不同基質(zhì)和植物人工濕地凈化效果試驗(yàn)

陳 潤(rùn),陳中祥,莫李娟

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.東臺(tái)市水利建設(shè)有限公司,江蘇鹽城 224000;3.水利部太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測(cè)局,江蘇無(wú)錫 214024)

不同基質(zhì)和植物人工濕地凈化效果試驗(yàn)

陳 潤(rùn)1,陳中祥2,莫李娟3

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;2.東臺(tái)市水利建設(shè)有限公司,江蘇鹽城 224000;3.水利部太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測(cè)局,江蘇無(wú)錫 214024)

分別以高爐渣、瓜子片、碎石為基質(zhì),美人蕉、黑三棱草、野茭白為植被構(gòu)建人工濕地模擬系統(tǒng),對(duì)其凈化效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,種植植物的濕地系統(tǒng)比未種植植物的濕地系統(tǒng)凈化效果好,不同植物同種基質(zhì)濕地系統(tǒng)對(duì)不同指標(biāo)的凈化效果各不相同,如不同植物對(duì)NH3-N和TN的凈化效果從高到低順序?yàn)?黑三棱草,美人蕉,野茭白;同種植物不同基質(zhì)濕地系統(tǒng)對(duì)不同指標(biāo)的凈化效果也不同,不同基質(zhì)對(duì)NH3-N和TN的凈化效果從高到低順序?yàn)?碎石,高爐渣,瓜子片。對(duì)NH3-N和TN濃度較高的污染環(huán)境,采用碎石為基質(zhì)、黑三棱草為植被的人工濕地系統(tǒng)效果最佳。

人工濕地系統(tǒng);基質(zhì);水生植物;凈化效果

在眾多污水治理技術(shù)中,人工濕地具有投資及運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行管理方便、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、出水具有一定的生物安全性及生態(tài)環(huán)境效益顯著等特點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛,已被用于處理各類(lèi)污水[1-6]。人工濕地是自適應(yīng)系統(tǒng),在構(gòu)成人工濕地污水處理系統(tǒng)的水體、基質(zhì)、水生植物和微生物四大基本要素中,基質(zhì)、水生植物和微生物或三者相互之間通過(guò)一系列物理、化學(xué)以及生物途徑,可以完成對(duì)污染物的高效去除[7-8]。其中植物和基質(zhì)是兩個(gè)相對(duì)容易用工程手段來(lái)調(diào)節(jié)的要素[9]。筆者分別以高爐渣、瓜子片、碎石為基質(zhì),美人蕉(canna)、黑三棱草(sparganium grass)、野茭白(wild rice stem)為植被構(gòu)建人工濕地模擬系統(tǒng),對(duì)人工濕地技術(shù)去除生活污水N、P和COD的效果及機(jī)理進(jìn)行初步探索,旨在為農(nóng)村人工濕地建設(shè)中填料基質(zhì)和濕地植物的選擇等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

植物:野茭白采自長(zhǎng)江江堤附近的生態(tài)濕地,美人蕉和黑三棱草均購(gòu)自苗棚。當(dāng)黑三棱草和美人蕉高8～10cm時(shí)與野茭白(修剪為15cm左右)同移栽到人工濕地系統(tǒng)內(nèi),注入污水預(yù)培養(yǎng)2周后開(kāi)始試驗(yàn)。

基質(zhì):瓜子片、碎石來(lái)自采石場(chǎng),所用表面覆蓋填料均為建筑材料黃沙。高爐渣粒徑為20～35mm,碎石粒徑為25～45mm,瓜子片粒徑為10～15mm。

采用塑料箱模擬人工濕地,尺寸:56cm×46 cm×35cm。在其內(nèi)側(cè)底部埋設(shè)PVC管,一端插入箱底部,另一端伸出填料層處,用于進(jìn)排水。

在試驗(yàn)裝置內(nèi),建立高爐渣基質(zhì)、瓜子片基質(zhì)和碎石基質(zhì)3種凈化濕地系統(tǒng)。每種基質(zhì)濕地系統(tǒng)依植被種類(lèi)的不同均設(shè)3個(gè)處理系統(tǒng),分別栽種美人蕉、黑三棱草和野茭白。另外,3種基質(zhì)濕地系統(tǒng)各設(shè)1個(gè)僅填充基質(zhì)而未種植物的系統(tǒng)作為空白對(duì)照,見(jiàn)表 1。

表1 不同基質(zhì)和植物濕地系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程和分析方法

1.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

植物移栽在2008年7月上旬結(jié)束,植物移栽到塑料箱中后先灌入自來(lái)水,待植物適應(yīng)1周后,再灌入污水,使植物適應(yīng)并使箱體內(nèi)生物膜掛上,2周后進(jìn)行污水處理效果試驗(yàn)。試驗(yàn)用水取自化糞池,pH值中性,水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)。3種基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)均采用間隙方式進(jìn)水,污水一次性注入,水力停留時(shí)間為6d。各凈化系統(tǒng)的下一周期污水均在前一周期排水后的隔天注入,整個(gè)試驗(yàn)期共分8個(gè)凈化周期。3種不同基質(zhì)人工濕地每周期進(jìn)水量均為20L,水力負(fù)荷為0.013m3/(m2?d)。試驗(yàn)期間因植物蒸發(fā)和自由蒸發(fā)而損失的污水不再進(jìn)行補(bǔ)充,忽略不計(jì)。每個(gè)凈化周期開(kāi)始前取1份原水,再在每個(gè)凈化周期結(jié)束后自各凈化系統(tǒng)出水口采集出水,分析pH 值、TN、NH3-N、TP和COD指標(biāo),同時(shí)記錄各系統(tǒng)的出水體積。

1.2.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)方法參照文獻(xiàn)[10]。植物樣品中的全氮和全磷采用常規(guī)檢測(cè)方法測(cè)定。各污染物去除率計(jì)算公式為:

式中:C0為初始濃度;V0為初始時(shí)體積;Ci為第i天濃度;Vi為第i天的水體積。

2 結(jié)果與分析

圖1 高爐渣濕地系統(tǒng)

2.1 對(duì)TN和NH3-N的凈化效果

不同濕地系統(tǒng)對(duì)TN和NH3-N的凈化效果見(jiàn)圖1、2 和 3。

運(yùn)行初期,由于3種供試基質(zhì)表面未形成生物膜,故對(duì)TN的去除能力有限,除碎石基質(zhì)濕地去除率達(dá)到34%外,高爐渣和瓜子片基質(zhì)濕地對(duì)TN的去除率僅為15%和13%。運(yùn)行穩(wěn)定期間,各基質(zhì)表面都形成了較為穩(wěn)定的生物膜,去除率均有不同程度的提高[11],其中碎石對(duì)TN的去除率達(dá)到72%,高爐渣和瓜子片基質(zhì)濕地分別為60%和48%。

圖2 瓜子片濕地系統(tǒng)

圖3 碎石濕地系統(tǒng)

3種基質(zhì)濕地對(duì)NH3-N的去除率與TN無(wú)明顯差異。運(yùn)行初期,碎石、高爐渣和瓜子片基質(zhì)濕地對(duì)NH3-N的去除率分別為31%、13%和12%。運(yùn)行穩(wěn)定期,各基質(zhì)表面形成了較為穩(wěn)定的生物膜,去除率均有不同程度的提高,碎石、高爐渣和瓜子片基質(zhì)濕地對(duì)NH3-N的去除率分別為72%、52%和44%。

不同空白對(duì)照系統(tǒng)對(duì)污水中TN、NH3-N的凈化效果見(jiàn)圖4。

圖4 空白對(duì)照系統(tǒng)對(duì)TN、NH3-N的去除

盡管空白對(duì)照系統(tǒng)中無(wú)植物的存在,卻仍能保持較高的 TN、NH3-N去除率,可能原因主要有 3點(diǎn)[12]:①濕地的氨負(fù)荷相對(duì)較低,且碎石、高爐渣、瓜子片3種基質(zhì)具有一定的NH3-N吸附能力,輸入污水的部分NH3-N被基質(zhì)吸附;②空白對(duì)照系統(tǒng)存在一定數(shù)量的硝化、反硝化細(xì)菌,NH3-N通過(guò)硝化-反硝化作用得以部分去除;③試驗(yàn)期間,空白對(duì)照系統(tǒng)中藻類(lèi)的生長(zhǎng)吸收利用了部分輸入的氮。

從以上結(jié)果可見(jiàn),人工濕地可有效地去除污水中的氮,高爐渣、瓜子片、碎石濕地系統(tǒng)的TN、NH3-N去除率均高于空白對(duì)照系統(tǒng),植物的存在一定程度上提高了各系統(tǒng)對(duì)TN和NH3-N的去除效果。不同基質(zhì)對(duì)TN和NH3-N的去除效果從高到低順序?yàn)?碎石,高爐渣,瓜子片;不同植物對(duì)NH3-N和TN的去除效果從高到低順序?yàn)?黑三棱草,美人蕉,野茭白。

2.2 對(duì)TP的凈化效果

不同濕地系統(tǒng)對(duì)TP的凈化效果見(jiàn)圖5。

理論上,人工濕地系統(tǒng)中的磷可以通過(guò)植物的吸收、微生物的固定、填料的吸附等作用去除,但最主要的是填料吸附和化學(xué)沉淀作用[13]。由圖5可知,3種基質(zhì)人工濕地對(duì)TP均有較高的去除率,各濕地系統(tǒng)的TP平均去除率均在85%以上。

在運(yùn)行初期,高爐渣濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果較為明顯[14],而碎石和瓜子片對(duì)TP的去除效果相對(duì)較低。高爐渣濕地系統(tǒng)對(duì)TP去除率仍能保持在95%以上,而瓜子片的去除率大于90%,碎石的去除率大于85%。

圖5 不同濕地系統(tǒng)對(duì)污水中TP的去除

圖6 不同濕地系統(tǒng)對(duì)污水中COD的凈化效果

從圖5還可以看出,植物與無(wú)植物系統(tǒng)對(duì)TP的去除效率存在著比較明顯的差異。隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng),在對(duì)TP的去除效果上,植物的作用越來(lái)越明顯。綜合幾種植物的凈化效果,美人蕉濕地對(duì)TP的去除率最高,其他兩種植物濕地依次為黑三棱草和野茭白。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,植物濕地系統(tǒng)對(duì)TP的平均去除率為97%,無(wú)植物系統(tǒng)的為77%,二者相差20%。這一結(jié)果表明,基質(zhì)在磷的去除中起到了很大的作用,而植物的作用遠(yuǎn)小于基質(zhì)。

從以上結(jié)果可見(jiàn),人工濕地可有效地去除污水中的磷,植物的存在一定程度上提高了各系統(tǒng)的TP的去除效果。美人蕉、黑三棱草和野茭白的TP去除率均高于空白對(duì)照系統(tǒng)。不同基質(zhì)對(duì)TP的去除效果從高到低順序?yàn)?高爐渣,碎石,瓜子片;不同植物對(duì)TP的去除效果從高到低順序?yàn)?美人蕉,黑三棱草,野茭白。

2.3 對(duì)COD的凈化效果

不同濕地系統(tǒng)對(duì)COD的凈化效果見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出,人工濕地對(duì)COD具有明顯的去除能力。不溶性COD通過(guò)人工濕地的沉淀和過(guò)濾很快從污水中截留下來(lái),被微小生物加以利用,可溶性COD則可通過(guò)生物膜的吸附及微生物的代謝過(guò)程被去除[15]。

由圖6可知,人工濕地對(duì)COD的去除效果較好。其中,碎石和瓜子片濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果較為明顯,而高爐渣對(duì)COD的去除效果相對(duì)較低。植物系統(tǒng)出水COD的濃度始終低于無(wú)植物系統(tǒng),而且兩個(gè)系統(tǒng)出水COD濃度之間的差異隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,植物和無(wú)植物系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率分別為72%、57%,相差15%。綜合幾種植物的凈化效果,野茭白濕地對(duì)COD的去除率最高,其他兩種植物濕地依次為黑三棱草和美人蕉。

但是,人工濕地對(duì)COD的去除存在著明顯的時(shí)段性:在運(yùn)行起始時(shí)期,系統(tǒng)對(duì)COD的去除能力強(qiáng)、效率高,但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),出水COD的濃度逐漸升高,對(duì)基質(zhì)和植物的作用有一定的影響,使得去除效率降低,但從整個(gè)過(guò)程來(lái)看,有基質(zhì)和植物的濕地系統(tǒng)要比空白系統(tǒng)對(duì)COD的去除率高。

從以上結(jié)果可見(jiàn),人工濕地可有效地去除污水中的COD,植物對(duì)COD的去除具有明顯的作用,植物系統(tǒng)去除COD的效果比未栽種植物的空白對(duì)照系統(tǒng)要好得多。不同基質(zhì)對(duì)COD的去除效果從高到低順序?yàn)?碎石,瓜子片,高爐渣;不同植物對(duì)COD的去除效果從高到低順序?yàn)?野茭白,黑三棱草,美人蕉。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.植物的存在一定程度上提高了各系統(tǒng)凈化效果。不同植物對(duì)NH3-N和TN凈化效果從高到低順序?yàn)?黑三棱草,美人蕉,野茭白;對(duì)TP的凈化效果從高到低順序?yàn)?美人蕉,黑三棱草,野茭白,對(duì)COD的凈化效果從高到低順序?yàn)?野茭白,黑三棱草,美人蕉。

b.同一植物不同基質(zhì)對(duì)生活污水的凈化效果有所不同。不同基質(zhì)對(duì)NH3-N和TN凈化效果從高到低順序?yàn)?碎石,高爐渣,瓜子片;對(duì) TP凈化效果從高到低順序?yàn)?高爐渣,碎石,瓜子片;對(duì)COD凈化效果從高到低順序?yàn)?碎石,瓜子片,高爐渣。

c.對(duì)NH3-N和TN濃度較高的污染環(huán)境,采用碎石為基質(zhì)、黑三棱草為植被的人工濕地系統(tǒng)效果最佳;對(duì)TP濃度較高的污染環(huán)境,采用高爐渣為基質(zhì)、美人蕉為植被的人工濕地系統(tǒng)效果最佳;對(duì)COD濃度較高的污染環(huán)境,采用碎石為基質(zhì)、野茭白為植被的人工濕地系統(tǒng)效果最佳。

d.空白對(duì)照系統(tǒng)(僅填充基質(zhì)未種植物)對(duì)污染物的凈化有一定效果。同一基質(zhì)濕地系統(tǒng)下,空白對(duì)照系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化效果明顯低于有植物的濕地系統(tǒng)。

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Experimental study on purification effect of constructed wetland with different substrates and plants

CHEN Run1,CHEN Zhong-xiang2,MO Li-juan3
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Dongtai Water Conservancy Construction Company Limited,Yancheng224000,China;3.Monitoring Bureau of Hydrology and Water Resources,Taihu Basin Authority,Wuxi214024,China)

Constructed wetland simulation systems with blast furnace slag,melon slices,and gravel as substrates,and canna,sparganium grass,and wild rice stem as vegetation,were constructed,and experiments on the purification effect of TN,NH+3-N,TP,and CODCrwere carried out.The purification effect was more obvious in wetlands with plants than in wetlands without plants.Constructedwetland systems with different plants reacted differently to the purification effect in the same substrate,and the order of the purification effect of different plants for NH+3-N and TN was rhizoma scirpi yagarae＞canna indica＞zizania aquatica.The same plants in a different substrate also had different purification effects,and the order of the purification effects for NH+3-N and TN was gravel＞blast furnace slag＞melon slices.Therefore,with high NH+3-N and TN concentration,the constructed wetland using gravel as the substrate and rhizoma scirpi yagarae as the vegetation was the most effective system.

constructed wetland system;substrate;aquatic plants;purification effect

X171.4

B

1004-6933(2010)04-0062-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.017

陳潤(rùn)(1985—),男,江蘇東臺(tái)人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。E-mail:chenrun1008@hhu.edu.cn

2009-03-30 編輯:高渭文)