香根草人工濕地處理生活污水的試驗(yàn)研究

蔣 敏 秦普豐 雷 鳴 徐志霖

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）

人工濕地是人為地模擬天然濕地而建造的可控生態(tài)系統(tǒng)；是在某些方面得到了強(qiáng)化的去污型濕地；是基質(zhì)—植物—微生物的有機(jī)結(jié)合；是通過(guò)物理、化學(xué)、生物作用對(duì)污水進(jìn)行處理的生態(tài)系統(tǒng)[1,2]。

無(wú)論是在天然濕地還是在人工濕地中，植物都是濕地系統(tǒng)中最為重要的生物種群之一，濕地植物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的作用主要表現(xiàn)在：1.在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，發(fā)達(dá)的根系吸收污水中的各類營(yíng)養(yǎng)鹽，并且對(duì)重金屬等有富集作用，是出水水質(zhì)的有效保證；2.縱橫交錯(cuò)的根系是各類微生物的棲居的最佳場(chǎng)所，是微生物降解污染物的良好載體；3.植物加強(qiáng)了土壤的蓄水能力，延長(zhǎng)了水體中的污染物與去污主體的接觸時(shí)間，增加了濕地的除污能力；4.許多濕地植物自身還具有良好的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以美化環(huán)境和創(chuàng)造效益[3-5]。

本試驗(yàn)通過(guò)建立香根草人工濕地模擬系統(tǒng)，研究香根草人工濕地處理生活污水的效果和系統(tǒng)的耐污能力，為香根草人工濕地應(yīng)用于生活污水的處理，提供了參考和指導(dǎo)。

1.試驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

儀器和設(shè)備：微波消解COD測(cè)定儀（MS-3型，廣州華宙環(huán)境科技發(fā)展有限公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9140A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、手提式壓力蒸汽滅菌鍋（YMSI-280型，寧波市鎮(zhèn)海金鑫醫(yī)療器械有限公司）、可見光分光光度計(jì)（721E型，上海光譜儀器有限公司制造）、紫外光分光光度計(jì)。

藥品和試劑：重鉻酸鉀（優(yōu)級(jí)純）、磷酸二氫鉀（優(yōu)級(jí)純）、硝酸鉀（優(yōu)級(jí)純）、鹽酸、20%氫氧化鈉溶液、硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液、試亞鐵靈指示劑、硫酸銀-硫酸催化劑、堿性過(guò)硫酸鉀溶液、抗壞血酸、鉬酸鹽溶液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 床體的尺寸

床體內(nèi)側(cè)長(zhǎng)150cm，寬40cm，深50cm，進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)長(zhǎng)各為10cm，用日光燈提供光照，燈管的長(zhǎng)度為 120cm。

1.2.2 植物的栽種和填料的選擇

試驗(yàn)把人工濕地的處理區(qū)分為4段，每個(gè)區(qū)段栽種3株香根草（每株3～5棵不等）。配水區(qū)和集水區(qū)的填料采用60～100mm粒徑的礫石，兩個(gè)區(qū)的高度均為45～48mm。處理區(qū)填料底層為60～100mm的礫石，厚5cm；中層為煤渣和土壤（5:1）的混合物，厚度為30cm；表層為粉煤灰和土壤（1:5）的混合物，厚度10～15cm，見圖1。

圖1 人工濕地處理系統(tǒng)示意圖

1.2.3 試驗(yàn)方法和研究?jī)?nèi)容

污水采集自學(xué)校生活污水排污溝，水力負(fù)荷控制在16～25mL/min，水力停留時(shí)間為6h，試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)定的指標(biāo)為進(jìn)水出水的COD、TP和TN，測(cè)定方法分別為重鉻酸鉀密封消解法、鉬銻抗分光光度法和紫外分光光度法[6]。

2.結(jié)果與討論

通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)狀況的觀察和對(duì)污水各種指標(biāo)的測(cè)定，確定濕地系統(tǒng)的處理效果和植物的耐污性。

2.1 COD的去除效果及分析

在連續(xù)進(jìn)水的情況下，定時(shí)檢測(cè)進(jìn)水和出水的COD，結(jié)果見表1，在進(jìn)水濃度有小幅度增加的情況下，出水COD濃度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)闈竦剡\(yùn)行之初，生物群落尚未成型，其降解作用還不明顯，廢水COD的去除率主要靠基質(zhì)的過(guò)濾截留作用，并且污物在基質(zhì)中的連續(xù)積累會(huì)降低基質(zhì)的透水性，加強(qiáng)基質(zhì)的過(guò)濾截留作用，使得出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

表1 香根草人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除率

2.2 TP的去除效果及分析

系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果如表2所示，進(jìn)水濃度為1.82mg/L時(shí)，去除率為93.96%；進(jìn)水濃度為1.95mg/L時(shí)，去除率為82.56%；進(jìn)水濃度為1.67mg/L時(shí)，去除率為89.8%；濕地對(duì)總磷的去除效果比較穩(wěn)定，基本維持在85%左右，隨進(jìn)水濃度的變化沒有明顯的相關(guān)性，因?yàn)闈竦剡\(yùn)行之初，生物除磷能力有限，主要依靠煤渣和粉煤的物理吸附和化學(xué)作用來(lái)去除污水中的磷，煤渣、粉煤灰遇水后呈現(xiàn)弱堿性，可以強(qiáng)化除磷效果。

表2 香根草人工濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除率

2.3 TN的去除效果及分析

進(jìn)水水質(zhì)在19.74～27.43mg/L之間波動(dòng)的情況下，TN的去除效果在70%左右，見表3。香根草在栽種后生長(zhǎng)速度快，無(wú)葉片枯黃現(xiàn)象，表明香根草生長(zhǎng)所需的氮素充足，植物可以吸收利用污水中各種形態(tài)的氮，尤其是無(wú)機(jī)氮作為營(yíng)養(yǎng)源來(lái)合成自身生長(zhǎng)需要的蛋白質(zhì)，可見香根草的生長(zhǎng)起到了良好的脫氮作用。另外，根據(jù)檢測(cè)該濕地系統(tǒng)內(nèi)部的溶解氧濃度和溫度，都很適合反硝化細(xì)菌對(duì)氮的作用。

表3 香根草人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率

2.4 香根草人工濕地系統(tǒng)的耐污性

為了研究香根草濕地系統(tǒng)的耐污性，在濕地運(yùn)行穩(wěn)定后，試驗(yàn)設(shè)定了四個(gè)不同濃度的進(jìn)水，分別考察香根草的生長(zhǎng)情況和系統(tǒng)的耐污性，見表4。

表4 人工濕地的四個(gè)不同進(jìn)水濃度

觀察香根草的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)在不同污染負(fù)荷下，各植物長(zhǎng)勢(shì)良好，每分蘗達(dá)到15～20個(gè)，根系發(fā)育較快，有的植株甚至長(zhǎng)出了新苗，由此說(shuō)明香根草具有很好的耐污性。

隨著污染負(fù)荷的升高，COD、TP和TN的去除效果出現(xiàn)了不同規(guī)律，COD在進(jìn)水濃度為369.6mg/L時(shí)，去除效果最好，達(dá)到了70%左右，TP和TN的去除效率則隨著污染負(fù)荷的增大而變小，但去除效果仍比較理想，表明系統(tǒng)在上述水質(zhì)條件下耐污能力良好，見圖2。

圖2 進(jìn)水濃度對(duì)去除率的影響

3.結(jié)論

（1）在水力停留時(shí)間為6h時(shí)，香根草人工濕地對(duì)低濃度生活污水的TP去除率較高，達(dá)到了82.6～94.0%，對(duì)COD和TN的去除效率一般，分別為52.1～74.9%和69.1～75.7%。因此實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中香根草人工濕地可作為一級(jí)濕地處理，其后可設(shè)計(jì)二級(jí)和三級(jí)人工濕地處理以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）人工濕地系統(tǒng)的試驗(yàn)性研究選在室外進(jìn)行，是試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)用性的有效保證，另外，適當(dāng)提高出水口高度，可以減少水力負(fù)荷過(guò)大時(shí)基質(zhì)的流失。

（3）濕地運(yùn)行之初，對(duì)污染物尤其是COD的去除主要依靠吸附截留和化學(xué)沉淀，生物去除效果不明顯，因此剛開始調(diào)試的時(shí)候，進(jìn)水負(fù)荷不宜過(guò)高。

（4）根據(jù)所處理的污水水質(zhì)特征，合理選擇人工濕地基質(zhì)、濕地植物以及植物的栽種密度，不但能提高濕地出水水質(zhì)，還能降低濕地投資成本。

[1] 吳樹彪，董仁杰.人工濕地污水處理應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)， 2008，34（8）：5-10.

[2] 王寶貞，王琳.水污染治理新技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3] 應(yīng)俊輝.利用人工濕地處理農(nóng)村生活污水的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（4）：1104-1105.

[4] 沈耀良，王寶貞.人工濕地系統(tǒng)的除污機(jī)理[J].江蘇環(huán)境科技，1997，1（3）：1-5.

[5] 盧少勇，金相燦，余剛等.人工濕地的氮去除機(jī)理[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（8）：2670-2677.

[6] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.