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工业技术论文

不同水力负荷对人工湿地去除猪场沼液效果研究

摘要:选取沸石和石英两种基质构建了水平和垂直流人工湿地为研究对象,考察了不同水力负荷条件下对人工湿地去除猪场沼液的效果。结果表明对猪场沼液去除的效果是随着水力负荷的增加呈现先增大后减小最后达到稳定的趋势。当水力负荷为0.1 m3/(m.h)时人工湿地对猪场沼液中氨氮、总磷、COD的去除都达到最大值分别为85%、98%、90%,是湿地的最佳负荷条件。四种人工湿地中垂直-沸石的去除效果是最好的。本研究将对人工湿地工程处理猪场沼液的实际应用起着重要的指导作用。

关键字:水力负荷;猪场沼液;人工湿地;

 

Treatment effect of Artificial Wetlands to Biogas Slurry of Pig Farm Under different hydraulic loading

Meiling Li1, Zhengliang Diao2,Yaqi Zhou3

(1. Environmental Engineering Center of Geological Engineering Investigation Institute of Sichuan Province, Chengdu 610059, Sichuan, China; 2. Sichuan Provincial Environmental Monitoring Station, Chengdu 610091, China; 3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China)

Abstract: The performance of Artificial Wetlands to Biogas Slurry of Pig Farm Under different hydraulic loading was investigated in Artificial Wetlands Filled with zeolite and quartz sand . The results indicate that the treatment effect Artificial Wetlands to Biogas Slurry of Pig Farm Under different hydraulic loading is increased and then falling ,finally achieve stability. When hydraulic loading is 0.1 m3/(m.h), the Treatment effect of Artificial Wetlands to Biogas Slurry of Pig Farm of NH4+-NTP COD were The biggest and which are 85%、98%、90%. Vertical flow wetland is the best in the four Artificial Wetlands. This study will play an important guiding role in developing artificial wetland project treating the biogas slurry of pig farm.

Key words:  different hydraulic loading;    biogas slurry of pig farm;   artificial wetland;

 

引言


    国内规模化养猪场废水大多数进入沼气池进行厌氧发酵[1],而沼气工程产生的大量沼液仍是高浓度有机废水,具有NP含量高、碳氮比低的特点[2]。而含有大量氮、磷的沼液直接排放会引起富营养化问题,且在许多地区,猪养殖带来的污染已经或正在成为当地主要污染源。因此使沼液能够得到有效的去除具有重大的意义。

人工湿地是自然湿地的人工生态模拟单元,其特点具有出水水质好,运行维护简单,对污水有较强的处理能力,管理方便,投资及  运行费用低[3]。在污水处理方面逐渐受到重视,特别在广大的农村和乡镇地区得到了广泛的运用[4]。影响人工湿地氮磷去除效果的因素, 有湿地基质、植物种类、微生物、水力负荷、污水负荷、停留时间、处理工艺、填料及布水方式等[5 -9]

尽管关于人工湿地对生活污水的处理已有较多的研究, 但关于猪场沼液进行人工湿地进行处理的研究还不多,特别是关于不同水力负荷下人工湿地的猪场沼液处理效果评价研究较少。本研究在模拟人工湿地条件下选取不同的水力负荷研究沸石和石英两种基质在不同的流态湿地的处理效果,为猪场沼液的更好处理提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

基质:选取沸石(河南巩义市)、石英砂(成都市某建筑工地)两种种基质。

水平潜流人工湿地采用方形塑料桶(长×宽×高为0.5m×0.4m×0.30m,有效容积约为50L)制成,分别装填沸石和石英砂为主要基质,中间用隔板隔开,

 


基金项目:四川省教育厅科研基金资助(项目编号:ZT0044)

作者介绍:李美玲,女,1985年出生,四川省地质工程勘察院环境工程中心。

使污水流动距离增加一倍,装置一端进水处设一块挡板。编号分别为沸石-SSFW(水平流人工湿地)和石英砂-SSFW(垂直流人工湿地)(图1.1)。

垂直流人工湿地装置采用圆柱形的PVC管制成,分别装填石英砂和沸石为主要基质,编号为石英砂-VFW(垂直流人工湿地)和沸石-VFW(垂直流人工湿地)。其内径为10cm,柱高为180cm,基质有效填充高度为150cm,有效容积约为50L(图1.2)。

图1.1 水平潜流人工湿地装置

Fig.1.1 horizontal undercurrent artificial wetland plant

图1.2 垂直流人工湿地装置

Fig.1.2  vertical flow constructed wetland system

1.2  实验方法

设置四个人工湿地处理单元,其中水平、垂直潜流各2个。试验在2-4月进行(平均温度T=10-15)。试验选择连续进出水的方式,水力停留时间t=24h-36h,进水负荷q见表1。将植物栽种在模拟湿地装置上并通一段时间水进行稳定,期间通过每天换水方式来促进植物生长,待植物适应环境后加入沼液进行试验,每24h取一次水测定出水中指标的变化情况并进行分析。流程图见图1.3。

表1 模拟系统水力负荷运行条件

Table 1 Simulation system for hydraulic load operating conditions

水力负荷q/ m3/(m.h)

0.05

0.1

0.2

0.4

0.6

图1.3  模拟人工湿地工艺流程

Fig. 1.3 simulation constructed wetland process

1.3系统进水水源

   系统采用在实验室模拟,进水来源于猪场沼液经过铁炭微电解后的污水。污水中主要的污染因子是氨氮、总磷和COD

1.4 分析方法

水质分析化验方法采用国家环境保护局规定的有关标准分析方法[10]对该污水进行检测。CODCr采用重铬酸钾法(GB/T 11914-1987) ; NH4+-N采用纳试剂光度法(GB/T7479-1987); TP采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法(GB/T 11893-1989)

1.5 计算方法

各种湿地单元对溶液中污染因子吸附量qt(mg/g)按式下式计算。

  (1)

式中:Ce为离心后上清液中污染因子的质量浓度,mg/L

C0为溶液中污染因子的初始质量浓度,mg/L

 M为基质用量,g;

 V为溶液体积,L

 

2 结果与讨论

2.1 水力负荷对猪场沼液中氨氮去除影响

根据实验中两种不同基质构建的四个不同类型的模拟人工湿地单元在不同水力负荷条件下氨氮的去除率,绘制成图2.1

图2.1 水力负荷对氨氮去除的影响

Fig.2.1 The influence of hydraulic loading on ammonia nitrogen removal

从图2.1 可知,四种人工湿地单元随着水力负荷的不断增加,氨氮的去除率呈先增加后减小的趋势,后达到稳定。当水力负荷为0.10 m3/(m.h)时四种湿地单元的去除率都达到最大值,其中水平-石英、水平-沸石、垂直-石英、垂直-沸石的去除率分别为75%、80%、84%、85%。其中垂直流湿地的去除率高于水平流湿地,沸石构建的湿地单元大于石英湿地。并且去除率差别还较大,可见水力负荷对人工湿地去除氨氮的影响较大,是人工湿地中氨氮去除的一个重要因素。一般水力负荷越小,污水的停留时间越长,氨氮的去除率越高。出现水力负荷增加而去除率下降的原因是因为水力负荷过小时,污水在湿地系统内的停留时间较长,易使系统处于厌氧状态,从而抑制了硝化作用,导致NH4+-N去除率不高. 而水力负荷过大时,水力停留时间过短,无法达到硝化菌的世代时间,部分硝化菌易随水流带出系统,从而抑制了硝化作用,使NH4+-N去除率下降。

2.2水力负荷对猪场沼液中总磷去除影响 

   实验每24h测定进出水TP浓度,计算其去除率,见图2.2

从图2.2可见,随着水力负荷的增加,四种人工湿地对TP 的去除率表现出先升高后降低最后达到稳定的特点。在水力负荷为0.10 m3/(m.h)时四种湿地对总磷的去除率都达到最大值。其中水平-石英的最大值为96.86%,水平-沸石的最大去除率为97.04%,

垂直-石英的最大去除率为98.13%,垂直-沸石的最大去除率为98.30%。可见沸石基

图2.2 水力负荷对总磷去除的影响

Fig.2.1 The influence of hydraulic loading on TP removal

质好于石英,垂直流好于水平流湿地。出现的原因是由于湿地系统中的磷主要是通过

微生物及植物的吸收和填料的物理化学作用去除的,水力负荷过低,易造成湿地系统中的厌氧,微生物原先在好氧环境下过量吸收的磷又重新释放,致使TP去除率下降. 而水力负荷过大时,污水的流速过大,对填料的冲击也使原先被吸附在填料或植物根茎表面的磷冲出系统,造成TP去除率下降。

2.3水力负荷对猪场沼液中COD去除影响

实验每24h测定进出水TP浓度,计算其去除率,见图2.3

图2.3 水力负荷对COD去除的影响

Fig.2.1 The influence of hydraulic loading on COD removal

从图2.3可知,COD去除率与水力负荷呈非线性关系,COD去除率随水力负荷升高呈现先升高后降低最后达到稳定的特点。去除率最高的情况出现在水力负荷为0.10.10 m3/(m.h)时。四种人工湿地单元中垂直-沸石对猪场沼液的去除效果好于其他的三种湿地单元。因为湿地系统中大部分有机物首先被植物根际、填料表面的生物膜吸附,继而被微生物逐步降解. 随水力负荷升高,部分吸附在生物膜表面的有机物未来得及被降解(即降解滞后)即随出水带出,故使COD去除率下降。

 

3 结论

 (1)四种人工湿地单元即水平-石英、水平-沸石、垂直-石英、垂直-沸石对猪场沼液中氨氮、总磷和COD的去除率都在水力负荷q为0.10 m3/(m.h)时达到最大值。并且去除效果随着水力负荷的增加呈现先增加后减小最后达到稳定的特点。可见水力负荷是影响人工湿地去除猪场沼液的一个重要因素,最佳的水力负荷条件为q=0.10 m3/(m.h)

(2)垂直流湿地的去除效果好于水平流湿地,沸石比石英的去除效果好。因此垂直-沸石是四种湿地单元中去除效果最好的。

 

参考文献:

[1] 王妍艳,张彩莹,安可栋. 改进型波形潜流人工湿地处理猪场废水[J]. 环境工程学 报,2012,29(9):47-52.

[2] 温泉.氧化塘处理猪场废水厌氧消化液的研究[D].硕士学位论文.成都:四川大学,2011.

[3] 张奎,曹文平,朱伟萍等. 人工湿地污水处理技术的研究[J]. 工业水处理,2007,27(8):16-21.

[4] 赵艳红,董文华,郑小飞. 人工湿地在新农村生活污水处理中的应用[J]. 工业安全与环保,2012,38(8):67-69.

[5]  刘益贵, 彭克俭, 成应向. 人工湿地去污机制概述[J].科技创新导报, 2008,(4):81-83.

[6]  谢 龙, 汪德爟, 戴 昱. 水平潜流人工湿地有机物去除模型研究 [J]. 中国环境科学, 2009,29(5):502 - 505.

[7]  汤显强, 黄岁樑. 人工湿地去污机理及其国内外应用现状[J].水处理技术, 2007,33(2):9 - 11.

[8]  谢小龙, 贺 锋, 徐 栋等. 垂直流人工湿地配水均匀性的研究[J].中国环境科学, 2009,29(8):828 -832.

[9]  成水平, 吴振斌, 况琪军. 人工湿地植物研究 [J]. 湖泊科学, 2002,14(2);179-183.

[10] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法( 4)[M]. 北京:环境科学出版社, 2002.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

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