復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)中污染物磷的去除規(guī)律研究

范英宏，洪蔚，林世華，侯世全

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081; 2.北京中鐵科節(jié)能環(huán)保新技術(shù)有限公司，北京 100081)

1 概述

磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一，而人工濕地污水處理技術(shù)由于具有處理效果好、氮磷去除能力強(qiáng)、管理方便、費(fèi)用低及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1－3］，正逐漸被應(yīng)用于污水處理中。人工濕地系統(tǒng)除磷的機(jī)理包括物理的、化學(xué)的和生物等各方面的因素。在這些因素包括的所有反應(yīng)中，有的除磷反應(yīng)過程相當(dāng)短，50 h之內(nèi)便可完成，而有的除磷反應(yīng)過程可能會(huì)持續(xù)很久，甚至超過50 d［4，5］。大部分的研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地系統(tǒng)主要依賴基質(zhì)的物理吸附和化學(xué)沉降去除污水中的磷［6，7］。物理因素主要是濕地基質(zhì)的吸附和截留作用，而化學(xué)因素主要包括沉淀作用、離子交換、及與某些金屬離子結(jié)合成不溶性的化合物或形成絡(luò)合物［8］。人工濕地系統(tǒng)除磷的生物因素主要是通過植物同化吸收，關(guān)于濕地植物的研究開展的比較多［9］。相關(guān)研究表明美人蕉、香蒲和千屈菜等植物有很高的耐污能力和很好的除磷效率［10］。但也有很多研究表明，人工濕地中部分植物吸收對(duì)磷的去除貢獻(xiàn)很小，約占5% ～10%［11］。但濕地植物龐大的根系能和填料表面一起形成特殊的生物膜結(jié)構(gòu)，對(duì)污染物的過濾、吸附、吸收、轉(zhuǎn)化等有相當(dāng)重要的作用［12］，有研究發(fā)現(xiàn)，通過收獲，使植物保持持續(xù)生長(zhǎng)的狀態(tài)，濕地植物和微生物可去除高達(dá)75%的磷。盡管微生物在濕地除磷過程中發(fā)揮著重要作用，但研究發(fā)現(xiàn)磷的去除效果與基質(zhì)微生物的數(shù)量不具有顯著相關(guān)性［13］。一般來說，人工濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷如果過大，系統(tǒng)除磷的能力將會(huì)隨之下降［14－15］。溫度也是影響磷去除效果的因素，大多研究表明，溫度較高的氣候條件能夠提高磷的去除效率，但是也有研究認(rèn)為，濕地的去除磷的能力受溫度變化的影響較?。?6－17］。不同構(gòu)造人工濕地系統(tǒng)甚至是相同構(gòu)造的人工濕地系統(tǒng)由于其所選擇的填料、植物以及運(yùn)行條件的不同，導(dǎo)致它們對(duì)磷的去除效率相差很大，有些濕地磷去除率高達(dá)90%以上［18－19］，而有的研究中人工濕地系統(tǒng)的除磷能力很低甚至無法監(jiān)測(cè)出［20］。本研究采用復(fù)合垂直流人工濕地進(jìn)行生活污水處理試驗(yàn)，探討濕地系統(tǒng)對(duì)污染物磷的去除規(guī)律，以期為實(shí)際工程提供依據(jù)與參考。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)整體尺寸為3.0 m×1.5 m×0.65 m，每個(gè)床體的上下行池的表面積均分隔成兩個(gè)1.5 m×1.5 m，下行池深為650 mm，上行池深為600 mm，兩池中間設(shè)有隔墻，底部連通。系統(tǒng)進(jìn)水采用DN50 mm穿孔管布水，出水采用側(cè)孔出水。濕地床體基質(zhì)選用礫石為主，濕地系統(tǒng)種黃菖蒲。系統(tǒng)剖面圖如圖1所示，下行池側(cè)面從上到下設(shè)4個(gè)采樣口，上行池側(cè)面從下到上設(shè)4個(gè)采樣口，共8個(gè)采樣口。

圖1 復(fù)合垂直流人工濕地剖面圖

2.2 試驗(yàn)方法

將北京市懷柔區(qū)某廠生活污水抽至2 m3的蓄水池，運(yùn)行方式為連續(xù)流，控制進(jìn)水流量為0.2～1.0 m3/d，水力負(fù)荷為44～222 mm/d。從8月18至12月15日連續(xù)進(jìn)4個(gè)月的試驗(yàn)，定期取水樣測(cè)定溫度、溶解氧和TP等指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合垂直流濕地中總磷的沿程變化

11月份在水力負(fù)荷67 mm/d的條件下，對(duì)濕地進(jìn)行了采樣分析，研究TP在濕地中的沿程變化規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。在下行池，出水中總磷的含量是隨著水流的方向逐漸降低，而且磷的去除在下行池中基本完成，去除率達(dá)90%以上。這說明進(jìn)水中的磷主要在基質(zhì)填料中不斷地被去除，因?yàn)橛醒芯勘砻?，濕地?nèi)部的生物量的增長(zhǎng)去除磷并不是復(fù)合垂直流人工濕地除磷的主要機(jī)理。復(fù)合垂直流人工濕地基質(zhì)中的磷的積累主要是鐵磷和鈣磷的積累，這也和以往的研究中發(fā)現(xiàn)的磷與鈣、鐵離子親和力更強(qiáng)一致［18］。而且也有研究表明，礫石對(duì)磷的吸附能力比較強(qiáng)［21］。而在上行池中，出水中總磷有上升趨勢(shì)，但不如有關(guān)研究結(jié)果明顯，這說明上行池中的磷不斷析出到水流中，上行池出現(xiàn)了磷的釋放現(xiàn)象［22－24］。

圖2 TP濃度及去除率沿程變化

上行流濕地單元并非是基質(zhì)含磷最多的單元，但是由于進(jìn)水在從下行池流向上行池時(shí)，內(nèi)部的磷已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)程度的凈化，因此進(jìn)入到上行池的水中磷的含量已經(jīng)很低，故當(dāng)流經(jīng)富集較多基質(zhì)磷的上行流池時(shí)，基質(zhì)中所含的磷特別是表層基質(zhì)中含的的磷便被沖刷下來。由此可推出，當(dāng)復(fù)合垂直流人工濕地在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行至出現(xiàn)磷釋放后，上行流單元是導(dǎo)致磷釋放現(xiàn)象產(chǎn)生的根源。因此，當(dāng)復(fù)合垂直流人工濕地除磷效率下降時(shí)，如果需要對(duì)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)更新基質(zhì)，應(yīng)當(dāng)首先考慮更換上行流人工濕地系統(tǒng)的基質(zhì)，可以最為有效地改善復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)除磷效率下降的現(xiàn)象。

3.2 不同水力負(fù)荷下總磷去除效果

由圖3可知，隨著水力負(fù)荷的降低，TP的去除效果明顯呈增加趨勢(shì)，這與有關(guān)研究結(jié)果也比較一致。但是水力負(fù)荷為222 mm/d的條件下TP的去除率卻略高于水力負(fù)荷為111 mm/d的去除率，這可能是因?yàn)榛|(zhì)對(duì)磷的吸附在人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行的初始階段很快，對(duì)磷的去除效果比較好，隨著基質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的飽和，基質(zhì)對(duì)磷吸附的速率越來越慢［21］。復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)總磷的去除效果比較好，在水力負(fù)荷為222 mm/d條件下還高達(dá)80%，而且相關(guān)研究結(jié)果表明，復(fù)合垂直流人工濕地在600、800、1 000 mm/d的水力負(fù)荷下對(duì)總磷的去除率分別為 46.13%、59.51%、51.60%。由此可見，復(fù)合垂直流人工濕地是高負(fù)荷的人工濕地系統(tǒng)。

圖3 不同水力負(fù)荷條件下TP的去除效果

3.3 溫度對(duì)總磷去除效果的影響

普遍認(rèn)為，當(dāng)水溫低于15℃植物和細(xì)菌活性較低，而高于26℃植物和細(xì)菌活性下降。由圖2和圖3可知，在氣候寒冷的11月、12月，復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)水溫為10℃左右，系統(tǒng)對(duì)總磷的凈化效率仍90%以上。這說明復(fù)合垂直流人工濕地去除磷的效果受氣溫的影響很小，這與Christos的研究一致［25－26］?？赡苁菨竦叵到y(tǒng)中受溫度影響的生物作用在濕地除磷的過程中的貢獻(xiàn)過小，不足以影響整個(gè)系統(tǒng)的除磷效率。也可能是由于復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)低溫的耐受能力比較強(qiáng)，使其特別適合在北方地區(qū)應(yīng)用。

3.4 溶解氧對(duì)TP去除效果的影響

由圖4可知，在復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)中，TP的去除率與進(jìn)水溶解氧濃度相關(guān)性不顯著，這與相關(guān)研究結(jié)果比較一致［27］，可能是濕地系統(tǒng)中TP的去除更多地是有賴于基質(zhì)的吸附和化學(xué)沉淀。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)污染物磷的去除效果較好。在水力負(fù)荷為222 mm/d的條件下，總磷的去除率為80%以上，而且總磷的去除效果隨著水力負(fù)荷的降低而增加，在水力負(fù)荷為66 mm/d條件下可高達(dá)90%以上。

圖4 進(jìn)水溶解氧對(duì)污染物去除效果的影響

(2)在復(fù)合垂直流人工濕地中總磷的去除主要發(fā)生在下行流池中，而在上行流池中存在磷的釋放現(xiàn)象，這是由于進(jìn)水中的磷在下行池已得到相當(dāng)程度的凈化，故當(dāng)流經(jīng)富集較多基質(zhì)磷的上行流池中時(shí)，基質(zhì)中所含的磷特別是表層基質(zhì)中含的磷便被沖刷下來，從而造成磷的釋放。

(3)研究結(jié)果表明，溫度對(duì)復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)磷的效果影響很小。在11、12月份，復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)磷的去除效果仍可高達(dá)90%以上。同樣，進(jìn)水溶解氧濃度與系統(tǒng)磷的去除率直接相關(guān)性不顯著。

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