戈浩宇， 華祖林， 沈 健， 聶永平， 倪效欣， 白 雪

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098; 3. 江蘇省南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室， 江蘇 南京 210029)

由于人工濕地管理簡單、建造成本低等特點(diǎn)，人工濕地已經(jīng)成為尾水深度處理的主要工藝之一。濕地植物的選擇應(yīng)注重其生態(tài)適應(yīng)能力和生態(tài)恢復(fù)功能，因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⒅参镱愋图捌鋵Φ椎任廴疚锏娜コ芰Φ纫蛩貋磉M(jìn)行選擇。目前，學(xué)者們已經(jīng)對濕地植物的去污效果進(jìn)行了大量研究，Chuluun B等[1]研究了黃菖蒲等21種濕地植物對氮磷的去除，發(fā)現(xiàn)黃菖蒲對氮磷的去除有顯著效果；Goulet R等[2]以香蒲為對象，同樣研究了其對氮磷的吸收能力，發(fā)現(xiàn)香蒲能夠顯著降低氮磷濃度；Ezzahri J等[3]研究了蘆葦?shù)?種濕地植物對氮磷的去除，結(jié)果表明植物對氮元素有較高的吸收能力，其主要依靠的是植物的吸收作用和微生物的硝化及反硝化作用；陳永華等[8]以生活污水為處理對象，對17種濕地植物的凈化潛力進(jìn)行了評價(jià)，并篩選出了粉美人蕉、再力花、千屈菜、梭魚草等優(yōu)勢去污物種。另一方面，由于尾水的污染程度和水力負(fù)荷條件不同，導(dǎo)致濕地對污染物的凈化能力有差異。王文東等[9]研究不同水力停留時(shí)間下，人工濕地對污染物的去除效果。發(fā)現(xiàn)隨著水力停留時(shí)間的增大，人工濕地的凈化效果越好。劉臻等[10]研究了不同的進(jìn)水方式與污染物去除之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水力負(fù)荷也是影響人工濕地凈化的重要影響因素。Chung等[11]的研究表明，水力負(fù)荷對人工濕地的處理效果有著顯著影響。本文結(jié)合大量文獻(xiàn)報(bào)道和徐州當(dāng)?shù)貧夂驐l件及濕地植物資源，依據(jù)植物對氮磷的去除結(jié)果，選取了6種挺水植物系統(tǒng)和2種沉水植物作為供試植物，研究不同污染負(fù)荷對人工濕地污染物凈化的影響，以期為選擇人工濕地實(shí)際運(yùn)行和處理效果提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和植物的選擇

1.1.1 試驗(yàn)裝置

將6種挺水植物系統(tǒng)和2種沉水植物系統(tǒng)之間用蠕動(dòng)泵連接起來，實(shí)現(xiàn)濕地運(yùn)行時(shí)的微水動(dòng)力條件。

1.1.2 植物的選擇

本研究選取的香蒲、再力花、蘆葦、花葉蘆竹、黃菖蒲、矮蒲葦6種挺水植物和苦草、伊樂藻2種沉水植物，其植物特征見表1。

表1 供試植物性狀特征

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

1.2.1 進(jìn)水濃度條件

本文中的試驗(yàn)污水采自徐州豐縣康達(dá)污水處理廠。具體污水濃度如表2所示。

表2 試驗(yàn)污水各指標(biāo)濃度

1.2.2 水力負(fù)荷設(shè)定

根據(jù)大沙河西濕地實(shí)際進(jìn)水情況，選取3組最常見的流量作為濕地代表流量，計(jì)算各自的水力負(fù)荷。將濕地實(shí)際的水力負(fù)荷作為實(shí)驗(yàn)水力負(fù)荷，乘以桶的表面積，得單個(gè)桶在3種水力負(fù)荷下的流量，計(jì)算結(jié)果見表3。其中，蠕動(dòng)泵每天每運(yùn)行6 h休息2 h，即蠕動(dòng)泵每天運(yùn)行18 h。

表3 試驗(yàn)水力負(fù)荷及試驗(yàn)所需總水量

1.3 分析方法

為了篩選大沙河西人工濕地基地中對污染物去除效果較好的水生植物，對試驗(yàn)中各植物所處水體進(jìn)行水樣監(jiān)測。具體監(jiān)測指標(biāo)、分析方法和儀器見表4。

表4 監(jiān)測指標(biāo)、分析方法及所用儀器

1.4 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是指安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。其原理是利用正交表來安排和分析多因素試驗(yàn)的一種方法。即，在全部的水平組合中，挑選部分有代表性的水平進(jìn)行試驗(yàn)的方法。通過對這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合。為重點(diǎn)考察人工濕地結(jié)構(gòu)因素的影響，選取污染物濃度和水力負(fù)荷作為正交設(shè)計(jì)因素，安排正交試驗(yàn)，見表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與分析

2.1 對COD去除的影響

圖1為各因素水平下COD的去除率。由圖1可知，隨著水力負(fù)荷的增大，人工濕地系統(tǒng)對COD的去除率呈穩(wěn)定趨勢，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸穩(wěn)定。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的COD去除率分別為33%、30%、37%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的COD去除率分別為34%、37%、36%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的COD去除率分別為44%、40%、41%?？梢钥闯觯斯竦貙OD的去除率總體較低，這是因?yàn)榱鬟M(jìn)濕地的為經(jīng)污水處理廠處理過的尾水，有機(jī)污染物組成情況復(fù)雜，難以處理且去除效果不穩(wěn)定，但總的來說濕地植物的吸收、吸附作用、微生物的分解作用和基質(zhì)的吸附作用，使?jié)竦刂蠧OD的濃度逐漸降低。但是植物去除COD的能力有限，以至于改變水力負(fù)荷或污染物濃度都無法有效地增加COD的去除率。

圖1 各因素水平下COD的去除率

2.2 對TP去除的影響

圖2為各因素水平下TP的去除率，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增大，人工濕地系統(tǒng)對TP的去除率呈遞減趨勢，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸增加，水力負(fù)荷是影響TP去除效果的主要因素。與張國珍等[12]研究不同的是，其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的TP去除率分別為52%、48%、43%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的TP去除率分別為63%、58%、52%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的TP去除率分別為90%、80%、72%。低水力負(fù)荷條件下，TP的去除率優(yōu)于梁康等[13]研究，這是由于水力負(fù)荷較低時(shí)，來水在濕地中停留時(shí)間較長，能夠與基質(zhì)、植物充分接觸，從而達(dá)到較好的除磷效果；中水力負(fù)荷條件下，水體的流速有所增加，對基質(zhì)和植物根莖的沖擊增大，使得基質(zhì)和植物對TP的吸附量有所減少，但流速的加快有助于提高水體DO含量，使聚磷菌等氧化細(xì)菌在好氧條件下過量吸附一部分磷，故而中水力負(fù)荷與低水力負(fù)荷條件下，TP的去除率相差不是很大；而高水力負(fù)荷條件下，污水的流速更大，沖擊基質(zhì)釋放出的磷遠(yuǎn)多于微生物的過量吸收，導(dǎo)致TP去除率下降較明顯。

圖2 各因素水平下TP的去除率

2.3 對TN去除的影響

圖3為不同水力負(fù)荷對人工濕地TN去除效果的影響圖，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增大，人工濕地系統(tǒng)對TN的去除率呈遞減趨勢，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸增加，水力負(fù)荷是影響TN去除效果的主要因素。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的TN去除率分別為87%、85%、81%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的TN去除率分別為91%、88%、84%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的TN去除率分別為97%、96%、92%。TN的去除率比閆暉敏等[14]研究的去除率要高，這是由于試驗(yàn)期為春夏季，正處于植物生長階段，所需氮量較大，且此階段溫度適宜，微生物反應(yīng)較強(qiáng)，再加上基質(zhì)對TN的吸收，人工濕地系統(tǒng)對TN呈現(xiàn)出了很好的去除效果。在水力負(fù)荷較低時(shí)，來水在濕地中停留時(shí)間較長，能與基質(zhì)、植物充分接觸，使其吸附沉降效果增大，同時(shí)也能為微生物提供充分反應(yīng)的時(shí)間，因而除氮效果最好[15]；當(dāng)水力負(fù)荷為中水力負(fù)荷時(shí)，水體的流速有所增加，對基質(zhì)、植物根莖的沖擊增大，使得基質(zhì)、植物對TN的吸附量有所減少，但流速的加快有利于提高水體DO含量，使得硝化細(xì)菌的硝化作用得以較好的發(fā)生，故而中水力負(fù)荷與低水力負(fù)荷對去除率的影響不是很大；而高水力負(fù)荷條件下，其污水的流速更大，停留時(shí)間大幅縮短，使得硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌不能有效地轉(zhuǎn)化氮，導(dǎo)致TN去除率下降。

圖3 各因素水平下TN的去除率

2.4 對去除的影響

圖4 各因素水平下的去除率

2.5 對NO3-N去除的影響

圖5為不同水力負(fù)荷對人工濕地NO3-N去除效果的影響圖，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增加，人工濕地系統(tǒng)對NO3-N的去除率呈逐漸減小的趨勢，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸增加，水力負(fù)荷是影響NO3-N去除效果的主要因素。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的硝態(tài)氮去除率分別為92%、86%、83%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的NO3-N去除率分別為94%、90%、86%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的NO3-N去除率分別為97%、93%、90%。這同樣是由于DO含量較低，而此時(shí)起作用的細(xì)菌主要是反硝化細(xì)菌，反硝化作用較強(qiáng)，因此對NO3-N有較好的去除效果[16-17]。當(dāng)水力負(fù)荷為低水力負(fù)荷時(shí)，水體流速較小，停留時(shí)間較長，污染物與微生物接觸時(shí)間充分，濕地系統(tǒng)對NO3-N的去除效果最好；而中、高水力負(fù)荷時(shí)，水體流速有所增加，水中溶氧含量提高，且水體在濕地中的停留時(shí)間較短，因此隨著水力負(fù)荷的增加，NO3-N的去除率呈下降趨勢。

圖5 各因素水平下NO3-N的去除率

2.6 對BOD去除的影響

圖6為不同水力負(fù)荷對人工濕地BOD去除效果的影響圖，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增加，人工濕地系統(tǒng)對BOD的去除率呈逐漸穩(wěn)定的趨勢，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸穩(wěn)定。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的BOD去除率分別為32%、36%、33%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的BOD去除率分別為30%、39%、37%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對應(yīng)的BOD去除率分別為36%、41%、39%。這是因?yàn)榱鬟M(jìn)濕地的為經(jīng)污水處理廠處理過的尾水，有機(jī)污染物組成情況復(fù)雜，但總體來說在濕地植物的吸收、吸附作用、微生物的分解作用及基質(zhì)的吸附作用下，濕地中BOD的濃度會(huì)下降[17]。

圖6 各因素水平下BOD的去除率

3 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)動(dòng)水試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得出：隨著水力負(fù)荷的增加，濕地污染物的去除基本呈遞減趨勢；水力負(fù)荷的大小是影響濕地去除污染物效果的主要因素；將水力負(fù)荷設(shè)置在0.09 m3/(m2·d)，人工濕地對污染物的凈化效果最好。而污染物濃度越大，人工濕地對污染物的凈化效果越好。這些可作為初步人工濕地的工藝參數(shù)，但還需要進(jìn)行長期的觀測、研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。尾水經(jīng)濕地處理后，氮磷的濃度基本能達(dá)到地表Ⅲ類水要求，但濕地對COD和BOD的凈化效果較差，但有一定的去除效果，其濃度總體上呈下降趨勢。由此可以考慮在濕地系統(tǒng)前期人為投加相應(yīng)的微生物，加強(qiáng)濕地對COD和BOD的去除效果。