謝衛(wèi)平，王 欣

(1.宜興環(huán)境監(jiān)測站，江蘇宜興214206;2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京100084)

人工濕地作為一種生態(tài)型污水處理技術(shù)，具有投資運行費用低、處理效果好、運行穩(wěn)定等優(yōu)點[1].按濕地結(jié)構(gòu)形式可分為表面流人工濕地、潛流人工濕地和垂直流人工濕地等.相比之下，表面流人工濕地具有結(jié)構(gòu)形式接近于天然濕地，管理方便、運行穩(wěn)定、生態(tài)景觀效果好等特點.因此，表面流人工濕地已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊水質(zhì)保持、面源污染控制、受污染水體修復(fù)等.

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟社會的發(fā)展，生活條件日趨改善，生活污水的產(chǎn)生量日漸加大，廢水中N、P含量較高，排入受納水體后會導(dǎo)致富營養(yǎng)問題[2].為進一步去除生活污水二級處理后水中所含的N、P等元素，本研究以人工濕地處理系統(tǒng)，采用不同的處理植物，探討三類處理系統(tǒng)的凈化效率和效果.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置為表面流人工濕地，水深為0.5 m，面積為25 m2，植物的種植密度為30株/m2.

選擇處理植物時，要考察其耐污能力、去污效果、適合當?shù)丨h(huán)境、根系、抗病蟲害能力及景觀效果等原則，通過前期靜態(tài)水培試驗篩選出3種相對條件較好的水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦，并將3種植物分別栽種于表面流人工濕地試驗裝置中(W1、W2、W3).

1.2 進水水質(zhì)

實驗用污水采取自某北方農(nóng)村生活污水處理廠的二級生物處理后的污水，其水質(zhì)指標如表1所示.

表1 進水水質(zhì)

1.3 監(jiān)測指標及方法

本試驗主要測定項目包括SS、NH3—N、TN、TP等.按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)中提供的方法進行監(jiān)測.

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地運行效果

2.1.1 水力負荷的確定

針對進水為二級出水的濕地系統(tǒng)而言，在正常的設(shè)計條件下，不需要考慮污染物負荷的上限，但太高的水力負荷通常會導(dǎo)致處理系統(tǒng)出水效果變差，因此，水力負荷的上限是必須考慮的因素.表2列舉了不同水力負荷條件下，人工濕地系統(tǒng)的去除率，可以看出當水力負荷為0.06 m3/(m2·d)以上時，出水水質(zhì)急劇變差，因此適宜的水力負荷應(yīng)該在0.06 m3/(m2·d)以下，本研究中的水力負荷取0.04 m3/(m2·d).

表2 不同水力負荷條件下的水質(zhì)凈化效率

2.1.2 綜合運行效果

本試驗期為8個月，期間氣溫在20～35℃之間.表3列出了水力負荷為0.04 m3/m2·d，停留時間為2 d時，3種人工濕地在7、8月份連續(xù)運行后的進出水平均質(zhì)量濃度.

表3 3種濕地系統(tǒng)進出水平均質(zhì)量濃度

2.2 BOD5去除效果分析

在表面流人工濕地系統(tǒng)中，有機污染物通過沉淀、過濾、吸附等作用截留在濕地中，然后被微生物降解去除.反應(yīng)過程中主要氧源來自水面復(fù)氧和植物產(chǎn)氧.濕地系統(tǒng)中附著生長在植物表面的微生物對 BOD5的去除起到了重要的作用[3].Scholz等人[4]指出濕地系統(tǒng)擁有強大的去污功能主要基于兩點原因:一是其內(nèi)部存在著大量而豐富的微生物，二是具有較長的水力停留時間.三種植物人工濕地對 BOD5的凈化都呈現(xiàn)出較好的效果，對BOD5的平均去除率分別為83.9%、82.6%和77.1%;BOD5月平均出水質(zhì)量濃度如圖1所示，可以看出，隨著溫度的升高，出水BOD5質(zhì)量濃度逐漸降低，在7、8兩月處理效果最好，3種植物人工濕地的平均出水質(zhì)量濃度分別是 2.0、2.0、2.7 mg/L.

圖1 3種濕地BOD5月平均出水質(zhì)量濃度

2.3 氮的去除效果分析

表面流人工濕地中含氮化合物主要包括顆粒有機氮、溶解有機氮、氨態(tài)氮(NH4+—N、NH3—N)和硝態(tài)氮(NO3－、NO2－)[5].濕地系統(tǒng)中氮的去除途徑包括氨揮發(fā)，硝化－反硝化，固氮，微生物和植物的吸收，氨化，厭氧氨氧化、吸附等[6]，發(fā)揮主要作用的是硝化－反硝化和植物的吸收.其中NH3—N的去除主要取決于污水中微生物量和含氧量，水生植物可通過根區(qū)向水中釋放氧氣，促進NH3—N的去除.另外溫度也是影響去除率的重要因素，圖2列舉了3種濕地系統(tǒng)在不同溫度下對NH3—N的平均去除率.可以看出隨著溫度的升高，濕地系統(tǒng)對NH3—N去除率逐漸升高.試驗中，濕地系統(tǒng)對NH3—N的處理效果較好，7、8月份中NH3—N出水質(zhì)量濃度的平均值在0.7～0.9 mg/L之間，NH3—N 的去除率分別為 80.4%、81.5%、74.2%.但對TN的去除效果并不理想，TN的平均出水質(zhì)量濃度在7～10 mg/L之間，平均去除率分別為37.0%、50.6%和 36.2%.可能的原因是污水進入人工濕地后，有機氮、氨氮等也快速的轉(zhuǎn)化為NO3－和NO2－等無機氮，有機污染物迅速被降解去除，導(dǎo)致反硝化時碳源不足，限制了NO3－向N2的轉(zhuǎn)化，降低了TN的去除率.

圖2 不同溫度下3種濕地NH3—N的去除率

2.4 磷的去除效果分析

濕地中磷的存在形式為有機磷和無機磷兩種，其中只有游離態(tài)的正磷酸鹽是可以被水生植物和藻類可以直接利用的.濕地中磷的去除途徑包括:吸附和沉降、植物和微生物的吸收及形成新的土壤或沉淀物等[7].Soto 等[8]證明植物量大的人工濕地系統(tǒng)對磷的去除要更好些，水生植物可去除17%左右的正磷酸鹽和約10%的TP.但儲存在植物體內(nèi)的磷會隨著植物的枯萎和死亡重新釋放到水體中，所以必須及時的收獲植物.濕地土壤對磷的去除也有著至關(guān)重要的作用，Dunne等[9]發(fā)現(xiàn)磷的吸附量與土壤中非結(jié)晶態(tài)的鐵和氧化鋁有顯著的正相關(guān)性.水中的磷酸鹽會與土壤間隙水中Ca2+、Fe3+、Al3+離子及其氧化物等反應(yīng)，生成難溶物質(zhì)，經(jīng)過互相聚合或吸附在土壤顆粒上形成新的土壤[10].試驗期間TP的去除率隨溫度的升高而提高，圖3列舉了不同溫度下三種濕地對TP的去除率，溫度由20℃升高到30℃，去除率提高了25%左右.7、8月份溫度適宜，植物生長迅速，促進了濕地系統(tǒng)對TP的去除，三種濕地的平均去除率分別為 71.9%、72.2%和 69.7%.

圖3 不同溫度下3種濕地TP的去除率

2.5 表面流人工濕地動力學(xué)模擬方程

用于濕地的一級動力學(xué)方程，主要考慮處理負荷與處理效率之間的關(guān)系，模型的推導(dǎo)以基質(zhì)的降解服從一級反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，常假設(shè)模型中的一些參數(shù)如速率常數(shù)等為常量，與水力負荷或進水質(zhì)量濃度無關(guān)，以及濕地中的水流形態(tài)為穩(wěn)定的柱塞流等.一級動力學(xué)模型通常的表達方式為:

其中:C0為系統(tǒng)進水質(zhì)量濃度，mg/L;Ci為系統(tǒng)出水質(zhì)量濃度，mg/L;k為面積速率常數(shù)，cm/d;q為系統(tǒng)水力負荷，cm/d.

上述的一級動力學(xué)模型中只包含一個參數(shù)k，在Eckenfelder模型中，如果污染物種存在不可生物降解部分，則需在方程中加入不可生物降解物質(zhì)質(zhì)量濃度項.在濕地中，即使沒有不可生物降解的污染物，大氣或地下水的貢獻、化學(xué)作用以及生物地理化學(xué)循環(huán)也會產(chǎn)生背景質(zhì)量濃度.于是Kadlec和Knight建議引入背景質(zhì)量濃度，低于背景質(zhì)量濃度的污染物不能被降解，并在一級反應(yīng)動力學(xué)方程中加入背景質(zhì)量濃度項C*[11]:

依據(jù)北美人工濕地數(shù)據(jù)庫中用于三級處理的表流人工濕地的出水年平均質(zhì)量濃度值可以看出，BOD5背景質(zhì)量濃度在1.2～3.0 mg/L之間，均值為2.0 mg/L.本試驗中的出水質(zhì)量濃度甚至低于此值，說明試驗中的背景質(zhì)量濃度很低，同時為方便計算，忽略背景質(zhì)量濃度.

因此公式(2)變形為:

將本試驗中7、8月份的試驗數(shù)據(jù)按公式3進行擬合.從表4可看出，采用一級動力學(xué)方程模擬污染物的去除效果，擬合效果較好.

表4 擬合動力學(xué)方程

3 結(jié)語

試驗結(jié)果說明表面流人工濕地深度凈化二級生物出水是適宜的，具有較好的凈化效果且運行效果穩(wěn)定.所選取的三種水生植物:香蒲、浮萍和蘆葦可以很好地適應(yīng)濕地環(huán)境，在污水中生長狀況良好.試驗表明，三種不同植物人工濕地在處理效果方面沒有表現(xiàn)出較顯著的差異，對有機物、懸浮物、NH3—N、TP均有較好的去除效果，對TN的去除率均較低.各類污染物的去除率隨溫度的升高而逐漸提高.采用一級反應(yīng)動力學(xué)方程對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合效果較好，得到了該試驗條件下BOD5、NH3—N、TN和TP去除的反應(yīng)速率常數(shù).

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