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轻骨料填充复合人工湿地对于爱沙尼亚校舍污水的净化

摘要：本文分析了爱沙尼亚·派斯图的一所基础学校的的污水在复合型人工湿地系统中有机物、悬浮物、氮、磷的净化效率和去除率。人工湿地系统由两座使用轻骨料的潜流滤床：一个二室垂直潜流滤床后跟水平潜流滤床，占地面积432平方米。在2002年夏天这个系统由塔尔图生态工程中心修建。从2003年10月30日到2005年10月15日承担了十八种水样品。分析表明该系统的净化效果显著：对于BOD7平均净化率为91%；总悬浮固体为78%，总磷为89 %，总氮63 %，而氨氮为77 %。对上述参数的平均出口值分别为5.5、7、0.4、19.2和9.1mg/l。根据我们的结果，净化指数达到了爱沙尼亚污水处理厂排放标准2000–9999 PE：BOD7，TSS和总磷分别为15，25，和1.5mg/l。结果表明，混合系统组成的地下水流滤床可以有效地工作在不断变化的水力负荷和相对寒冷的气候条件下。在温暖的（可能十月）和寒冷（十一月到四月）期间，我们没有发现在去除效率、质量去除、大多数水质指标的一级速率常数之间的显着差异。本地生产的轻质骨料在人工湿地系统中作为过滤材料已显示出良好的水力传导率和对磷的吸附能力（K = 17.1plusmn;12.4myr^minus;1）。派斯图的复合型人工湿地系统，以其特有的设计和卓越的净化效果，可以认为是爱沙尼亚最好的系统之一。

关键词：BOD 复合人工湿地 k-C^*模型 轻骨料 去除率 氮 磷 处理效果

1、简介

人工湿地已显示出其从不同来源的污水中去除大量的有机物质、氮和磷的能力。在人工湿地系统中，潜流滤床被认为是适用于寒冷地区的。水平潜流滤床通常可以可靠地去除BOD和总悬浮固体，但他们不能够以充足的速率来传输氧气从而达到完全硝化。人们普遍认为，氮在人工湿地系统中的主要去除机理是氨化和硝化/反硝化。在水平潜流条件下的人工湿地系统通常是缺氧或厌氧状态，更高的氮去除率的主要障碍是硝化率。结合水平潜流湿地和垂直潜流湿地并综合彼此之间的弱点，有可能设计一个系统能够成功地去除BOD、总氮、总磷和TSS。这些组合的系统仍然称为复合人工湿地系统，并且垂直潜流滤床通常是作为一个预处理系统用来为有机物矿化和硝化提供足够的氧气量。然而，对于磷的去除，过滤介质的质量（粒度分布，PH值，比表面积，和铝，铁和钙离子的含量）是特别重要的。轻骨料或光膨胀粘土骨料（陶粒）已经显示出了良好的渗透性和对磷的吸附能力。这些过滤基层必须以较低的成本大量可用，并且对磷有持久的吸附能力。挪威产的新一代的轻质骨料PTM滤料，主要是为磷的吸收而发展出来的。这种新的轻质骨料是一种以伊利石为主的粘土矿物，并且有高pH值和高含量的钙和镁。在饱和后，这种材料可以作为一种替代肥料在农业上使用。等人在2004年表明，在轻质骨料中积累的所有无机磷具有易溶性、流动性并且可供植物使用。在爱沙尼亚，在水平潜流复合人工湿地系统中最常用的过滤材料是本地的沙子。然而，有广泛的证据表明，当地的沙子只能在5 - 6年内有效地去除磷，5-6年之后他们就会饱和。因此，新型过滤材料对人工湿地系统的成功运作是非常重要的。

本文的主要目标是：（1），为了确定轻质骨料填充的复合型人工湿地系统处理爱沙尼亚派斯图的一所基本学校的废水过程中有机物、悬浮物、氮、磷的净化效率和质量（2）分析在寒冷时期对于派斯图人工湿地连续净化过程的影响。这是爱沙尼亚第一个其轻质骨料是以本地黏土材料为基础加工的人工湿地系统。因此，具有广泛应用的PTM滤料和其他轻质骨料材料之间的对比是本研究的目标之一。

2、材料与方法

2.1、人工湿地的描述

处理派斯图基本学校污水的复合型人工湿地，位于爱沙尼亚维尔扬迪县苏尔其村（北纬58^。14.5；东经25^。35.6；图一），

图1-爱沙尼亚维尔扬迪县派斯图的复合人工湿地系统的设计

由塔尔图生态工程中心设计并建造于2002年。它处理140人的废水（120个学生和教职工20人，其中校舍计算为64人口当量，PE；古乌西克，1995），它由一座二室垂直潜流滤床（2mtimes;108 m）和一座216m²水平潜流滤床组成。过滤床充满不同尺寸轻质骨料（爱沙尼亚当地产品的名字：ISPO）。在两个垂直潜流滤床钟，在PVC垫层上0.5米厚的轻质骨料层（10–20mm尺寸）上覆盖一层细0.3米厚的轻质骨料（2–4毫米），这增加了氧输送到滤床上。垂直潜流滤床由0.20米厚的表土层和草坪覆盖。透水土工膜分离土壤层上的轻质骨料层。水平潜流滤床（深度0.9米）填充了2–4mm尺寸的轻质骨料，表面覆盖芦苇。计算区域的要求是6.8m²·PE^-1，这比文献上的相似体系推荐的要高。

在进入复合湿地系统之前，污水先经过一个二室30m³化粪池（图1）。垂直潜流滤床是以间歇地1小时抽吸间隔安装的。在夏天，只有一个滤床是（间歇性）的操作，而在冬季，两个滤床都使用。

2.2、水的采样和分析

采集和分析了十八种水样品（从2003年10月30日到2005年10月15日）。在当地， pH、水温、电导率、和从水平潜流和垂直潜流滤床流进和流出的溶解氧是使用evikon便携式设备(Evikon多线路F/SET-3型, 多线路F/SET-3型和 OXI 330/SET型)来测定的。在塔尔图水公司的实验室，对从垂直潜流和水平潜流滤床流入和流出的水样，分析了其BDO₇，TSS，氨氮，NO₂^--N，NO₃^-minus;N，总氮，PO₄^3minus;-P磷和总磷（根据APHA，1989）。由于技术原因，NO₂-N和NO₃-N值在三个测量序列中丢失（20.02.05，17.04.05，和20.06.05）。

在每个采样事件，流量按照体积流量来测定。为了获得每日平均流量值，使用安装在抽水井中的自记水位计。气温和降水资料来自爱沙尼亚的气象和水文研究所（EMHI）维尔扬迪站。

2.3、数据的计算和统计分析

净化效率（%）和去除率（MR；gm ^minus;2 d^minus;1）是根据Kadlec and Knight的方法来计算的。对派斯图的BOD₇、总磷、氨氮和总氮的去除也是基于地区的一阶模型来描述（后来被称为K–C^*模型）：

其中k是基于区域的，一级速率常数（m yr^minus;1），Q为水力负荷率（m yr^minus;1），C₀为出水浓度（g m^minus;3），C_i进水浓度（g m^minus;3），C^*是不可减少的湿地浓度（g m^minus;3）。

根据已发表的数据，C^*值有1mgL^-1的BOD₇和1.5mgL^-1的总氮可以选择。众所周知，湿地具有很低的自然总P和氨氮的背景浓度。C^*这些参数的值分别假定是0.03和0.05mgL^minus;1。

现有的数据表明，在潜流湿地中，温度对磷和BOD的去除的影响可以忽略不计。然而，诸如氨化作用、硝化作用和反硝化作用等过程都被证实是与温度的影响有关。因此，铵和总氮的还原率也将随温度变化。氮的还原k_T值不得不转换为用于比较的k₂₀值。K_T和K₂₀的关系是阿伦尼乌斯方程：

KT是在温度T时的反应速率系数（℃），K20是在20℃时的反应速率系数，theta;是温度系数，T是温度（℃）。

对氨氧化温度系数的估计是，而对于总氮为。在计算出所有三个参数K值后，对水力负荷()和初始质量负荷率()对于k值的依赖也进行了研究。

对数据的统计分析采用方案6进行统计。变量的正态性是使用Kolmogorov–Smirnov, Lillieforsrsquo; and Shapiro–Wilk的实验。除了水和空气的温度、排水量和电导率，参数的分布不同于正常，因此进行了非参数测试。我们采用威尔科克森符号秩检验曼-惠特尼U检验来检查流入和流出参数之间差异的意义。我们也采用斯皮尔曼等级相关分析法分析水质指标之间的关系。alpha;= 0.05的重要程度在所有情况下都被接受。

3、结果与讨论

3.1 废水理化参数

特别是校舍，日排水量和年排水量变化显著，平均为7.4m³d^{minus; 1}，在 0（从六月末到九月初的晚上）到17.7m³ D^minus;1之间波动（表1）。在传统的污水处理系统中，这种水力负荷的巨大变化通常会导致净化过程的崩溃。然而，由于水流量的变化，在派斯图复合人工湿地中，我们没有发现任何明显的问题。

系统中的水温度从平均8.3–6.1^◦C 下降，即使在外部空气温度为负的情况下，水温也有1.9，ge;^◦C。日平均气温在7.7到15.2minus;^◦C之间波动（表1）。

废水在连续净化过程中的电导率和PH值下降了，而溶解氧浓度略有增加（表1）。在所有这些情况下，平均变化并不显著。

溶解氧的流入浓度对于从化粪池流出浓度来说非常高（表1）。这可能与抽水井中的废水在间歇曝气加载过程有关。

表1

3.2、BOD7、总悬浮物、氮和磷

在水平潜流滤床的出流水中，无论是BOD7值，还是TSS、NH4-N、N、PO4-P、总P的浓度都有明显下降。与化粪池出水比较（对垂直潜流流入），在水平潜流滤床出水处这些污水指标各自的平均值下降约18、6、6、3、20、和11倍（表2和3）。在垂直潜流滤床中也发现了显著的净化：流出值分别为5、4、2、2、7，和比在水平潜流滤床中流出值低4倍，然而，只有BOD7值明显下降。因此，在整个人工湿地中，无论是净化效率（%）还是去除率（gmminus;2 dminus;1）都是很突出的（表3）。质量去除率相对高的标准偏差值是由改变水力负荷引起的。我们的研究结果与来自斯堪的纳维亚的围隔实验和小规模的试点研究的结果具有可比

表3

我们发现了在人工湿地的流入水中水质指标的一个显著的短暂的变化。在同一时间，出水浓度在春季表现出了一定的下降，但是，这些变化并没有很明显（表2）。这种现象可以认为与春季微生物群落的变化相关（四月–五月）。在大多数情况下，所有的水质指标都显示了出水浓度低于爱沙尼亚水法案规定的标准值或建议值（表2）。该湿地系统保证高效的有机质矿化和硝化值满意。另外，泥沙对磷的吸附已经发生在VSSF滤床。垂直潜流保证了有机质的高效矿化和良好的硝化作用。此外，磷的吸附和沉积作用已在垂直潜流滤床中发生。水平潜流滤床提高了所有的参数，应该是反硝化的硝酸盐。

虽然整个人工湿地具有良好的性能，对于NH4-N浓度，最高值低于10mg Lminus;1的建议值；（表2），但是在总氮的去除方面，它仍然需要一些改进。例如，在水平潜流的出水中，硝酸盐氮浓度依然保持相对较高的值（表2）。轻微但不显著增加有机氮（含有一定数量的有机N、NO2-N NO3-N；表2）浓度可能与有机物从在轻质骨料中生物膜填充的凹面处释放有关。NO2-N浓度的动态变化清晰的表明了两级复合人工湿地的优点（表2）：在垂直潜流滤床处理后NO2-N浓度显著的增加表明，垂直潜流滤床在硝化过程的第一阶段的工作良好，而在水平潜流滤床出水中亚硝酸盐氮明显的下降表明，水平潜流滤床对硝化作用的二级反应表现良好。然而，将硝态氮转化为N₂和N₂O的脱硝效率却差异较大，这导致了水平潜流出水中临时高的NO₃-N值。为了在湿地系统中有较长的停留时间且以强化反硝化过程，建议增加水平潜流滤床的水位。显然，反硝化细菌需要更多的时间来成长和稳定。同样，芦苇的生长可能会通过为这一过程提供更多的碳来提高反硝化

表4去除效率的比较（%）和总氮、铵态氮、可溶性固形物、有机材料（基于bod7值）、总P、温暖（5——10月）和冷（11月——4月）阶段的PO₄-P等的大量去除表明（GM^minus;2 d^minus;1），虽然有冬季大部分性能指标的中位值略有下降，总体上来讲人工湿地的这些参数在冷、暖期无显著性差异，（图2和3）。BOD₇和PO₄-P的中位值在冬季甚至出现了轻微但不显著的增长。

另一方面，我们发现垂直潜流和水平潜流滤水池在冬季流出的硝酸盐的浓度显著较高（表2），这再次证明了冷期的反硝化效率较低。这些结果与在寒冷气候地区的地下水流的过滤系统的类似调查的结果吻合得很好（Harris和Maehlum，2003）。

3.3。环境参数和水质指标间的相关性

我们发现在研究的变量中，只有很少有意义的秩相关系数值。正如预期的那样，人工湿地进水中的BOD7值和悬浮物、总P、PO₄-P、总N、以及铵态氮的浓度相互关联（斯皮尔曼 R值在0.50到minus;0.98之间变化）。同样，更高的BOD7、悬浮物、总磷、PO₄-P，总氮, 铵态氮的

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