%之间。但本研究结果高于其他类似研究[9-12],这主要与基质类型、运行参数及内部设计等因素有关。

表3 同类研究水平流人工湿地处理市政生活污水性能

图2 3组人工湿地对和TN的去除情况Fig.2 Removal of N and TN by three groups of constructed wetlands

人工湿地对TN的去除主要通过微生物反硝化作用来完成[11]。经检测,各组人工湿地溶解氧含量均小于0.05 mg/L。根据图2,R3组对TN的去除率较R1组和R2组分别提高了35.2%和24.8%。根据以前的研究,这是因为生物炭的高碳特性能够为异养菌提供一定的碳源量,从而提高反硝化效果[6]。

图3 3组人工湿地对TP的去除情况Fig.3 TP removal by three groups of constructed wetlands

2.2 微生物量差异

各组人工湿地运行结束后,在装置300 mm和600 mm高度处,对基质进行取样并进行微生物量分析,分析结果见表4。由表4可知,在同一高度下,不同基质微生物量由高到低为生物炭>沸石>白云石,例如300 mm高度处,基质中的微生物量分别为(26.9±1.1)、(20.6±0.8)和(15.3±1.0) mmol/g。这是因为生物炭具有更高的比表面积,能够为微生物提供更大的代谢空间。

表4 不同基质不同高度下的微生物量

然而,在同一基质中,300 mm处的微生物量要高于600 mm处,这与溶解氧的扩散阻力有关。在基质上部,原水和空气扩散均能为带进一定量的溶解氧,但由于基质的阻力溶解氧往下扩散较慢,从而导致基质上部的溶解氧含量高于下部。该现象与文献[3]的研究结果一致。

2.3 微生物群落分析

3组人工湿地运行结束后对基质进行取样,进行微生物群落分析,结果如图4所示。由图4可知,3组人工湿地基质中微生物群落种类基本相同,但相对丰富度η差异较大。AeromononsPseudomonos菌群在3组人工湿地的相对丰富度均最高,分别为35.5%(R1)、45.8%(R2)和48.5%(R3),为优势菌群。该类菌群是一种典型的好氧微生物,能够在新陈代谢过程中消耗溶解氧降解有机物[13]。R3组AeromononsPseudomonos菌群的相对丰富度要高于R1和R2组,这也是R3组对有机物去除率更高的原因。Bacillus菌群同样为好氧菌群,具有去除有机物的能力,但该菌群相对丰富度较低。R1、R2和R3组的相对丰富度分别为6.2%、9.3%和11.4%,明显低于AeromononsPseudomonos菌群,因此,有机物的去除主要以AeromononsPseudomonos菌群的代谢为主。

图4 各组人工湿地微生物群落及相对丰富度Fig.4 Microbial community and relative abundance of constructed wetlands in each group

Denitrobacter菌群是反硝过程的关键菌群[12],能够利用水中的碳源将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。该类菌群在三组人工湿地的相对丰富度均在8.0%～9.5%之间,差别不大。但在R3组,生物炭基质能够提供部分碳源,导致其TN去除效果要优于R1和R2组。

3 结 论