自动增氧型人工湿地对废水中COD的去除效果
2022-06-09
【论文摘要】针对常规人工湿地中溶解氧不足的问题，采用页岩空心砖构建自动增氧型人工湿地系统，研究构建系统对废水COD的净化效果。结果表明，自动增氧型湿地内的DO比人工强化曝气型湿地高0.1mg/L左右，COD去除率达到85%以上，比人工曝气型湿地高2%左右。这说明构建的自动增氧系统可提高湿地系统内部供氧能力，提高湿地系统对废水COD的净化效率。
【论文关键词】自动增氧型人工湿地；DO；COD；废水处理；人工曝气
湿地技术是20世纪70年代发展起来的一种新的污水处理工艺，具有投资少、运行费用低、处理效率高、出水稳定，兼具美化环境、可实现废水的资源化等优点[1-4]。作为新型绿色生态水处理技术，人工湿地技术符合国际上强调的可持续与低碳的发展理念，逐渐成为水污染控制方面的研究热点[5]。近年来湿地技术已被广泛用于净化各类污废水，如生活污水、养殖废水、工业废水等[6]。但常规湿地系统中因溶解氧不足而处于厌氧或缺氧状态，抑制了好氧微生物对COD的降解，制约着湿地系统净化能力。湿地系统内部缺氧是导致COD去除效果较差的原因之一。优化湿地结构，最大程度地改善湿地系统内部供氧能力，提高好氧微生物数量和活性，是提高湿地系统净化能力的关键。本研究用页岩空心砖构建湿地系统，改善湿地系统内部供氧能力，设计出一种高效率、低运行费用、低维持费用的人工湿地处理系统用来处理废水，为进一步深入研究湿地系统的净化机理提供基础。
1材料与方法
1.1试验材料
供试材料选用天南星科菖蒲属草本植物菖蒲（Acoruscalamus）。菖蒲具有较强的适应能力，可粗放养护，去污能力强，同时具有观赏性和药用价值。选取生长良好、长势基本一致的菖蒲，植株高度约30cm。
1.2湿地系统构建与运行
湿地系统自上而下分别铺设当地土壤、粉煤灰以及砾石，基质层铺设厚度为21cm。湿地系统中页岩空心砖（图1-Ⅰ）横放，空心砖层中心逐渐向下凹20°～30°（图1-Ⅱ），湿地两侧空心砖与大气相通，便于自动供氧。土壤基质层中铺设布水管道，并种植菖蒲，菖蒲种植密度为10株/m2。湿地基质层底部设置取水孔，用于采集湿地内不同基质层的出水。
湿地系统建好后，待植物生长正常后进行试运行。试运行期间（4月1日至5月3日）采用间歇式进水方，进水流量约为0.3cm3/s，污水处理量约为51.8L。每期进水时间为2d（上午8：00进水），污水在反应器中的停留时间6d，6d后排水，接下来2d系统进入停休阶段。待系统稳定后进行正式试验。试验中每隔7d采样1次，研究基质层DO变化以及基质层对废水COD的净化效果。
试验中以人工强化曝气系统（图1-Ⅲ）为对照，该系统其他配置情况和构建的自动增氧系统完全相同。
1.3分析指标及方法
分析指标为DO和COD。DO测定采用碘量法，COD测定采用重铬酸钾氧化法[7]。
2结果
2.1土壤层DO及COD去除效果
湿地系统泥土层基质废水DO以及对COD的去除率见图2。由图2可知，人工曝气系统土壤基质中DO为0.67～0.73mg/L，COD的去除率为53%左右；自动增氧系统土壤基质DO为0.77～0.85mg/L，COD去除率为55.0%～56.8%。计算得知，自动增氧系统DO比人工曝气系统平均高出0.11mg/L，COD去除率平均高出2.6个百分点。
2.2粉煤灰层DO及COD去除效果
湿地系统粉煤灰基质废水DO及COD去除率见图3。从图3中可以看出，粉煤灰基质中，人工曝气和自动增氧两系统DO分别为0.50～0.55mg/L和0.61～0.68mg/L；其COD的去除率分别为45%～47.6%和47.1%～50.1%。自动增氧系统比人工曝气系统DO高出0.11mg/L，COD去除率平均高出2.2个百分点。
2.3砾石层DO及COD去除效果
湿地系统砾石层基质废水DO以及COD去除率见图4。人工曝气系统砾石层DO为0.65～0.72mg/L，COD去除率为35.4%～40.4%；自动增氧系统砾石层DO为0.51～0.57mg/L，COD去除率为35.1%～39.4%。人工曝气系统砾石基质DO较自动增氧系统平均高出0.15mg/L，这可能与人工系统的砂芯曝气头位于湿地系统底部有关。
2.4系统COD总去除效果比较
湿地系统对废水的COD去除效果见图5。人工曝气系统COD最终去除率为83.3%～85.3%；自动增氧系统COD最终去除率为85.1%～86.7%。计算得知，自动增氧系统COD去除率比人工曝气湿地系统高约2个百分点。
3小结与讨论
人工湿地是一种较复杂的生态系统，湿地系统内部进行着各种物理、化学和生物反应。魏彩春等[8]研究表明，湿地系统对有机污染物的去除是通过湿地植物吸收利用、基质吸附、矿化及湿地内填料上微生物膜联合作用等途径的结果。梁威等[9]也发现，湿地植物在污水净化过程中发挥了重要作用。其作用表现为，一是直接吸收利用污水中的营养物质供其生长发育；二是为微生物的新陈代谢提供良好的生化环境，利于微生物降解有机物质，部分根际微生物还可提高植物对污染环境的适应能力，促进植物对污染物质的降解；三是湿地植物通过光合作用将氧输送至根区，利于微生物的有氧呼吸作用。闻岳等[10]研究认为，生物种群结构多样性对COD的降解有重要作用。付融冰等[11]发现，在一运行稳定的湿地基质中会逐渐形成数量和活性比较稳定的生物群落，且不同空间位置的微生物数量各不相同，一般上层多于下层。吴晓磊[12]研究表明，好氧过程具有更强的有机污染物降解能力。林良琨等[13]研究也证实了这一点，当DO控制在1.5mg/L左右时，湿地系统处理效果最佳，COD降解率可达96.10%；当DO低于1.5mg/L时，DO对COD去除效果影响显著，如当DO为0.5mg/L时，COD降解率仅为41.63%；当DO为1.0mg/L时，COD降解率为84.43%，这是因为当湿地内部氧浓度增加，好氧微生物数量增多、活性增强、反应加快，对COD的降解效率提高，使有机污染物能以较快速度分解。可见DO对COD的去除效果影响巨大，通过改善湿地系统内部供氧能力可有效提高湿地系统的净化能力。
【论文关键词】自动增氧型人工湿地；DO；COD；废水处理；人工曝气
湿地技术是20世纪70年代发展起来的一种新的污水处理工艺，具有投资少、运行费用低、处理效率高、出水稳定，兼具美化环境、可实现废水的资源化等优点[1-4]。作为新型绿色生态水处理技术，人工湿地技术符合国际上强调的可持续与低碳的发展理念，逐渐成为水污染控制方面的研究热点[5]。近年来湿地技术已被广泛用于净化各类污废水，如生活污水、养殖废水、工业废水等[6]。但常规湿地系统中因溶解氧不足而处于厌氧或缺氧状态，抑制了好氧微生物对COD的降解，制约着湿地系统净化能力。湿地系统内部缺氧是导致COD去除效果较差的原因之一。优化湿地结构，最大程度地改善湿地系统内部供氧能力，提高好氧微生物数量和活性，是提高湿地系统净化能力的关键。本研究用页岩空心砖构建湿地系统，改善湿地系统内部供氧能力，设计出一种高效率、低运行费用、低维持费用的人工湿地处理系统用来处理废水，为进一步深入研究湿地系统的净化机理提供基础。
1材料与方法
1.1试验材料
供试材料选用天南星科菖蒲属草本植物菖蒲（Acoruscalamus）。菖蒲具有较强的适应能力，可粗放养护，去污能力强，同时具有观赏性和药用价值。选取生长良好、长势基本一致的菖蒲，植株高度约30cm。
1.2湿地系统构建与运行
湿地系统自上而下分别铺设当地土壤、粉煤灰以及砾石，基质层铺设厚度为21cm。湿地系统中页岩空心砖（图1-Ⅰ）横放，空心砖层中心逐渐向下凹20°～30°（图1-Ⅱ），湿地两侧空心砖与大气相通，便于自动供氧。土壤基质层中铺设布水管道，并种植菖蒲，菖蒲种植密度为10株/m2。湿地基质层底部设置取水孔，用于采集湿地内不同基质层的出水。
湿地系统建好后，待植物生长正常后进行试运行。试运行期间（4月1日至5月3日）采用间歇式进水方，进水流量约为0.3cm3/s，污水处理量约为51.8L。每期进水时间为2d（上午8：00进水），污水在反应器中的停留时间6d，6d后排水，接下来2d系统进入停休阶段。待系统稳定后进行正式试验。试验中每隔7d采样1次，研究基质层DO变化以及基质层对废水COD的净化效果。
试验中以人工强化曝气系统（图1-Ⅲ）为对照，该系统其他配置情况和构建的自动增氧系统完全相同。
1.3分析指标及方法
分析指标为DO和COD。DO测定采用碘量法，COD测定采用重铬酸钾氧化法[7]。
2结果
2.1土壤层DO及COD去除效果
湿地系统泥土层基质废水DO以及对COD的去除率见图2。由图2可知，人工曝气系统土壤基质中DO为0.67～0.73mg/L，COD的去除率为53%左右；自动增氧系统土壤基质DO为0.77～0.85mg/L，COD去除率为55.0%～56.8%。计算得知，自动增氧系统DO比人工曝气系统平均高出0.11mg/L，COD去除率平均高出2.6个百分点。
2.2粉煤灰层DO及COD去除效果
湿地系统粉煤灰基质废水DO及COD去除率见图3。从图3中可以看出，粉煤灰基质中，人工曝气和自动增氧两系统DO分别为0.50～0.55mg/L和0.61～0.68mg/L；其COD的去除率分别为45%～47.6%和47.1%～50.1%。自动增氧系统比人工曝气系统DO高出0.11mg/L，COD去除率平均高出2.2个百分点。
2.3砾石层DO及COD去除效果
湿地系统砾石层基质废水DO以及COD去除率见图4。人工曝气系统砾石层DO为0.65～0.72mg/L，COD去除率为35.4%～40.4%；自动增氧系统砾石层DO为0.51～0.57mg/L，COD去除率为35.1%～39.4%。人工曝气系统砾石基质DO较自动增氧系统平均高出0.15mg/L，这可能与人工系统的砂芯曝气头位于湿地系统底部有关。
2.4系统COD总去除效果比较
湿地系统对废水的COD去除效果见图5。人工曝气系统COD最终去除率为83.3%～85.3%；自动增氧系统COD最终去除率为85.1%～86.7%。计算得知，自动增氧系统COD去除率比人工曝气湿地系统高约2个百分点。
3小结与讨论
人工湿地是一种较复杂的生态系统，湿地系统内部进行着各种物理、化学和生物反应。魏彩春等[8]研究表明，湿地系统对有机污染物的去除是通过湿地植物吸收利用、基质吸附、矿化及湿地内填料上微生物膜联合作用等途径的结果。梁威等[9]也发现，湿地植物在污水净化过程中发挥了重要作用。其作用表现为，一是直接吸收利用污水中的营养物质供其生长发育；二是为微生物的新陈代谢提供良好的生化环境，利于微生物降解有机物质，部分根际微生物还可提高植物对污染环境的适应能力，促进植物对污染物质的降解；三是湿地植物通过光合作用将氧输送至根区，利于微生物的有氧呼吸作用。闻岳等[10]研究认为，生物种群结构多样性对COD的降解有重要作用。付融冰等[11]发现，在一运行稳定的湿地基质中会逐渐形成数量和活性比较稳定的生物群落，且不同空间位置的微生物数量各不相同，一般上层多于下层。吴晓磊[12]研究表明，好氧过程具有更强的有机污染物降解能力。林良琨等[13]研究也证实了这一点，当DO控制在1.5mg/L左右时，湿地系统处理效果最佳，COD降解率可达96.10%；当DO低于1.5mg/L时，DO对COD去除效果影响显著，如当DO为0.5mg/L时，COD降解率仅为41.63%；当DO为1.0mg/L时，COD降解率为84.43%，这是因为当湿地内部氧浓度增加，好氧微生物数量增多、活性增强、反应加快，对COD的降解效率提高，使有机污染物能以较快速度分解。可见DO对COD的去除效果影响巨大，通过改善湿地系统内部供氧能力可有效提高湿地系统的净化能力。