电气浮—电化学氧化—人工湿地系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:云南省高原湿地保护修复与生态服务重点实验室开放基金资助项目()云南省科技计划面上项目(、)作者简介:王铁运()男 研究方向:农村污水的资源化利用:.通信作者王妍()女副教授博士硕士生导师 研究方向:脆弱生态系统关键过程与修复:.电气浮电化学氧化人工湿地系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果王铁运 郑淑君 王 妍 刘云根(.西南林业大学生态与环境学院.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室云南 昆明)摘要:以 种污染负荷的农村黑水为研究对象研究电气浮电化学氧化人工湿地系统对不同含量氨氮()、总氮()、正磷()、总磷()和化学需氧量()的净化效果 结果显示:()系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果存在显著差异(.)在().、().、().、().、().的情况下系统对农村黑水的净化效果较好出水 和 的质量浓度达到国家一级排放标准()系统对 个污染负荷下黑水中 的去除率分别达到.、.和.对 的去除率分别达到.、.和.()在().、().、().、().、().的情况下系统对 和 的去除率分别达到.和.结果表明系统微环境指标、内部基质表面特征和元素含量受到污染负荷的影响污染负荷对系统处理效率的影响开放科学(资源服务)标识码()显著关键词:电气浮 电化学氧化 人工湿地 污染负荷 农村黑水中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.(.).(.):()()()()().().().().().().().().().().:福建农林大学学报(自然科学版)第 卷 第 期 ()年 月农村生活污水分为灰水与黑水:灰水是指厨房用水、家庭洗涤和日常洗漱产生的废水主要含有有机和无机污染物环境污染程度较低黑水主要来自人类排泄物和清洗用水主要成分为生理污物 农村黑水出水口分散、水量小含有高浓度的氮和磷富含营养物质、细菌和病毒因此必须对农村黑水进行处理 澳大利亚专家提出的(非尔脱)污水处理系统在过滤、土壤处理、暗管排水以及高效、可持续的废水处理方面具有优势 我国一些经济发达省份开始利用化粪池、人工湿地、稳定塘和沼气池等处理污水 电气浮也称电凝聚法可溶性阳极通过外电压产生对胶体污染物有凝聚效应的阳离子体阴极在电压下释放大量氢气通过阳极凝聚和阴极絮体上浮实现对污染物的处理 电化学氧化是将污染物直接氧化将产生的氧化还原物质作为催化剂加到污染物的净化过程中从而达到净化污染物的目的 该技术借助强电化学活性的阳极材料将污染物转化、分解为可生化降解的物质或碳酸盐类物质我国在对农村生活污水处理时应根据农村地区的实际情况选择具体的处理方法 生物处理技术具有占地面积小、泥量少和抗负荷能力强的特点 然而采取单一的人工湿地工艺处理农村污水存在占地面积大、易受病虫害影响、设计运行参数不精确等问题 生态组合工艺可充分利用生物、生态技术的优势进一步净化废水提高水质处理能力但也存在占地面积大、易受环境影响的缺点 基于农村污水“难收集、难处理和处理效率低”的现状严子春等探究了适用于农村的投资少、成本低、维护方便和效率高的小型农村黑水处理技术 本研究探讨电气浮电化学氧化人工湿地系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果为农村黑水污染的治理以及相关工艺设备的开发提供依据图 试验装置.材料与方法.试验装置电气浮电化学氧化人工湿地系统(图)主要包括配水箱(直径.高.)、电气浮单元.(长).(宽).(高)、电化学氧化反应池.(长).(宽).(高)和微型湿地床.(长).(宽).(高)湿地大薸长 宽 利用潜水泵、流量计和供水管道对试验装置的供水和流量进行控制 电气浮采用的曝气泵()为四孔出气出气量.功率 以装置上端的石墨板作为电极外接直流电源 电化学氧化采用石墨板作为电极连接直流电源底部采用的滤料从上到下分别为陶粒()、斜发沸石()微型湿地采用的滤料从上到下分别为火山石()、生物陶粒()和斜发沸石().样品采集与处理参考文献设计污染负荷()、污染负荷()和污染负荷()种污染负荷下的农村黑水水质(表)试验用水为人工配水所用药品为氯化铵、硝酸钾、磷酸二氢钾和葡萄糖采用连续式循环进水 系统稳定运行 个月后开始正式试验每个污染负荷运行 每天在系统中采集 水样进行测定和分析水质物理指标包括 值、温度、溶解氧()和电导率()采用哈希便携式多参数数字化分析仪()检测化学指标为氨氮()、总氮()、正磷()、总磷()和化学需氧量()根据文献判断系统对各类污染物的去除效果表 模拟试验中的农村黑水进水口水质 污染负荷()()()()().电化学氧化单元与微型湿地床单元所用的滤料分别在试验前和试验后取样预处理后送至广州普川福建农林大学学报(自然科学版)第 卷检测技术有限公司检测通过扫描电子显微镜()、射线光电子能谱()、射线衍射()观察填料的微观形貌表征和晶体结构.数据处理采用 软件处理水质指标数据及作图采用 和 软件处理 测样数据采用.软件处理 测样数据采用 处理 与 数据并作图采用 .软件进行显著性检验和相关性分析 结果与分析图 进出水 的变化.().不同污染负荷下农村黑水的进出水水质.从图 可看出随着进水污染负荷的增大出水质量浓度增大但显著低于进水(.)与 的出水质量浓度显著低于 表明系统对 的净化作用受到进水中高质量浓度污染物的抑制 质量浓度在 和 情况下差异不大 进出水的质量浓度分别为.和.系统对、污染负荷黑水进行净化后出水质量浓度满足旱地作物的水质标准系统对 污染负荷黑水进行净化后出水质量浓度可达到水田作物及蔬菜的水质标准.与 在 种污染负荷下进出水 质量浓度的变化如图 所示随着进水 质量浓度的增大出水 质量浓度也增大 系统在().、().和().的情况下出水 质量浓度的平均值为.达到二级水质标准 从图 可知 质量浓度的变化趋势与 一致、和 等离子体在填料释放后与磷发生反应形成不溶性化合物 当水中磷含量较低时基质会将磷素释放到水体中 磷素在填料上的沉积对于调节水体内磷的质量浓度有重要作用图 进出水()()及()()的变化.()()()().和 不同污染负荷下进出水 的质量浓度变化如图 所示 在().时出水 质量浓度为.远高于一级 类标准在().和().的情况下出水 质量浓度满足二级水质标准(图).系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果一般来说人工湿地对进水污染负荷的承受力有限污染负荷过大或过小均会影响污染物的去除效果 系统对 个污染负荷下农村黑水中 的去除率分别达到.、.和.对 的 第 期王铁运等:电气浮电化学氧化人工湿地系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果去除率分别达到.、.和.净化效果均好于人工湿地 系统对 个污染负荷下农村黑水的净化效果有显著差异(.)系统对 和 农村黑水的净化效果较好 系统对、和 的去除率分别为.、.、.、.和.对 的去除率随污染负荷的增大呈显著下降的趋势 系统对、和 的去除率表现为:对低污染负荷的去除率较高对高污染负荷的去除率较低图 进出水()()及()()的变化.()()()().农村黑水微环境指标的变化从表 可知系统出水电导率低于进水电导率 由于系统污染负荷的改变、和温度随污染负荷呈先降低后升高的趋势 在高污染负荷下出水电导率显著高于低污染负荷(.)不同字母表示差异显著(.)图 陶粒吸附前()后()的 照片().()()().不同污染负荷下填料的表面特征.观察结果利用 对陶粒、沸石、火山石和生物陶粒的观察结果如图 所示 吸附前陶粒表面粗糙材料中有许多缝隙吸附后陶粒表面光滑平整间隙减小或消失 这是因为污水中的磷与陶粒释放的铝、钙、铁与硅离子发生反应形成难溶于水的化合物使得吸附后的陶粒表面比吸附前光滑 沸石(图)表面较吸附前有更多的颗粒粗糙的表面结构使得微生物具有更多的吸附生长位点从而提高其生物负载能力填料与悬浮颗粒之间充分接触这与已有研究的结果一致 火山岩主要由、和 等元素组成含有大量 容易与磷酸根发生反应形成难溶于水的化合物通过沉淀的方式将含磷污染物从水体中去除 本研究结果显示火山石的表面覆盖着凹凸不平的孔洞和大小不均的颗粒粗糙表面为基质材料吸附水中污染物提供了空间.结果 采用 对吸附污染物前后的陶粒、沸石、火山石和生物陶粒进行了表征并分析其元素组成和含量的变化(表)主要填料元素包括、吸附前后的填料在 全谱图中福建农林大学学报(自然科学版)第 卷、和 元素的波峰较大而、和 等元素的波峰较小这与焦富强的研究结果一致 郑育毅等发现填料中、可与污水中的磷素结合苑宏英等发现填料中水合、和 等金属离子可置换污水中的磷素 从图 可看出与 含量的改变导致吸附后氧元素含量下降而 和 含量提高致使吸附后的生物陶粒氧元素含量提高(图)图 沸石吸附前()后()的 照片().()()()图 火山石吸附前()后()的 照片().()()()图 生物陶粒吸附前()后()的 照片().()()()表 全谱图中主要元素的质量分数 填料类型()()()()()()陶粒吸附前.陶粒吸附后.沸石吸附前.沸石吸附后(电化学氧化).沸石吸附后(人工湿地).火山石吸附前.火山石吸附后.生物陶粒吸附前.生物陶粒吸附后.图 陶粒()和电化学氧化沸石()吸附前后的 衍射谱图.()().污染负荷对系统去除污染物的影响本研究结果表明随着污染负荷的增大电气浮电化学氧化人工湿地系统对污染物的去除能力逐渐降低 污染负荷是人工湿地建设的重要参数之一对湿地的污染物处理和高效运行有明显影响增大进水污染负荷可提高人工湿地对污染物的净化能力 在本研究中系统对、农村黑水净化后出水()符合二级水质标准系统对 农村黑水净化后出水()最高说明系统对 的净化效果最差 这与杜新等的研究结果一致 人工湿地基质的物理和化学固定是去除水中污染物的一个重 第 期王铁运等:电气浮电化学氧化人工湿地系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果要过程 污水的有机物、氮、磷和其他污染物通过沉积、过滤、吸附和离子交换快速固定于基质的孔穴和通道上.污染负荷对填料晶体结构及其含量的影响从图 可知:种填料中具有吸附作用的主要氧化物为、和 等陶粒吸附前的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.陶粒吸附后的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.沸石吸附前的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.沸石(电化学氧化)吸附后的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.沸石吸附后(湿地)的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.火山石吸附前的主要衍射峰分别位于.、.、.和.火山石吸附后的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.生物陶粒吸附前的主要衍射峰分别位于.、.、.、.和.生物陶粒吸附后的主要衍射峰分别位于.、.、.和.结果表明 种填料的衍射峰出现不同程度的位移晶体位置基本没有改变陶粒与生物陶粒吸附前后的填料主要由 组成而 种填料均包含不同含量的、及其对应的氧化物 表明填料对农村黑水中污染物的吸附量与填料的表面孔隙结构有关农村黑水的净化与填料中、和对应的氧化物含量有关这与郑育毅的研究结果一致图 湿地沸石()、火山石()和生物陶粒()吸附前后的 衍射谱图.()()()小结()电气浮电化学氧化人工湿地系统对不同污染负荷下农村黑水的净化效果存在显著差异(.)在().、().、().、().和().的情况下系统对农村黑水具有较好的净化效果出水 和 的质量浓度满足城镇污水处理厂污染物的排放要求()系统对 个污染负荷下农村黑水中 的去除率分别达到.、.和.系统对 的去除率分别达到.、.和.在().、().、().、().和().情况下系统对、的去除率分别为.和.()系统微环境指标、内部基质表面特征和元素含量会受到污染负荷的影响污染负荷对系统的处理效率有显著影响参考文献 冼超凡潘雪莲 甄泉等.城市生态系统污染氮足迹与灰水足迹综合评价.环境科学学报():.马骏.小型分散式农村生活污水灰黑分离生物生态组合工艺研究.南京:东南大学.李佳彬李路瑶刘雪等.异位发酵床处理农村厕所黑水的效果研究.农业环境科学学报():.(.):.():.()():.曾月吴宗一姚辉.村镇污水处理运营管理模式探讨 基于四川省邛崃市临济镇的实地调研.农村经济与科技福建农林大学学报(自然科学版)第 卷():.张江涛刘晓奎李海燕等.某电厂循环水排污水提标改造及运行分析.水处理技术():.许驰杨艺马磊等.多种电极电氧化深度处理焦化废水生化出水的研究.现代化工():.杨鹤云郑兴.高级氧化法降解有机污染物的应用及研究进展.水处理技术():.王皓钱琪卉丁瑞睿等.复合潜流人工湿地对农村生活污水的净化效果及其微生物群落结构特征.安徽农业大学学报():.杨晓英袁晋姚明星等.中国农村生活污水处理现状与发展对策 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