付國楷,張 馳,張 智,張 媛,郭 旋,林 潔

(1.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150090）

人工復(fù)合生態(tài)床(簡稱生態(tài)床)是在傳統(tǒng)人工濕地的基礎(chǔ)上,以提高系統(tǒng)負(fù)荷、減少占地面積以及填料費(fèi)用、強(qiáng)化系統(tǒng)自復(fù)氧能力等為目的發(fā)展起來的一種污水生態(tài)處理工藝[1-2]。一般認(rèn)為,污染物在生態(tài)床中的遷移轉(zhuǎn)化涉及3方面的過程:一是在生態(tài)床水環(huán)境中的擴(kuò)散-混合、沉淀-溶解、吸附-解析、降解等,二是在基質(zhì)中的吸附-解析和生物降解,三是植物對污染物的吸收和污染物在植物體內(nèi)的遷移及在生物鏈中的傳遞[3-5]。歸結(jié)起來污染物去除主要途徑為基質(zhì)顆?；蛑参锔o的物理截留和吸附、微生物同化和異化作用、植物吸收、氣相物質(zhì)的揮發(fā)等。

現(xiàn)有研究表明,生態(tài)床對有機(jī)物的去除主要通過生物降解作用,去除效率在55%～90%之間,隨著池型、有機(jī)負(fù)荷、停留時(shí)間及有機(jī)物表征方法的差異而有所波動(dòng)[1,6-7]。另有報(bào)道表明,生態(tài)床在持續(xù)運(yùn)行和厭氧條件下易發(fā)生堵塞現(xiàn)象,積累在床體內(nèi)的有機(jī)固體顆?？蛇_(dá)進(jìn)水總量的58%～82%,僅有20%～40%的有機(jī)物被最終降解[8-9]。

生態(tài)床脫氮集合了植物吸收、微生物異化和同化、基質(zhì)沉淀吸附以及氨氮揮發(fā)的綜合作用[10]。一般認(rèn)為,基質(zhì)對氮的吸附不具有持續(xù)性,僅僅為微生物同化、降解和植物吸收提供中介作用[11]。氨直接揮發(fā)量對總氮去除的貢獻(xiàn)很小[3],氨揮發(fā)量在有限的停留時(shí)間下可以忽略不計(jì)。因此微生物硝化反硝化作用和植物吸收才是氮去除的主要途徑[12-13]。不同的研究條件下,2種去除途徑所占的比例有所不同。劉超翔的研究表明,硝化反硝化去除的總氮為40%左右,植物吸收比例為10%～19%[1];Chung的研究表明,硝化反硝化去除的總氮為20%～31%,植物吸收比例僅為 2.6%～3.1%[14]。Harberl和Perfler認(rèn)為,通過反硝化去除的總氮在50%～60%左右[15]。Rogers和Breen則認(rèn)為植物吸收去除的總氮可達(dá)50%[16-17]。Gersbeg等預(yù)測植物去除總氮比例為12%～16%[18]。Tanner認(rèn)為植物的吸收和存儲(chǔ)僅占濕地總氮去除量的 2%～8%[19]。張榮社的研究表明植物吸收的總氮在5%左右[20]。植物吸收作用所占比例大小可能與原水水質(zhì)有關(guān),在低濃度條件下,植物吸收對總氮去除的貢獻(xiàn)更大。但是微生物同化作用對總氮去除的貢獻(xiàn)未見報(bào)道。

磷的去除主要依靠3方面的作用:基質(zhì)的物理化學(xué)作用(物理吸附、化學(xué)沉淀、物理化學(xué)吸附),植物吸收、微生物同化作用[21-22]。劉超翔的研究表明,基質(zhì)對總磷的吸附占進(jìn)水總量的50%,植物吸收占9%～16%[1]。張榮社的研究表明,在35%左右的總磷去除比例中,植物吸收只占總磷去除量的4.5%[20]。徐和勝等的研究表明,在88%的總磷去除率中,植物吸收的貢獻(xiàn)為 9.1%[22]。Geary和Moore認(rèn)為,在高負(fù)荷下總磷去除率為28%,其中基質(zhì)吸附為除磷的主要途徑,而植物吸收量只有2%～5%[23]。Kim的研究也表明,植物吸收的磷在5%以下[24]。Chung的研究表明,在54%～68%的總磷去除率中,植物吸收的貢獻(xiàn)僅為1%[14]。

由上可見,不同條件下(氣候、池型、負(fù)荷、流態(tài)、基質(zhì)和植物種類等)污染物在生態(tài)床內(nèi)的去除效率及其遷移轉(zhuǎn)化途徑有較大差異,導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型的建立相對困難[25],在工程實(shí)踐中也多采用經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)方法。多數(shù)文獻(xiàn)也僅針對某種單一污染物的遷移途徑進(jìn)行探討,或者就生態(tài)床的某個(gè)組成部分(微生物、基質(zhì)、植物)對污染物的去除貢獻(xiàn)進(jìn)行討論,全面系統(tǒng)地闡明主要污染物的轉(zhuǎn)化途徑以及床體各組成部分對污染物降解的貢獻(xiàn)比例的文獻(xiàn)較少,降低了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對比性和可重現(xiàn)性。

該研究擬通過中試規(guī)模實(shí)驗(yàn),采用質(zhì)量平衡分析方法[26],對生態(tài)床內(nèi)幾種主要污染物的轉(zhuǎn)化途徑進(jìn)行量化研究,以厘清系統(tǒng)內(nèi)污染物的來源、遷移、轉(zhuǎn)化和歸趨,總結(jié)該工藝對污染物的去除規(guī)律和提高其除污能力的方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與工藝流程

試驗(yàn)裝置(如圖1所示)主要由3級(jí)階梯型生態(tài)床和設(shè)于2、3級(jí)之間的集水堰組成,各床體內(nèi)自上而下依次是植物、粗砂層、基質(zhì)層、礫石承托層、混凝土底板,采用穿孔管布水和集水,具體構(gòu)建參數(shù)見表1。系統(tǒng)采用連續(xù)進(jìn)出水,原水在第1級(jí)床體內(nèi)由上至下流經(jīng)床體,通過集水堰進(jìn)入第2級(jí),經(jīng)下向流和上向流動(dòng)后進(jìn)入第3級(jí)床體,在第3級(jí)床體內(nèi)下向流動(dòng)后出水。

表1 3級(jí)人工復(fù)合生態(tài)床構(gòu)建參數(shù)

圖1 3級(jí)生態(tài)床試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 原水水質(zhì)

以重慶大學(xué)學(xué)生宿舍生活污水為試驗(yàn)對象,原水經(jīng)格柵、調(diào)節(jié)池后進(jìn)入生態(tài)床。調(diào)節(jié)池后進(jìn)入系統(tǒng)的平均水質(zhì)情況為:水溫為8.2～29.8℃,pH值為6.8～7.9,CODcr為67～185 mg/L,NH4+-N為19.17～44.54mg/L,TN為22.92～58.35 mg/L,TP為0.87～4.01 mg/L。

1.3 取樣方法

系統(tǒng)啟動(dòng)期末和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期末,在各級(jí)床體填料層中選擇4個(gè)具有代表性的位點(diǎn)(平面矩形對角平分線交點(diǎn)以下),分層(20、40、60、70 cm,從填料層頂部算起)采樣,然后將同一層次樣品混合均勻,同一格4個(gè)位點(diǎn)樣品混合后,冰箱冷藏備用。連續(xù)檢測3 d,每天1次,取平均值。

系統(tǒng)啟動(dòng)完成后,于2007年11月生長季末收獲各處理單元植物的地上部分;穩(wěn)定運(yùn)行期末的2008年10月底對植物進(jìn)行全株收割。分別檢測其總生物量和氮磷含量。

1.4 檢測和分析方法

1)常規(guī)理化指標(biāo)DO 、水溫、CODcr、NH4+-N 、TN、TP按照文獻(xiàn)[27]進(jìn)行測定,每周1次。

2)植物生物量、植物氮、磷含量檢測參照文獻(xiàn)[28]。

3)基質(zhì)附著生物量(MLVSS)的檢測采用灼燒法。取樣基質(zhì)在605°C灼燒前后差值則為活性生物量,同時(shí)得到混合基質(zhì)樣品中活性微生物質(zhì)量比例,由此推算整個(gè)系統(tǒng)中微生物總量。

4)微生物中氮、磷含量的檢測參照植物氮、磷含量檢測方法進(jìn)行,并結(jié)合3)的結(jié)果推算整個(gè)系統(tǒng)中活性微生物體內(nèi)氮磷總量。

5)微生物對有機(jī)物同化量根據(jù)McCarty提出的細(xì)菌化學(xué)實(shí)驗(yàn)式C60H87O23N12P按比例計(jì)算,即同化有機(jī)物(CODcr)按1.42 MLVSS計(jì)[29]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)期污染物去除情況

2007年2月系統(tǒng)正式運(yùn)行,期間于4月份進(jìn)行了植物種植,5月份開始取樣檢測,直至10月份第一次植物收割為止,可視為系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行期。系統(tǒng)通過6個(gè)月的啟動(dòng)期,其運(yùn)行逐漸趨于穩(wěn)定。在進(jìn)水CODcr、TN、TP平均濃度分別為 115 mg/L、38 mg/L和2.5 mg/L,水力負(fù)荷為 1.0 m/d的條件下,出水濃度分別降至23mg/L、15.8 mg/L和1.1 mg/L,系統(tǒng)對 CODcr、TN、TP的去除率穩(wěn)定在80%、58%和56%左右。

2.2 有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化

系統(tǒng)經(jīng)過啟動(dòng)期后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期,穩(wěn)定期自2007年10月30日至2008年10月30日,共1 a時(shí)間。有機(jī)物進(jìn)入系統(tǒng)后,其遷移轉(zhuǎn)化實(shí)質(zhì)上是水動(dòng)力彌散過程[3],首先會(huì)被基質(zhì)或植物根莖吸附截留,然后在酶作用下發(fā)生降解,經(jīng)過同化及異化作用得以去除,部分產(chǎn)物揮發(fā)至大氣中,部分被植物或微生物吸收進(jìn)入生物鏈富集[30]。運(yùn)用穩(wěn)態(tài)箱式模型對有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為進(jìn)行研究的方法,計(jì)算期內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)、出水污染物總量如表2所示,系統(tǒng)活性微生物增量及其氮、磷同化量如表3所示。

表2 進(jìn)出水污染物總量計(jì)算表(2007年11月-2008年10月)

續(xù)表2

表3 系統(tǒng)內(nèi)活性微生物量及其氮、磷同化量計(jì)算表

由表2可見,計(jì)算期內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)水CODcr總量為135.26 kg,出水CODcr總量為17.40 kg,占進(jìn)水總量的12.86%。由表3知計(jì)算期內(nèi)系統(tǒng)MLVSS增量為17.80 kg,由此同化有機(jī)物量為25.28 kg。根據(jù)質(zhì)量平衡,可知異化有機(jī)物量為92.58 kg。有機(jī)物遷移轉(zhuǎn)化質(zhì)量平衡見表4和圖5所示。

表4 有機(jī)物質(zhì)量平衡表

圖5 有機(jī)物遷移途徑示意圖

實(shí)驗(yàn)中,3級(jí)生態(tài)床系統(tǒng)對有機(jī)物有較好的去除效果,出水有機(jī)物僅占整個(gè)系統(tǒng)輸入量的12.86%,有68.45%的有機(jī)物通過微生物異化作用得到去除。整個(gè)系統(tǒng)由于利用地形高差強(qiáng)化了復(fù)氧能力,轉(zhuǎn)變?yōu)樯锛?xì)胞的有機(jī)物比例較低,僅為進(jìn)水有機(jī)物總量的18.69%,低于文獻(xiàn)報(bào)道值[8-9],說明系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物的積累較少,在整個(gè)試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)基質(zhì)堵塞的現(xiàn)象。

2.3 氮的遷移轉(zhuǎn)化

忽略氨氮揮發(fā)量和基質(zhì)吸附量,根據(jù)總氮質(zhì)量平衡,有:進(jìn)水總氮量=植物吸收量+微生物同化量+反硝化排出量+出水總氮量。

由表2可知,計(jì)算期內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)水總氮量為39.71 kg,出水總氮量為15.80 kg,占進(jìn)水總量的39.79%。由表 3可知,微生物對總氮的同化量為2.14 kg,占進(jìn)水總量的5.39%。植物生物量及其氮、磷吸收量如表5所示,由表可見,3種植物對氮的吸收量之和為0.4715 kg,占進(jìn)水總量的1.18%。剩余的部分可以認(rèn)為是由微生物反硝化作用去除,占進(jìn)水總氮量的53.64%?？偟w移轉(zhuǎn)化質(zhì)量平衡見表6和圖6所示。

表5 三種植物對氮磷的同化量

表6 總氮質(zhì)量平衡表

圖6 總氮遷移途徑示意圖

由此可見,3級(jí)生態(tài)床對總氮的有較高的去除效果,總?cè)コ蔬_(dá)到60.21%,微生物異化作用對氮去除的貢獻(xiàn)率最高,達(dá)53.64%,說明系統(tǒng)利于硝化反硝化細(xì)菌的生長繁殖。植物直接吸收的貢獻(xiàn)率最低,只有1.18%,與Chung的研究結(jié)果接近[14]。研究結(jié)果證實(shí)了硝化反硝化是氮去除的主要途徑,植物吸收只占總氮去除的一小部分,甚至低于微生物同化作用5.4%的貢獻(xiàn)比例。但是植物的水力疏導(dǎo)、氧的傳輸和微環(huán)境的營造等間接作用不可忽視[17,30]。

同時(shí)由表5可見,相對風(fēng)車草來說,菖蒲和美人蕉的氮、磷含量更高,同時(shí)美人蕉具有較大的生物量,因此直接吸收的氮、磷總量最多。

2.4 磷的遷移轉(zhuǎn)化

根據(jù)總磷質(zhì)量平衡,有:進(jìn)水總磷量=植物吸收量+微生物同化量+基質(zhì)吸附量+出水總磷量。

由表2可見,計(jì)算期內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)水總磷量為3.10 kg,出水總磷量為1.26 kg,占進(jìn)水總量的40.64%。由表3可知,微生物對總磷的同化量為0.38 kg,占進(jìn)水總量的12.26%。由表5可見,3種植物對磷的吸收量之和為0.11 kg,占進(jìn)水總量的3.55%?；|(zhì)本身吸附磷量為進(jìn)出水總磷量差值減去植物吸收量和微生物同化量,為1.35 kg,占進(jìn)水總量的43.55%?？偭走w移轉(zhuǎn)化質(zhì)量平衡見表 7和圖 7所示。

表7 總磷質(zhì)量平衡表

圖7 總磷遷移途徑示意圖

由此可見,生態(tài)床對磷的去除主要途徑是基質(zhì)吸附,其次為微生物同化作用。植物吸收對磷去除的貢獻(xiàn)是有限的。但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,基質(zhì)吸附飽和和基質(zhì)孔隙率的下降,系統(tǒng)整體除磷效率將逐漸下降,而植物吸收所占除磷比例將可能上升。磷最終從系統(tǒng)中的去除,依賴于植物收割和飽和基質(zhì)的更換。同時(shí)由表3可見,微生物體內(nèi)平均磷含量為2.13%,近似于按照理論化學(xué)式C60H87O23N12P計(jì)算的磷含量,說明生態(tài)床內(nèi)未存在明顯的聚磷菌超量吸磷的現(xiàn)象,這與以往認(rèn)為的生態(tài)床中存在好氧、厭氧交替環(huán)境導(dǎo)致微生物過量吸磷的觀點(diǎn)有所不同。

3 結(jié)論

1)進(jìn)入生態(tài)床中的有機(jī)物、氮、磷在微生物、植物、基質(zhì)三者聯(lián)合作用下進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化。生態(tài)床對有機(jī)物的總體去除率達(dá)到87.14%,其中微生物異化為有機(jī)物主要去除途徑,其貢獻(xiàn)率為68.45%,其次微生物同化去除有機(jī)物比例為18.69%。

2)生態(tài)床對總氮的總體去除率達(dá)到60.21%,其中微生物反硝化為總氮主要去除途徑,其貢獻(xiàn)率為53.64%,微生物同化和植物吸收去除總氮比例分別為5.39%和1.18%。

3)生態(tài)床對總磷的總體去除率達(dá)到59.36%,基質(zhì)吸附、微生物同化、植物吸收三者的貢獻(xiàn)率分別為43.55%、12.26%、3.55%。

4)總體而言,微生物對污染物的去除起主要作用,其次基質(zhì)吸附是磷去除的主要途徑,而植物吸收對污染物的直接去除貢獻(xiàn)不大,但是植物的水力疏導(dǎo)、氧的傳輸和微環(huán)境的營造等間接作用不可忽視。

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