爱沙尼亚校舍利用轻集料填充混合式人工湿地进行污水净化外文翻译资料

 2022-09-09 04:09

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爱沙尼亚校舍利用轻集料填充混合式人工湿地进行污水净化

摘要

本文分析了爱沙尼亚一所基础院校用组合型人工湿地(CW)系统进行污水处理的净化效果和有机物,悬浮固体,氮,磷的去处效果。这种人工湿地由两个用轻骨料(LWA)作为滤料的地下流过滤床组成:一个两室的垂直地下流过滤床(VSSF)连着一个水平地下流滤床(HSSF),面积共达432m2。该人工湿地于2002年夏被塔尔图生态工程中心建立。从30.10.2003 到15.10.2005共进行了18个连续系列水样的研究。系统分析显示出了其优秀的净化效果:BOD7的平均净化效率为91%,总悬浮物(TSS)的为-78%,总磷-89%,总氮-63%,氨氮-77%。出水的平均参数值分别为:5.5、7.0、0.4、19.2和9.1mg/L。根据我们的结果,其净化效果的参数满足爱沙尼亚水法制定的污水处理厂2000-9999PE的标准(即,BOD7,TSS,总磷处理水含量分别为:15、25、1.5mg/L)。结果表明,由地下流滤床组成的混合型人工湿地系统在液压负载和相对寒冷气候的条件下也可以行进有效的工作。我们并没有发现去除效率、质量迁移、一阶速率常数K值等大多数水质指标在温暖(五月至十月)和寒冷(11月至四月)时期有什么显著的差别。当地生产的轻骨料作为一种滤料具有高渗透系数和良好磷吸附能力(k = 17.112.4myrminus;1).在爱沙尼亚,Paistu人工湿地系统以其适宜的设计和杰出的净化效果被认为是最好的系统之一。

1.介绍

人工湿地系统具有从各种源头废水中去除大量有机物、氮、磷的能力。在这其中,地下流滤床被认为是最适宜在寒冷地区使用的。水平地下流滤床(HSSF)通常可以可靠的地去除BOD和总悬浮固体(TSS),但是它的氧转移速率不足够实现完整的硝化作用。在人工湿地系统(CWs)中氨化、硝化和反硝化一般被认为是主要去除氮的机制。水平地下流滤床人工湿地系统(HSSF CWs)的条件是缺氧或者厌氧,所以获得更高的氮去除效果的主要障碍就是硝化速率过低。将水平地下流滤床(HSSF)和垂直地下流滤床(VSSF)结合起来能够相互平衡掉对方的弱点,这样便可以设计出一种能够成功去除BOD、总氮、总磷和总悬浮固体(TSS)的系统。这些组合系统也可称之为混合人工湿地系统,而且垂直地下流滤床(VSSF)则最通常被作为预处理系统为有机物的矿化和硝化作用提供足够氧气。然而对于除磷来说,滤料的质量(粒径分布,ph值,比表面积以及铝,铁或钙离子的容量)尤为重要。轻骨料(LWA)或轻型膨胀粘土骨料(LECA)具有良好的透水性和磷吸附能力。这些低成本但是磷吸附能力持久的过滤基质可以大量使用。新一代挪威发明的轻骨料(LWA)-filtralite PTM,对于磷的吸附能力尤其成熟。这种新型的轻骨料是兼具高ph值和高钙镁含量的一种含伊利石基质的粘土材料。饱和之后,这种材料可作为一种替代的肥料用于农业。Kvarnstr”om et al证明累积在轻骨料(LWA)上的无机磷很容易溶解,移动,且对植物有益。在爱沙尼亚,最常见的被用作水平地下流滤床(HSSF)和混合人工湿地系统的滤料就是本地的沙子。然而,大量证据表明,当地的沙子只有在前5至6年时间内可以有效去除磷,之后便会饱和。因此,新的有效的滤料对人工湿地系统的成功运作来讲至关重要。

本文的重要目的是:(1)确定爱沙尼亚一所基本院校用含轻骨料的混合人工湿地系统进行污水处理的净化效率以及对有机物、悬浮物、氮和磷的质量去除效果。(2)分析寒冷时期对人工湿地系统净化过程的影响。这是第一个以用爱沙尼亚当地粘土材料生产的轻骨料为基质的人工湿地系统。因此这种较广泛用于Filtralite PTM及其他轻骨料的材料也是我们本次研究的目标之一。

2.材料和方法

2.1人工湿地的概念

这个用作废水处理的混合型人工湿地系统位于爱沙尼亚,Viljandi县,Sultsi村的Paistu基础学校。它被塔尔图生态工程中心(CEET)设计并建造于2002年,进行校舍共140人(以64人口当量计算的学校120名学生 20名老师、职工人员)的废水处理。其结构由一两室的垂直地下流滤床(VSSF)( 2mtimes;108 m)和一216m2的水平地下流滤床组成。这些滤床均充满了不同大小的LWA(当地爱沙尼亚产品名称:FIBO)轻骨料。两个VSSF过滤床中,均是在PVC衬垫上铺一层0.5米厚的LWA层(10-20mm大小),再在其上覆盖一层0.3米细LWA层(2-4mm大小),这样便提高了氧气向滤床的输送能力。其表面上则覆盖了一层0.20米厚度的表层土和草坪。一层水渗透土工膜将土层和较上一层的LWA层分隔开来。HSSF滤床(深0.9米)内部则充满了2-4mm的LWA填料,并用芦苇覆盖在表面。计算区域要求为6.8m2/PE,高于文献介绍的其他类似系统的标准(即4-5m2/PE)。

在进入混合湿地系统之前,废水会先经过两个30m3的化粪池。VSSF滤床会在1h的泵吸间隔时间中进行间歇式运行。夏天,只有两座中的一座在间歇运行,冬天,则两座都要运行。

(图1. Paistu Viljandi县,爱沙尼亚的混合人工湿地系统定位计划)

2.2水的取样及分析

(从2003.10.30至2005.10.15)18个系列水样被抽取出来。在现场,我们使用了Evikon便携式设备对HSSF滤床和VSSF滤床的进水及出水的ph值、水温、电导率及溶解氧进行了测量。在塔尔图水有限公司的实验室,我们分析了HSSF和VSSF滤床进出水样本的BOD7、TSS、NH4 N、NO2-N、NO3-N、总N、PO43-P和总P。因为技术原因,有三个测量系列的NO2-N和NO3-N值遗失了(20.02.05,17.04.05和20.06.05)。

在每个采样中,测量水排放容积。为了获得日均排放值,使用安装在泵送井的一个水位指示仪。气温和降水数据来源于爱沙尼亚的维尔扬迪站气象和水文研究所(EMHI)。

2.3 计算和数据统计分析

根据Kadlec and Knight(1996),净化效率(%)和大规模搬迁(MR;GM-2 D-1)已经被计算。

在Paistu去除生化需氧量,全P,NH4-N和总N使用基于区域的一阶模型也描述了(后来所谓的K-C*模型) (Kadlec and Knight, 1996; Kadlec, 2000):

其中k是基于区域的,一阶速率常数(myr^-1)中,q是水力负荷(myr^-1),CO排放浓度(gm^-3),支流浓度(gm^-3)和C*是不可约的背景湿地浓度(gm^-3)。

根据公布的数据(Kadlec and Knight, 1996),选择C *值为1mg L-1的BOD7和1.5mgL-1的总N。已知的是湿地具有非常低的自然总P和NH4-N背景浓度(Kadlec and Knight, 1996)。这些参数的C *值分别被假定为0.03和0.05mgL-1。

现有数据显示在SSF湿地BOD温度效应和除磷忽略不计(Mander and Mauring, 1997; Wittgren and Maehlum, 1997;Noorvee et al., 2005b)。然而,像处理氨化,硝化和反硝化过程都被证明是与温度有关的。因此,铵率和总氮减少也是与温度相关的(Kadlec, 2000)。为减少氮的KT值已转换为以比较为目的的K20的值。KT和K20之间的关系是Arrhenius方程:

其中,KT是T(℃)温度下的反应速率系数。K20是20℃温度下的反应速率系数。theta;是温度系数,T是温度(℃)。

一个铵化的温度系数估计theta;为1.04,总N减少theta;=1.05(Kadlec and Knight, 1996)。

在计算三个参数的k值后,将k对水力负荷的依赖(cmd-1)和初始质量负载率(gm-2 d-1)进行了调查。

用程序STATISTICA6.0进行数据的统计分析。变量的常态使用柯尔莫哥洛夫 - 斯米尔诺夫,里尔福斯和证实夏皮罗 - 威尔克的测试。除了水和空气的温度,排水率和导电性,状态参数的分布与正常的不同,因此非参数检验被进行。我们使用的威尔科克森匹配成对测试和曼-惠特尼U检验检查流入和流出参数的显着差异。我们也用斯皮尔曼等级相关分析来分析水质指标之间的关系。显著性在alpha;=0.05的级别在所有情况下被接受。

  1. 结果和讨论

3.1 废水的物理化学参数

通常对于校舍,排水量在日和年的尺度呈显著变化,平均是7.4m3d-1,和从0的波动(从六月底到九月初的夜间),以17.7m3d-1(表1)。在常规的废水处理系统,水力负荷这样一个巨大的变化常使纯化过程崩溃(Wittgren and Maehlum,1997)。尽管如此,在Paistu混合CW,由于排出率的变化,我们没有发现任何显著问题。

在系统中废水温度平均下降8.3-6.1◦C的,ge;1.9℃即使在外部空气的温度的情况。逐日平均气温波动从-7.7到15.2℃(表1)。

废水的电导率和pH值下降在CW的纯化过程中,而浓缩过程中溶解氧略有增加(表1)。在所有这些情况下,平均变化并不显著。

溶解氧的流入浓度是异常高,在从化粪池的流出(表1)。这与抽水井在断续载荷中废水可能曝气有关。

(表1.爱沙尼亚Paistu混合人工湿地处理系统每日进出水的平均空气温度、污水排放和选择进水水质指标)

3.2 生化需氧量,悬浮固体总量,氮和磷

两者生化需氧量值和总悬浮固体浓度,NH4-N,全氮,PO4-P和全磷在水平悬流滤水池中的流出显著下降。为了与化粪池的流出(流入到VSSF)相比,在水平悬流滤水池流出的废水的各平均值,这些指标减少约18,6,6,3,20和11倍(表2和3)。废水的一个显着的纯化过程还发现在VSSF滤床:流出值分别为比在水平悬流滤水池流出低5,4,2,2,7和4倍,但是,只有生化需氧量值显著下降。因此,整个CW的纯化效率(%)和质谱去除(gm-2 d-1)突出(表3)。通过变化的水力负荷引起相对大规模搬迁的高标准偏差值。我们的研究结果与围隔结果和小规模试点的斯堪的纳维亚的研究具有可比性(Harris and Maehlum, 2003; Adametal., 2005)

我们发现一个水质的显着的时间变化指标在CW的流入中。与此同时,流出浓度显示在春季有所下降,但是,这些变化并不显著(见表2)。这种现象与在春季期间微生物群落的改变有关 (四到五月;也可见于Mander et al., 2000)。

在大多数情况下,所有的水质指标表明流出浓度低于由爱沙尼亚的水法规定的标准推荐值或低于标准值(表2)。

该VSSF保证了有机物质的高效矿化和满意的硝化值。另外,吸附作用和磷的沉积已经发生在VSSF滤床。HSSF滤床提高了所有参数,并且被期待脱氮硝酸盐。

虽然整个CW给出满意的关于NH4-N浓度的性能,最值要低于10mgL-1的建议水平(表2),在总氮除去而言,它需要一些改进。例如,硝酸盐氮保持相对高的浓度在HSSF的流出中(见表2)。轻微但不显著增加有机氮(Norg= 总N-NH4-N-NO2-N-NO3-N;表2)浓度可能与从LWA材料生物膜填充凹部有机材料的释放有关。NO2-N浓度的动态清楚地表明了两阶段混合的CW(表2)的优点:显著增加NO2-N浓度在VSSF过滤器后,表明该垂直流式过滤器可以很好地用于硝化过程的第一阶段,而亚硝酸盐氮水平在HSSF过滤床流出显著减少表明横流式过滤器效果很好地用于硝化过程第二阶段(见Cooper,1999;Cooper等人,1999年)。尽管如此,把NO3-N转换N2和N2O脱硝效率的变化明显,在HSSF流出引起NO3-N值暂时提高。因此建议提高在HSSF过滤床的地下水位,以允许更长的保留时间在系统中,以加强反硝化过程。显然,脱氮菌需要更多的时间来成长和稳定。同样地,芦苇台的发展大概会加强反硝化并在此过程中提供更多的碳。

在温暖(5月 - 10月)和冷(11- 4月)期间的去除效率(%)和质谱除去(gm-2 d-1)的总氮,NH4-N,TSS,有机材料(基于BOD7值),总磷和PO4-P 比较发现,虽然大多数表现中值在冬天的指标略有下降,但对于CW整体而言(图2和3)这些参数之间没有显著差异在寒冷和温暖时期。BOD7的中值和PO4-P在冬季甚至表现出了轻微但不显著的上升。

另一方面,我们发现在冬季硝酸盐显著更高的浓度在VSSF和HSSF滤波器的流出中(表2),这再次指出在寒冷时期降低反硝化的效率。这些结果与寒冷气候地区地下水流过滤装置的调查结果非常一致(Harris andMaehlum, 2003)。

(表2.垂直地下流滤床和水平地下流滤床的进水和出水的BOD7和总悬浮物浓度的价值(TSS),NH4 N,N,NO2 NO3 N、总氮、总P值)

(表3. Paistu混合人工湿地系统的性能(30.10.2003-15.10.2005;平均值plusmn;标准偏差值)

(图2. 在气候温暖(五月-十月),寒冷(November-April)时间计算出混合人工湿地系统的总N、NH4 N,总悬浮物(TSS),有机物质(BOD7值),总P、PO4-P去除率的比较)

(图3. 在气候温暖(五月-十月),寒冷(November-April)时间计算出混合人工湿地系统的总

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