磁场/光催化强化人工湿地净化生活污水的试验研究

熊烈钞, 马荣*, 刘云根, 伏川东, 卢秀秀, 彭丽萍

(1.西南林业大学机械与交通学院, 昆明 650224; 2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室, 昆明 650224)

人工湿地(constructed wetland,CW)作为一种生态型的水处理工艺,通过内部的基质、植物以及微生物的协同作用,能有效削减水体中的污染物浓度[1],近年来被广泛应用于处理城镇和农村生活污水、工业和农业废水、垃圾填埋场的废水以及暴雨径流等[2]。其中垂直流人工湿地具有占地面积小、水力负荷大、对水体中的氮磷去除效果更佳[3]等优点,因而被广泛应用。但是传统的单一人工湿地在实际应用过程中,对污染物的去除功效往往难以完全发挥,对水体中污染物的削减效率低且不稳定[4-5],导致其出水水质高于排放标准,从而污染周围水体环境。因此如何对人工湿地进行优化升级,提高其污水处理的效率是人们关注的热点问题。

将一些现有污水处理工艺应用到人工湿地系统中,是提高传统单一人工湿地水质净化效率的有效手段,人们提出了多种措施来提高人工湿地处理污水的性能:微生物燃料电池技术[6]、生物转盘技术[7]、微电场技术[8]、增加碳源[9]以及其他技术等[10-11]。光催化氧化最早由Fujishima等[12]提出,是通过催化剂作用,在一定的光照(太阳光、紫外光等)下,增强光催化材料的氧化作用,有效促进水体净化(去污、去毒、脱臭)并同时将水体中的污染物分解成无害物质,达到净化水质的目的[13]。郑淑君等[14]通过构建初滤池-垂直流人工湿地-光催化反应器系统,探究该系统对低污染水中氮、磷的净化效果,结果表明在同水力负荷下采用光催化技术可以有效提高人工湿地系统对低污染水中氮、磷的去除效率。Li等[15]将铁矿石矿渣作为光催化剂,构建一个光催化耦合人工湿地的系统,用于处理高盐含铬废水,结果表明,光催化人工湿地组合法相比单一的人工湿地对废水中的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、BOD5和Cr(VI)的去除效果分别提升了36%、11%、13%,并且不会对植物的正常生长产生消极影响,同时有效缩短其处理时间,显著提高人工湿地对水体中污染物的去除率。目前,国内外已有针对磁场强化技术对水体中污染物去除的影响研究,结果均表明通过磁场强化的方式可以显著提高对污水的净化效率[16-18]。磁场可以通过影响水的物理化学性质(絮凝、表面张力和渗透压)[19]以及水体中微生物的生长代谢,从而提高对水体中污染物的去除效率。Wang等[20]研究发现5 mT的磁场可以增强硝化细菌的活性,提高废水中氮的去除效率。Zieliński等[21]对活性污泥反应池施加静磁场(8.1 mT),结果表明反应池中氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)的活性明显增强,使得反应器中硝化反应的时间缩减为对照组的一半,显著提高了污水处理的效率。Li等[22]构建了磁场强化的垂直流人工湿地,结果表明磁场强化后(平均磁场强度为110 mT)促进了对有机物和氮的去除,提高了人工湿地的净化效能,并且不会对湿地植物造成负面影响。

上述表明,采用光催化技术和磁场强化技术均可以有效提高人工湿地对污水的处理效率,这两种技术均有不会对环境造成二次污染、不会影响植物的正常生长、能有效缩短污水处理的时间等显著优点。面对如今愈加严重的水污染问题,尤其是在经济不发达的农村地区,亟需推出一些具有绿色生态型、处理高效的污水处理工艺及设备;人工湿地作为生态型污水处理工艺的典型被广泛应用,但是针对将强化技术与人工湿地组合以此提升人工湿地的净化效能的研究还不够全面。对此现通过采用光催化氧化和磁场强化技术,与传统的单一垂直流人工湿地组合,构建新型的强化型人工湿地,关注不同水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)下两种强化型垂直流人工湿地对水体中污染物的去除效率,以期为强化型人工湿地污水处理工艺及设备的研发提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行

试验总共设计三套装置,其示意图如图1～图3,相关参数如表1所示。

表1 三套装置参数Table 1 Parameters of the three units

图1 生物膜耦合垂直流人工湿地反应器Fig.1 Biofilm coupled vertical flow constructed wetland reactor

图2 生物膜耦合磁场强化垂直流人工湿地反应器Fig.2 Biofilm coupled magnetic field enhanced vertical flow constructed wetland reactor

图3 生物膜耦合光催化强化垂直流人工湿地反应器Fig.3 Biofilm coupled photocatalysis enhanced vertical flow constructed wetland reactor

人工湿地的填料为陶粒(粒径4～6 mm)和砾石(粒径6～9 mm),生物膜单元由直径50 mm的生物膜球内部装填填料组成,内部填料有YDT弹性纤维、火山石(粒径5～8 mm)、砾石(粒径6～9 mm)、海绵、生态垫,装填之后混合使用。所有填料使用之前进行清洗,晾干后按实验设计进行填充。装置前端均为生物膜球单元,宽度均为10 cm,进水通过生物膜球单元预处理后流入潜流人工湿地单元,B-VFCW和BM-VFCW填料从左至右分别为陶粒(15 cm)、砾石(15 cm),BP-VFCW从上至下填料分别为砾石(20 cm)、陶粒(20 cm)。磁场强化装置选用材料为铁氧体,规格为150 mm×100 mm×5 mm,在人工湿地中交错埋放,总共放置6块,均为相吸磁场,用高斯计测得反应器内平均磁场强度为35 mT。光催化强化选用UV紫外线灯管(436 mm×23 mm)4根,功率为17 W,灯管周围填充2 cm厚的TiO2填料,灯管延反应器对角线均匀布置。系统进出水均为上进下出,出水和进水均由阀门控制,统一从出水口采样;整套系统通过潜水泵提供动力循环,进水口进水后先流经生物膜单元,通过筛孔隔板流入后端的人工湿地单元,最后从人工湿地下端出水,出水通过潜水泵抽到进水口,以此循环往复。试验装置搭建完成后,试运行14 d,待系统稳定运行后开始实验。

1.2 实验设计

表2 试验进水水质Table 2 The quality of test influent

2 结果与分析

2.1 不同强化型人工湿地对生活污水处理的差异性

图4 不同强化型湿地对TP和的去除效果Fig.4 Removal effects of TP and under different enhanced wetlands

的去除率平均提高了13.07%。数据表明在进水磷浓度范围为1～2 mg/L时,BP-VFCW对去除磷具有明显优势。

图5 不同强化型湿地对和CODCr的去除效果Fig.5 Removal effects of and CODCr under different enhanced wetlands

2.2 不同进水浓度下两种强化型人工湿地的去除效能

为了表示不同进水浓度下磁场强化人工湿地对污染物的去除效能,分别计算两种人工湿地系统的单位体积累计削减负荷,其计算公式为

(1)

图6 BM-VFCW对的削减效能Fig.6 Reduction efficiency of by BM-VFCW

图7 BM-VFCW对CODCr的削减效能Fig.7 Reduction efficiency of CODCr by BM-VFCW

图8 BP-VFCW对TP的去除效果Fig.8 Effect of BP-VFCW on the removal of TP

图9 BP-VFCW对的去除效果Fig.9 Effect of BP-VFCW on the removal of

2.3 不同HRT对污染物的去除效果

2.3.1 HRT为24 h对污染物的去除效率

图10 HRT为24 h不同强化型湿地对磷的去除效果Fig.10 Phosphorus removal effect of different enhanced wetlands with HRT of 24 h

图11 HRT为24 h不同强化型湿地对和CODCr的去除效果Fig.11 Removal of and CODCr by different enhanced wetlands with HRT of 24 h

2.3.2 HRT为48 h对污染物的去除效率

图12 HRT为48 h不同强化型湿地对磷的去除效果Fig.12 Phosphorus removal effect of different enhanced wetlands with HRT of 48 h

图13 HRT为48 h不同强化型湿地对和CODCr的去除效果Fig.13 Removal of and CODCr by different enhanced wetlands with HRT of 48 h

2.3.3 HRT为72 h对污染物的去除效率

图14 HRT为72 h不同强化型湿地对磷的去除效果Fig.14 Phosphorus removal effect of different enhanced wetlands with HRT of 72 h

图15 HRT为72 h不同强化型湿地对和CODCr的去除效果Fig.15 Removal of and CODCr by different enhanced wetlands with HRT of 72 h

3 讨论

3.1 磁场强化对人工湿地去除污染物的影响

3.2 光催化强化对人工湿地去除污染物的影响

适当的光照强度和光照时间,可以有效促进水体中有机污染物的去除,随着光照时间的增长或光照强度的增加,对水体中CODCr的去除率和脱色率大大提高[42],这是由于TiO2催化剂产生的光生电子-空穴(h+-e-)对增多,水体中具有强氧化性的羟基自由基也增加,使水体中污染物的降解速率提高。当光照时间过长时,会激发催化剂内部产生大量的电子空穴,同时过长的HRT会使水体环境会呈现缺氧状态,因此作为捕获剂的O2含量减少,导致生成的大量的电子空穴对不能被及时捕获而迅速复合失去其催化活性;此时的光反应速率与电子空穴的产生无关,而与载流子转移和捕获过程有关[41],因此造成了随光照时间增加,其反应速率会降低,导致对污染物的去除逐渐减缓,本研究的结果与此相似。本研究的数据表明,对于BP-VFCW不适于设置较长的HRT,并且HRT为48 h其去除率最佳,随HRT的延长,其去除污染物的效率出现平缓甚至下降。

3.3 HRT对人工湿地去除污染物的影响

4 结论