不同組合基質的垂直流人工濕地對富營養化水體的凈化效果

齊 丹,盧徐節,王興華

(海南熱帶海洋學院 海洋科學技術學院,海南 三亞 572022)

不同組合基質的垂直流人工濕地對富營養化水體的凈化效果

齊 丹,盧徐節,王興華

(海南熱帶海洋學院 海洋科學技術學院,海南 三亞 572022)

為研究不同組合基質的垂直流人工濕地凈化效果的影響,采用六種基質(大碎石、花崗石、鵝卵石、粗砂、礫石、土壤)構建兩種不同組合基質結構的垂直流人工濕地,對富營養化水體進行凈化.實驗結果表明,以土壤、礫石、花崗巖、大碎石為組合基質的人工濕地系統(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、大碎石為組合基質的人工濕地系統(CWs2)的平均去除率分別為37.8 %、65.2%、45.2%、27.2%、19.6%.組合基質CWs1對磷的去除效果優于CWs2,對氮的去除率低于CWs2;兩種組合基質垂直流人工濕地對富營養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;垂直流人工濕地;凈化;富營養化水體

0 引言

隨著經濟發展,河流、湖泊水體富營養化污染日益加劇,水環境污染控制與治理面臨著巨大挑戰.人工濕地(constructed wetlands , CWs)是一種天然凈化與人工強化相結合的復合工藝,主要通過植物、微生物、基質填料的協同作用對水體中污染物進行吸附、同化、轉化,以達到凈化水體的目的[1-2].目前得到越來越廣泛的應用及持續研究[3-6].

基質填料是人工濕地系統的重要組成部分,對污水凈化效果具有重要促進作用[7-8].基質填料在人工濕地系統中不僅通過自身作用(過濾、吸附、吸收、絡合、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定依附面;為植物生長提供載體和部分營養源[9].不同的基質由于其孔隙度、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,降低水力傳導率,形成地表漫流,不利于人工濕地長期穩定運行[10-11].基質粒徑越大,越有利于水力傳導,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,影響水質的凈化效果[14].因此,根據不同基質填料的粒徑、滲透系數、水力傳導率等理化特性差異,合理將不同基質填料搭配組合,尋求一種高效、低成本、便于運行管理的混合型基質具有重要的現實意義.

本實驗采用六種基質(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,通過對富營養水體氮、磷凈化效果的對比研究,探討兩組基質在垂直流人工濕地中對水質凈化的貢獻差異,為構建高效的垂直流人工濕地選擇合適的基質、為富營養化水體凈化修復提供參考.

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中,水力停留時間設為24 h,通過裝置底部出水口排出.

1.2 組合基質

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

1.3 進水水質

實驗進水為模擬廢水,為異常富營養化水體,水質參數為: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,系統穩定后,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,測定出水各指標濃度.

1.5 分析方法

廢水各項指標測定方法見表2.

表2 各項指標測定的方法

2 結果與分析

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、微生物同化和基質填料的吸附截留去除污水中的磷.其中,基質填料因其自身物理化學特性,吸附且與各種價態磷酸根離子進行化學反應.不同的基質與微生物附著能力不同,因此導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進行凈化處理,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到了50%以上.因此CWs1組合基質對富營養化污水中TP的去除效果明顯優于CWs2.

圖3 人工濕地對PO4-P的去除效果

2.2 不同組合基質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、細菌和藻類所利用,被認為是內陸水體(如湖泊等)的一種限制性營養鹽[16].化肥、洗滌劑中含有大量磷酸鹽,生活污水、農業地表徑流等含有大量磷酸鹽污水進入自然水體中造成富營養化,因此水體中磷酸鹽含量對水體的富營養起到較大影響[17].將1.3中污水通入垂直流人工濕地系統中進行凈化處理,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.系統處理初期,大量磷酸鹽被基質吸附,去除率較高;系統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%.因此基質組合CWs1對富營養化污水中的PO4-P去除效果稍優于CWs2.

圖4 人工濕地對NH4-N的去除效果

2.3 不同組合基質人工濕地對氨氮的去除效果

人工濕地中氨氮的去除機制是多樣的,除植物和原生動物攝取、基質吸附和反應外,還包括微生物(如硝化菌)將氨氮轉化為亞硝態氮和硝態氮及氮揮發[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中進行凈化處理,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CWs2對富營養化水體中的NH4-N去除效果稍優于CWs1.

氨氮在兩組基質垂直流人工濕地中均呈現出波動性.硝化作用是好氧過程,主要由亞硝化細菌和硝化細菌來完成.富營養化水體中營養鹽含量高,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濕地內部環境缺氧[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菌和硝化細菌的活性,降低微生物的硝化作用[19].硝化細菌活性降低后,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,又重新促進了硝化作用,使氨氮去除率增高.因此,呈現出一定的波動.

2.4 不同組合基質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中進行凈化處理,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%.總體上基質組合CWs2對富營養化污水中NO3-N的去除效果稍優于CWs1.

硝酸鹽氮在兩組基質垂直流人工濕地中均呈現出波動性,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 不同組合基質人工濕地對亞硝酸鹽氮去除效果

亞硝酸鹽為細菌硝化和反硝化作用的中間產物.人工濕地中無氧條件下反硝化細菌將亞硝酸鹽轉化為氨氮,在有氧條件下硝化細菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽[22-23].將1.3中廢水通入垂直流人工濕地系統中進行凈化處理,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%.總體上基質組合CWs2對富營養化污水中NO2-N的去除效果稍優于CWs1.

3 結論

(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CWs1人工濕地和組合基質CWs2人工濕地對富營養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CWs1對磷的去除率優于CWs2;組合基質CWs2對氮的去除率優于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,王興華.不同組合基質的垂直流人工濕地對富營養化水體的凈化效果[J].海南熱帶海洋學院學報,2017，24(2):13-17.

2017-02-19

海南省社會發展科技專項(2015SF09)

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

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

X703

A

2096-3122(2017) 02-0013-05

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.02.03