齊 丹,盧徐節(jié),王興華

(海南熱帶海洋學(xué)院 海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院,海南 三亞 572022)

不同組合基質(zhì)的垂直流人工濕地對富營養(yǎng)化水體的凈化效果

齊 丹,盧徐節(jié),王興華

(海南熱帶海洋學(xué)院 海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院,海南 三亞 572022)

為研究不同組合基質(zhì)的垂直流人工濕地凈化效果的影響,采用六種基質(zhì)(大碎石、花崗石、鵝卵石、粗砂、礫石、土壤)構(gòu)建兩種不同組合基質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直流人工濕地,對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化.實驗結(jié)果表明,以土壤、礫石、花崗巖、大碎石為組合基質(zhì)的人工濕地系統(tǒng)(CWs1)對TP、PO4-P、NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均去除率分別為58.5 %、57.3%、38.5%、21.4%、16.5%;以土壤、粗砂、鵝卵石、大碎石為組合基質(zhì)的人工濕地系統(tǒng)(CWs2)的平均去除率分別為37.8 %、65.2%、45.2%、27.2%、19.6%.組合基質(zhì)CWs1對磷的去除效果優(yōu)于CWs2,對氮的去除率低于CWs2;兩種組合基質(zhì)垂直流人工濕地對富營養(yǎng)化水體均具有較好的凈化效果,且對磷的去除率高于氮.

基質(zhì);垂直流人工濕地;凈化;富營養(yǎng)化水體

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,河流、湖泊水體富營養(yǎng)化污染日益加劇,水環(huán)境污染控制與治理面臨著巨大挑戰(zhàn).人工濕地(constructed wetlands , CWs)是一種天然凈化與人工強(qiáng)化相結(jié)合的復(fù)合工藝,主要通過植物、微生物、基質(zhì)填料的協(xié)同作用對水體中污染物進(jìn)行吸附、同化、轉(zhuǎn)化,以達(dá)到凈化水體的目的[1-2].目前得到越來越廣泛的應(yīng)用及持續(xù)研究[3-6].

基質(zhì)填料是人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分,對污水凈化效果具有重要促進(jìn)作用[7-8].基質(zhì)填料在人工濕地系統(tǒng)中不僅通過自身作用(過濾、吸附、吸收、絡(luò)合、離子交換等)凈化水體,還為污水滲流提供良好水力條件;為微生物生長繁衍提供穩(wěn)定依附面;為植物生長提供載體和部分營養(yǎng)源[9].不同的基質(zhì)由于其孔隙度、粒徑、成份等理化特性不同,對污染物的吸附降解能力不同,為污水滲流提供的水利條件不同.一般基質(zhì)粒徑越小,比表面積越大，其有效微生物量越多,對污染物的去除率越高,但易造成濕地阻塞,降低水力傳導(dǎo)率,形成地表漫流,不利于人工濕地長期穩(wěn)定運行[10-11].基質(zhì)粒徑越大,越有利于水力傳導(dǎo),但微生物棲息附著面小,不利于微生物膜的生長和植物根系的蔓延[12-13].此外,不同種類基質(zhì)填料上附著的微生物膜的種類、生物量、活性、群落繁殖情況不同,影響水質(zhì)的凈化效果[14].因此,根據(jù)不同基質(zhì)填料的粒徑、滲透系數(shù)、水力傳導(dǎo)率等理化特性差異,合理將不同基質(zhì)填料搭配組合,尋求一種高效、低成本、便于運行管理的混合型基質(zhì)具有重要的現(xiàn)實意義.

本實驗采用六種基質(zhì)(大碎石、花崗石、鵝卵石、粗砂、礫石、土壤)搭配組合成兩組人工濕地,通過對富營養(yǎng)水體氮、磷凈化效果的對比研究,探討兩組基質(zhì)在垂直流人工濕地中對水質(zhì)凈化的貢獻(xiàn)差異,為構(gòu)建高效的垂直流人工濕地選擇合適的基質(zhì)、為富營養(yǎng)化水體凈化修復(fù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

圖1 人工濕地組合基質(zhì)填料圖

實驗裝置為PVC 材料加工制作的垂直流人工濕地單元,尺寸為1 m×0.8 m×0.5 m,種植水生植物,種植密度為20叢/m2.富營養(yǎng)水體通過埋入表層土壤中的四條布水管由上至下滲入基質(zhì)中,水力停留時間設(shè)為24 h,通過裝置底部出水口排出.

1.2 組合基質(zhì)

組合基質(zhì)1(CWs1)為土壤、礫石、花崗巖、大碎石;組合基質(zhì)2(CWs2)為土壤、粗砂、鵝卵石、大碎石,每種基質(zhì)填料高度均為7 cm.(見圖1).

1.3 進(jìn)水水質(zhì)

實驗進(jìn)水為模擬廢水,為異常富營養(yǎng)化水體,水質(zhì)參數(shù)為:TP平均濃度為0.0510 mg/L，PO4-P平均濃度為0.0372 mg/L,NH4-N平均濃度為0.0510 mg/L,NOx-N 濃度為0.047-1.20mg/L.

1.4 運行管理

實驗裝置試運行1個月,系統(tǒng)穩(wěn)定后,將供試水樣通入實驗裝置,水力停留時間為24 h,每2 d取樣1次,測定出水各指標(biāo)濃度.

1.5 分析方法

廢水各項指標(biāo)測定方法見表2.

表2 各項指標(biāo)測定的方法

2 結(jié)果與分析

圖2 人工濕地對TP的去除效果

2.1 不同組合基質(zhì)人工濕地對總磷的去除效果

人工濕地主要通過植物吸收、微生物同化和基質(zhì)填料的吸附截留去除污水中的磷.其中,基質(zhì)填料因其自身物理化學(xué)特性,吸附且與各種價態(tài)磷酸根離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng).不同的基質(zhì)與微生物附著能力不同,因此導(dǎo)致微生物對總磷的去除效率不同[15].將1.3中污水通入垂直流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理,按照1.5中分析方法測定出水中總磷去除率,見圖2.

由圖2可見,CWs1和CWs2對富營養(yǎng)化水體中的總磷均具有顯著的去除效果,且隨時間變化,CWs1和CWs2對總磷的去除率均隨之增長.CWs1總磷平均去除率為58.5%,最大去除率為83.6%;CWs2總磷平均去除率為37.8%,最大去除率為56.1%,實驗過程中CWs1在運行10 d后總磷的去除率便達(dá)到了50%以上.因此CWs1組合基質(zhì)對富營養(yǎng)化污水中TP的去除效果明顯優(yōu)于CWs2.

圖3 人工濕地對PO4-P的去除效果

2.2 不同組合基質(zhì)人工濕地對磷酸鹽的去除效果

磷酸鹽又被稱為活性磷酸鹽,溶解性好,易吸附在顆粒物上,易被植物、細(xì)菌和藻類所利用,被認(rèn)為是內(nèi)陸水體(如湖泊等)的一種限制性營養(yǎng)鹽[16].化肥、洗滌劑中含有大量磷酸鹽,生活污水、農(nóng)業(yè)地表徑流等含有大量磷酸鹽污水進(jìn)入自然水體中造成富營養(yǎng)化,因此水體中磷酸鹽含量對水體的富營養(yǎng)起到較大影響[17].將1.3中污水通入垂直流人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)行凈化處理,按照1.5中分析方法測定出水中磷酸鹽去除率,見圖3.

由圖3可見,CWs1和CWs2對富營養(yǎng)化水體中的磷酸鹽均具有較顯著的去除效果,且CWs1和CWs2對磷酸鹽的去除率均隨時間變化先降后升.系統(tǒng)處理初期,大量磷酸鹽被基質(zhì)吸附,去除率較高;系統(tǒng)處理中期隨著吸附飽和,去除率降低;處理后期,微生物同化和植物吸收起到了主導(dǎo)作用,處理率增高[18].CWs1平均去除率為65.2%,最大去除率為84.0%;CWs2 PO4-P平均去除率為57.3%,最大去除率為79.7%.因此基質(zhì)組合CWs1對富營養(yǎng)化污水中的PO4-P去除效果稍優(yōu)于CWs2.

圖4 人工濕地對NH4-N的去除效果

2.3 不同組合基質(zhì)人工濕地對氨氮的去除效果

人工濕地中氨氮的去除機(jī)制是多樣的,除植物和原生動物攝取、基質(zhì)吸附和反應(yīng)外,還包括微生物(如硝化菌)將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮及氮揮發(fā)[19].其中,微生物硝化是氨氮含量降低的主要途徑[20].將1.3中廢水通入垂直流人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)行凈化處理,按照1.5中分析方法測定出水中氨氮去除率,見圖4.

由圖4可見,CWs1氨氮平均去除率為38.5%,最大去除率為56.3%;CWs2氨氮平均去除率為45.2%,最大去除率為60.3%.總體上組合基質(zhì)CWs2對富營養(yǎng)化水體中的NH4-N去除效果稍優(yōu)于CWs1.

氨氮在兩組基質(zhì)垂直流人工濕地中均呈現(xiàn)出波動性.硝化作用是好氧過程,主要由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌來完成.富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)鹽含量高,降解凈化過程中需要消耗大量溶解氧,溶解氧含量不足致使?jié)竦貎?nèi)部環(huán)境缺氧[21].同時,隨著污水中亞硝酸鹽和硝酸鹽的增高抑制了亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性,降低微生物的硝化作用[19].硝化細(xì)菌活性降低后,污水中溶解氧隨新污水注入和其他途徑增加,硝酸鹽和亞硝酸鹽含量隨反硝化作用降低,又重新促進(jìn)了硝化作用,使氨氮去除率增高.因此,呈現(xiàn)出一定的波動.

2.4 不同組合基質(zhì)人工濕地對硝酸鹽氮去除效果

硝酸鹽氮具有較好的溶解性,可以被人工濕地中植物、微生物直接同化利用,其中,微生物反硝化作用是硝酸鹽含量降低的主要途徑[20].反硝化菌通過反硝化過程將硝酸鹽還原成N2O和N2,從污水中去除.將1.3中廢水通入垂直流人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)行凈化處理,按照1.5中分析方法測定出水中硝酸鹽去除率,見圖5.

由圖5可見,CWs1硝酸鹽氮平均去除率為21.4%,最大去除率為32.3%;CWs2硝酸鹽氮平均去除率為27.2%,最大去除率為38.3%.總體上基質(zhì)組合CWs2對富營養(yǎng)化污水中NO3-N的去除效果稍優(yōu)于CWs1.

硝酸鹽氮在兩組基質(zhì)垂直流人工濕地中均呈現(xiàn)出波動性,且其波動趨勢與氨氮去除率波動趨勢相反.

圖5 人工濕地對NO3-N的去除效果

圖6 人工濕地對NO2-N的去除效果

2.5 不同組合基質(zhì)人工濕地對亞硝酸鹽氮去除效果

亞硝酸鹽為細(xì)菌硝化和反硝化作用的中間產(chǎn)物.人工濕地中無氧條件下反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氮,在有氧條件下硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽[22-23].將1.3中廢水通入垂直流人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)行凈化處理,按照1.5中分析方法測定出水中亞硝酸鹽去除率,見圖6.

由圖6可見,CWs1亞硝酸鹽氮平均去除率為16.5%,最大去除率為20.8%;CWs2亞硝酸鹽氮平均去除率為19.6%,最大去除率為27.6%.總體上基質(zhì)組合CWs2對富營養(yǎng)化污水中NO2-N的去除效果稍優(yōu)于CWs1.

3 結(jié)論

(1) 人工濕地CWs1對TP、PO4-P、NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均去除率分別為58.5 %、57.3%、38.5%、21.4%、16.5%;人工濕地CWs2的平均去除率分別為37.8 %、65.2%、45.2%、27.2%、19.6%.

(2) 組合基質(zhì)CWs1人工濕地和組合基質(zhì)CWs2人工濕地對富營養(yǎng)化水體均具有良好的凈化效果,且對磷的去除率高于對氮的去除率.

(3) 組合基質(zhì)CWs1對磷的去除率優(yōu)于CWs2;組合基質(zhì)CWs2對氮的去除率優(yōu)于CWs1.

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(編校：李由明)

Removal Efficiencies of Vertical Flow Constructed Wetlandwith Different Carriers on Eutrophic Water Treatment

QI Dan, LU Xu-jie, WANG Xing-hua

(School of Ocean Science and Technology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China)

In the paper, eutrophic water was treated by applying vertical flow constructed wetland with different carriers, such as large-gravel, pedestrian, pebbles, coarse sand, gravel and soil.The treatment effects of TP, PO4-P, NH4-N, NO3-N and NO2-N were explored.The experimental results indicated that the removal efficiencies of TP, PO4-P, NH4-N, NO3-N and NO2-N are 58.5 %, 57.3%, 38.5%, 21.4% and 16.5%, respectively ,under the experimental conditions of CWs1, while the removal efficiencies of TP, PO4-P, NH4-N, NO3-N and NO2-N are 37.8 %, 65.2%, 45.2%, 27.2% and 19.6%, respectively ,under the experimental conditions of CWs2.It can be found that the removal efficiencies of CWs1 for P removal are better than those of CWs2, while the removal efficiencies of CWs1 for N removal are lower than those of CWs2.The good treatment effect of eutrophic water is gained by the processes of vertical flow constructed wetland with different carriers.

carrier; vertical flow constructed wetland; purification; eutrophic water

格式：齊丹,盧徐節(jié),王興華.不同組合基質(zhì)的垂直流人工濕地對富營養(yǎng)化水體的凈化效果[J].海南熱帶海洋學(xué)院學(xué)報,2017，24(2):13-17.

2017-02-19

海南省社會發(fā)展科技專項(2015SF09)

齊 丹(1980-),女,遼寧東港人,海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院實驗師,碩士,主要研究方向為水污染控制與治理.

盧徐節(jié)(1974-),男,安徽潛山人,海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授,博士,主要研究方向為環(huán)境污染治理.

X703

A

2096-3122(2017) 02-0013-05

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.02.03