沈林亞，吳 娟，鐘 非，向東方，成水平

(同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海200092)

分級進水對階梯垂直流人工濕地污水處理效果的影響

沈林亞，吳 娟，鐘 非，向東方，成水平

(同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海200092)

本文研究了分級進水對階梯垂直流人工濕地處理生活污水效果的影響. 在保持總水力負荷為100 mm/d的情況下，分別將總進水量的0%、10%、20%和30%用于濕地第2級階梯的進水，分析了系統(tǒng)對化學需氧量(COD)和氮、磷的總?cè)コ屎脱爻套兓? 結(jié)果表明，不同分級進水比例條件下人工濕地對COD和總磷(TP)的去除率差異不明顯，COD和TP的最高去除率分別為87.80%和81.17%，COD的去除主要集中在第1級，其貢獻率平均為82.18%，TP的去除主要集中在第3級，貢獻率平均為54.37%. 分級進水對總氮(TN)去除率影響顯著(P<0.05)，當2級進水比例為20%時，TN去除率最高，為61.70%±4.48%，且3個梯級對TN的去除貢獻率分別為36.52%、42.11%和21.37%. 相同組合形式的垂直流人工濕地處理生活污水的工程應用中，可根據(jù)需求設置20%左右的2級進水比例，以提高人工濕地對污染物的去除效果.

階梯垂直流人工濕地；分級進水；脫氮除磷

人工濕地能有效凈化污染水體，被廣泛應用于點源和面源污染的治理. 垂直流人工濕地系統(tǒng)氧轉(zhuǎn)移能力較強[1-2]，硝化作用明顯[3]，但反硝化作用往往受到限制，而且碳源不足也是制約反硝化過程的重要因素之一，因此碳源補充是提高濕地系統(tǒng)反硝化能力、增強脫氮效率的有效途徑之一. Zhang等[4]使用植物發(fā)酵液作為人工濕地的反硝化碳源，發(fā)現(xiàn)隨著植物發(fā)酵液投加量的增加，系統(tǒng)中硝酸鹽的去除率顯著增加. Sikora等[5]以低分子碳水化合物乙酸為外加碳源，系統(tǒng)中硝酸鹽的去除效率最高可達70%，可見低分子碳水化合物可有效促進人工濕地的反硝化進程. 同時，因為單一濕地類型不能同時提供充分的好氧和厭氧條件，限制了污染物的去除效率[6-7]，人工濕地應用已不再局限于單一的水流方式，研究者們開始將不同類型的人工濕地進行組合[8]. 本研究提出了一種階梯垂直流人工濕地工藝，采用下行流-上行流-下行流的組合形式，強化了污染物的去除效果[9].

為了提高階梯垂直流人工濕地的氮去除效率，本研究將分級進水應用于階梯垂直流人工濕地，一方面可以適應不同地形地勢，用以維持水體在系統(tǒng)內(nèi)部的重力流形式；另一方面通過分級進水為系統(tǒng)內(nèi)反硝化過程提供碳源，加強脫氮效果. 本文通過分析比較不同進水配比下污染物的去除效果，從而得出最優(yōu)的進水方式，為階梯組合式垂直流人工濕地的設計和運行提供合理參數(shù).

1 材料與方法

1.1 階梯垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

共構(gòu)建4套階梯垂直流人工濕地小試系統(tǒng). 每套人工濕地系統(tǒng)由3級垂直流人工濕地單元組合而成(圖1)，分別填充0.45 m高度的沸石、頁巖和陶粒. 3種填料的基本物理化學性質(zhì)見表1. 濕地的3級單元均種植西伯利亞鳶尾(Irissibirica)，種植密度為20株/m2.

圖1 階梯垂直流人工濕地小試系統(tǒng)Fig.1 Lab-scale multi-stage vertical flow constructed wetland

每級濕地頂部和底部均設有直徑為20 mm的穿孔PVC管用于布水或集水. 第3級濕地出水口設置虹吸管，虹吸管出口位于25 cm處.

表1 填料物理化學性質(zhì)

1.2 實驗設計

4套系統(tǒng)總進水負荷均為100 mm/d，設置0%、10%、20%和30% 4個不同的2級進水份額的處理方式：0%的第1級進水份額為100%；10%的第1級進水份額為90%，第2級為10%； 20%的第1級進水份額為80%，第2級為20%；30%的第1級進水份額為70%，第2級為30%.

1.3 樣品采集與測試

1.4 數(shù)據(jù)處理

污染物的去除率(%)計算公式為：

去除率=(1-Cout/Cin)×100%

(1)

污染物質(zhì)量去除速率(g/(m2·d))計算公式為：

質(zhì)量去除速率=(Cin·Vin-Cout·Vout)/(S·HRT)

(2)

式中，Cin和Cout分別為進、出水濃度(mg/L)；Vin和Vout分別為進、出水體積(m3)；S為人工濕地面積(m2)；HRT為水力停留時間(d).

去除貢獻率(%)計算公式為：

系統(tǒng)第1級去除貢獻率=(1級Cin-1級Cout)/(1級Cin-3級Cout) ×100%

(3)

系統(tǒng)第2級去除貢獻率=(1級Cout-2級Cout)/(1級Cin-3級Cout) ×100%

(4)

系統(tǒng)第3級去除貢獻率=(2級Cout-3級Cout)/(1級Cin-3級Cout) ×100%

(5)

使用IBM SPSS 20軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析法分析不同分級進水比例條件下處理效果的差異性，P<0.05表明具有顯著性差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果

圖2 不同分級進水比例條件下階梯垂直流人工濕地對COD的去除效果Fig.2 COD removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

4種分級進水條件下人工濕地對COD的去除效果差異不顯著(圖2)，其去除率為86.66%～87.80%，質(zhì)量去除速率為12.36～12.53 g/(m2·d)，說明階梯垂直流人工濕地能有效適應本實驗中4種分級進水方式，普遍具有較好的COD去除效果. 濕地系統(tǒng)的有機物主要通過附著于基質(zhì)上的生物膜和微生物的代謝去除[11]，垂直流人工濕地系統(tǒng)充氧能力較好，為微生物分解污染物提供了有利條件. Vymazal等[3]研究不同進水方式下復合垂直流人工濕地對COD的去除效果差異，發(fā)現(xiàn)COD的去除效率均能穩(wěn)定達到80%，且當進水負荷增大時，COD的去除效果也沒有顯著變化.

4個分級進水條件下濕地系統(tǒng)進水和各級出水COD濃度如圖3所示. 在進水濃度為142.3±24.5 mg/L時，4套系統(tǒng)3級出水COD濃度平均值為17.5 mg/L，處理組間差異不顯著. 出水COD濃度遠低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)的一級A標準. 4套系統(tǒng)的第1級對COD去除的貢獻率平均為82.18%，進水中大部分有機物在第1級得以去除，這是因為污水從位于填料上部的布水管均勻流入，與空氣接觸后進入第1級，系統(tǒng)的好氧狀況為COD的去除提供了有利條件. 4套系統(tǒng)第2級對COD去除的平均貢獻率僅為1.29%. 研究表明，厭氧或缺氧條件下，有機物可被厭氧自養(yǎng)細菌降解去除[12]，但其新陳代謝速率遠小于異養(yǎng)微生物，對有機物的降解作用也較弱[13]. 系統(tǒng)第3級出水COD濃度較第2級有明顯降低，對COD去除的貢獻率平均為16.53%. 因此本實驗中COD的去除過程主要發(fā)生在濕地系統(tǒng)的第1級. 李劍波[14]研究了組合人工濕地對COD的去除效果，并計算得到第1級垂直流人工濕地對COD去除的貢獻率高達92.6%，垂直流人工濕地COD去除主要集中在第1級.

圖3 不同分級進水比例條件下階梯垂直流人工濕地中COD的沿程變化(1、2和3表示濕地的第1、2和3梯級，不同字母表示差異顯著，下同)Fig.3 COD changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

圖4 不同分級進水比例條件下階梯垂直流人工濕地對總氮的去除效果 Fig.4 Total nitrogen removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

2.2 氮去除效果

4個進水條件下TN去除效果較為穩(wěn)定， 去除率分別為45.03%±7.74%、48.74%±6.05%、61.70%±4.48%和46.98%±10.34%，對應的質(zhì)量去除速率分別為1.67±0.38、1.81±0.39、2.28±0.35和1.75±0.53 g/(m2·d) (圖4). 分級進水比例為20%時TN去除效果最好，去除率和質(zhì)量去除速率明顯高于其他3種進水方式(P<0.05)，這與濕地中氮的去除機制有關. Li等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，采用分級進水方式后垂直流人工濕地對TN的去除率可達60.6%. 人工濕地中通過植物吸收和填料吸附去除的氮含量僅占總?cè)コ康?%左右，微生物降解是氮素去除的最主要路徑[14].

圖5 不同分級進水比例條件下階梯垂直流人工濕地中氮元素的沿程變化Fig.5 Nitrogen changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

圖6 不同分級進水比例條件下階梯垂直流人工濕地對總磷的去除效果Fig.6 Total phosphorus removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

圖7 不同分級進水比例條件下階梯垂直流人工濕地中磷元素的沿程變化 Fig.7 Phosphorus changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

2.3 磷去除效果

4個分級進水比例條件下，TP去除率為72.14%～81.17%，質(zhì)量去除速率為0.32～0.36 g/(m2·d)(圖6). 同COD相似，各處理間TP去除效果不存在顯著性差異，說明進水方式對磷的去除影響不大. 實際上，人工濕地中主要通過填料吸附來實現(xiàn)磷的去除[19-20]. 本實驗出水TP濃度基本達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)的一級B標準.

污水經(jīng)濕地第1和第2級處理后TP濃度并未顯著降低，但經(jīng)第3級后其濃度明顯減少，4套系統(tǒng)第1、2級對TP去除的貢獻率平均分別為30.66%和14.97%，第3級對TP去除的貢獻率平均為54.37%，表明該濕地系統(tǒng)對磷的去除主要在第3級完成. 第3級填料陶粒中富含的氧化鈣在基質(zhì)與磷溶液的混合體系中，與水分子結(jié)合形成氫氧化鈣，進而電離出鈣離子，溶液中的磷酸根離子最終通過非晶體的磷酸鈣沉淀去除[21-22]. 我們在填料對KH2PO4溶液等溫吸附的前期實驗中發(fā)現(xiàn)，陶粒對TP的吸附效果遠優(yōu)于頁巖和沸石，陶粒對磷的最大吸附量可達714.29 mg/kg，與蔣麗等[23]的研究結(jié)果相當.

沸石、頁巖、陶粒都是常見的人工濕地基質(zhì)，張迎穎等[24]以靜態(tài)吸附試驗研究濕地填料凈化磷的性能，發(fā)現(xiàn)單一種類填料對TP的去除效果不太理想，通常需要多級連用以達到較好的效果. 本研究利用沸石、頁巖、陶粒填料，采用3級串聯(lián)的配置方式，總體上達到了較高的磷去除效率.

3 小結(jié)

1)階梯垂直流人工濕地對COD具有穩(wěn)定的去除效果，未受到不同分級進水方式的影響，大部分的COD在系統(tǒng)第1級去除，各系統(tǒng)3級出水濃度均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)的一級A標準.

2)階梯垂直流人工濕地對TP去除效果明顯，各級均具有一定的TP去除能力，其中第3級TP去除貢獻最為明顯，陶粒有利于污水除磷. 系統(tǒng)TP出水濃度基本能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)的一級B標準，可以通過適宜基質(zhì)的配置進一步降低TP出水濃度.

3)分級進水比例對系統(tǒng)的氮去除效果影響顯著. 當該比例為20%時，TN去除效率最高，達61.70%，質(zhì)量去除速率為2.28 g/(m2·d). 該結(jié)果可以為階梯垂直流人工濕地的設計和運行提供依據(jù). 分級進水能有效提高氮的去除效率，后續(xù)可通過研究反硝化速率以及功能基因豐度等闡明分級進水對系統(tǒng)脫氮的影響及其機制.

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Effect of step feeding on the performance of multi-stage vertical flow constructed wetland for municipal wastewater treatment

SHEN Linya, WU Juan, ZHONG Fei, XIANG Dongfang & CHENG Shuiping**

(KeyLaboratoryofYangtzeRiverWaterEnvironment,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,P.R.China)

To investigate the effect of step feeding on the performance of multi-stage vertical flow constructed wetland (MS-VFCW) for municipal wastewater treatment, raw wastewater with four step feeding ratios (0%, 10%, 20% and 30%) were dosed to the second stage of the MS-VFCW plots at a total hydraulic load of 100 mm/d. The results showed no significant differences in removal of chemical oxygen demand (COD) and total phosphorus (TP) among the four step feeding ratios, and the highest removal rates of COD and TP reached up to 87.80% and 81.17%, respectively. Most COD was removed in the first stage, with an average contribution of 82.18%. While the most TP was removed in the third stage, with an average contribution of 54.37%. In contrast, the differences in total nitrogen (TN) removal rates among the four step feeding ratios were significant, with the highest TN removal rates (61.70%±4.48%) under the ratio of 20%, in which the average removal contribution of each stage was 36.52%, 42.11% and 21.37%, respectively. The step feeding ratio was recommended as 20% in application of the hybrid VFCWs so as to achieve sound pollutant removal performance.

Multi-stage vertical flow constructed wetland; step feeding; removal of nitrogen and phosphorus

國家自然科學基金項目(51578395)和上海市創(chuàng)新行動計劃項目(16DZ1204803)聯(lián)合資助. 2017-04-18收稿; 2017-05-27收修改稿. 沈林亞(1993～)，女，碩士研究生；E-mail：lyshen2015@#edu.cn.

; E-mail：shpcheng@#edu.cn.

DOI 10.18307/2017.0506