不同級配基質(zhì)垂直流人工濕地對中水的凈化效果分析

盛辛辛，趙鳳岐，曹謹玲，劉青

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，山西 太谷030801）

近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國水污染日益嚴重，水資源的壓力也不斷增大。目前國內(nèi)外建立的污水處理工藝一般為二級工藝設(shè)計，但實際運行當中由于受污水量、處理費用、設(shè)備處理能力等多種因素的限制，處理后的中水仍處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。因此，節(jié)能降耗型的水處理技術(shù)成為生態(tài)環(huán)境建設(shè)中重要的研究課題。人工濕地作為新型的污水處理技術(shù)，其工藝簡單、成本低、管理方便，對于城市節(jié)能減排、廢水利用、改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實意義。近幾十年來，德國、美國等國家人工濕地發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍不斷擴大，除了用于處理城市污水外，還應(yīng)用于家畜與家禽糞水、面源污染［1］、工業(yè)廢水、暴雨徑流［2～3］、垃圾場滲濾液、富營養(yǎng)化湖水［4］的處理。據(jù)統(tǒng)計，我國廢水中生活污水占總排放量的53．8%［5］，在污水處理的總量中占有很大的比例。從目前情況看，利用人工濕地處理以生活污水為主的中水，并用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的研究還相對較少。鑒于此，本試驗把經(jīng)二級處理后的生活污水，引入不同基質(zhì)配比的復(fù)合垂直流人工濕地小試系統(tǒng)，從防止?jié)竦囟氯?，提高氮磷去除效果出發(fā)，重點研究了植物濕地床基質(zhì)材料的科學(xué)選擇和配比對中水深度凈化的影響，使處理后的水質(zhì)符合生態(tài)漁業(yè)用水指標。

1 材料與方法

1．1 試驗系統(tǒng)進水水質(zhì)

本試驗所用濕地進水為中水，其水質(zhì)透明度低，氮磷含量高，呈嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài)。且水面有一定量的懸浮物，夏季高溫季節(jié)腥臭味明顯，其水質(zhì)指標見表1。

表1 中水水質(zhì)指標表Table 1 Index changes of reclai med water

1．2 試驗動物

選用體質(zhì)健壯，無傷病的紅鯽魚500尾、孔雀魚100尾、長尾金鯽100尾。紅鯽魚和長尾金鯽由太原魚種場提供，紅鯽魚平均體長（3．80±0．56）c m，平均體重（2．66±0．61）g，長尾金鯽平均體長（8．20±0．62）c m，平均體重（11．50±0．48）g?？兹隔~購自太谷縣花鳥市場。

1．3 人工濕地小試系統(tǒng)

本處理系統(tǒng)位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技試驗站，由預(yù)處理池（二級沉淀）、高位儲水設(shè)備和濕地組成（見圖1）。其中，濕地采用填充不同基質(zhì)配比的玻璃鋼箱（0．9 m×0．6 m×0．6 m）組成，按不同高度梯度分A、B、C三級，高度差為0．4 m。其中A級為下行流濕地單元（蘆葦），B級為上行流濕地單元（美人蕉），C級為下行流濕地單元（水蓼）。小試系統(tǒng)進水采用自制打孔PVC管布水，出水口位于箱體底部，連接PVC出水管。高位儲水箱、植物濾床與養(yǎng)殖池相連接的進出水管道，均裝有閥門和水龍頭，可自由調(diào)控進出水流量。試驗共設(shè)4個組，每組設(shè)置3個重復(fù)，基質(zhì)配比見表2?；|(zhì)材料粗爐渣、煤矸石取自學(xué)校鍋爐房，其余基質(zhì)材料購于建材市場。本試驗使用的石灰石粒徑為10～40 mm，粗沙粒徑為2～5 mm，煤矸石粒徑為20～60 mm，卵石粒徑為8～20 mm，碎石粒徑為5～20 mm，粗爐渣粒徑為20～70 mm。

表2 人工濕地基質(zhì)配比Table 2 The Substrate composition in constructed wetlands

圖1 復(fù)合垂直流人工濕地平面圖Fig．1 Plan of integrated vertical－flow constructed wetland

1．4 系統(tǒng)運行條件

本研究小試系統(tǒng)植物生物濾床設(shè)置于二級沉淀池附近，7、8月高溫季節(jié)設(shè)置遮蔭網(wǎng)，防止試驗箱內(nèi)水溫過高。此垂直潛流濕地進水后水位保持在粗沙層以上5～8 c m。試驗時間為2010年7月16日至2010年8月20日。濕地采用間歇進水，日進水次數(shù)為兩次，水力停留時間為24 h。

1．5 養(yǎng)殖試驗

紅鯽魚用于各試驗組養(yǎng)殖試驗，孔雀魚用于出水的繁殖試驗，分別分為四個試驗組和對照組，試驗組分別用各組出水養(yǎng)殖，對照組用自來水養(yǎng)殖，紅鯽魚每組用魚100尾；孔雀魚每組雌雄各10尾；長尾金鯽用于濕地總出水養(yǎng)成試驗。

1．6 指標測定

氨氮、亞硝酸鹽、磷、溶解氧、p H等水質(zhì)指標采用意大利哈納（HANA－HI9804）多用途多參數(shù)水質(zhì)綜合流動實驗室配套裝置進行快速檢測，其中溶解氧和p H為電極法；魚的體重用電子天平稱量，體長用直尺測量。

1．7 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS19．0統(tǒng)計軟件處理試驗數(shù)據(jù)，通過單因子方差分析和Duncan＇s多重比較，顯著水平以P＜0．05為標準。魚體試驗中的成活率和增重率計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2．1 人工濕地不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)對溶解氧和p H的影響

從表3可以看出，四組出水的溶解氧含量都顯著降低，經(jīng)方差分析，四組出水都顯著低于進水（p＜0．05），其中第一和第四組相對較高。

由表4可知，本試驗中四組出水的p H相差不大，但與進水有顯著性差異（P＜0．05），四組出水p H相對進水來說都有下降，但是下降幅度不大。試驗中第一、三和四組的基質(zhì)配比中都有粗爐渣，爐渣中含有的 Ca O、Mg O、Fe2O3、Al2O3、K2O、Na2O等堿性氧化物被水浸泡后進入水體中，能提高水的堿度［6］，因此出水p H都保持堿性。

表3 人工濕地各組進出水溶解氧含量變化（平均值±標準誤）Table 3 Dissolved oxygen content of wetland influent and effluent water（Mean± SD）

表4 人工濕地各組進出水p H變化（平均值±標準誤）Table 4 The change of p H of wetland influent and effluent water（Mean±SD）

2．2 人工濕地不同基質(zhì)級配對氨氮去除率的影響

氨氮含量是衡量水體污染和富營養(yǎng)化程度的重要指標。污水中氨氮去除主要靠基質(zhì)和植物根系表面微生物的硝化和反硝化作用［7～10］。本試驗是在各小試單元植物配比結(jié)構(gòu)和填料粒徑一致的條件下來觀測不同基質(zhì)配制結(jié)構(gòu)對氨氮去除率的影響。從表5可以看出，四組出水的氨氮含量與進水相比都顯著降低（P＜0．05），且各組之間均有顯著性差異，氨氮平均含量第三組＜第一組＜第四組＜第二組，這表明基質(zhì)級配對濕地去除氨氮效果有較大影響?；|(zhì)配比中有爐渣填料的第一、三、四組對氨氮的去除效果較好，其氨氮的去除率分別為83．54%、85．15%、80．41%，而用煤矸石和石灰石作填料的第二組的去除氨氮效果最差，去除率為69．02%。

表5 人工濕地各組進出水氨氮含量變化（平均值±標準誤）Table 5 Change of Ammonia nitrogen content in wetland influent and effluent water（Mean±SD）

2．3 人工濕地不同基質(zhì)級配對亞硝酸氮含量的影響

四組出水亞硝酸鹽含量與進水相比都顯著升高（P＜0．05），且各試驗組差異顯著（P＜0．05）。而在第1、第6和第8次測定中，第一組和第四組差異不顯著（P＞0．05）（表6）。從表6可知，第一和第四組出水亞硝酸鹽含量較高，效果較差。

表6 人工濕地各組進出水亞硝酸鹽含量變化（平均值±標準誤）Table 6 Change of Nitrite content in wetland influent and effluent water（Mean± SD）

2．4 人工濕地不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)對磷的影響

從表7可知，四組出水的磷含量與進水相比均顯著降低（P＜0．05），但在8次觀測中第一與第二、第四組分別有5次差異不顯著（P＞0．05），這表明第一和第二、第四組去除磷效果相近。第三組與第一、二、四組有顯著性差異，且第三組出水磷的平均含量最高，這表明卵石粗爐渣組去除磷效果最差。

表7 人工濕地各組進出水磷含量的變化（平均值±標準誤）Table 7 Change of Phosphorus content in wetland influent and effluent water（Mean± SD）

2．5 養(yǎng)殖試驗觀測結(jié)果

各組濕地出水養(yǎng)殖的紅鯽魚成活率都在94%以上，增重率與用自來水養(yǎng)殖的對照組紅鯽魚相比差距不大，其中第二、第三組的增長率高于對照組。用四組濕地出水養(yǎng)殖的孔雀魚均能夠正常生長繁殖，子魚成活率都在83%以上（表8）。用總出水養(yǎng)殖的長尾金鯽的成活率為99%，平均增重率為87．9%。

3 討論

3．1 人工濕地基質(zhì)填料的選擇

Vacca等［11］的研究表明，人工濕地對營養(yǎng)物質(zhì)起主要轉(zhuǎn)移和礦化作用的是基質(zhì)中的微生物。苗偉紅［12］報道，基質(zhì)的比表面積越大，對生物膜的生長環(huán)境越有利，就越利于除氮。人工濕地對磷的去除是植物的吸收、微生物的去除作用［13］和基質(zhì)的理化作用等共同作用的結(jié)果，但其中最主要的是基質(zhì)對磷素的吸附作用［14］。連小瑩等［15］對爐渣蘆葦床濕地的研究得出氨氮去除率為80．1%，碎磚、礫石細砂組合的蘆葦床濕地的氨氮去除率為68．5%。本試驗是在各組濕地植物種植結(jié)構(gòu)相同的條件下，考察了不同基質(zhì)配比結(jié)構(gòu)對氨氮和活性磷的去除效果。試驗中，第一、三、四組的基質(zhì)配比中都含有粗爐渣，這三組對氨氮的去除率分別為83．54%、85．15%、80．41%，大于劉慎坦等［16］的單一爐渣基質(zhì)的去除率59．6%。這說明粗爐渣要與其他基質(zhì)合理搭配，才能達到更好的去污效果。

表8 濕地出水養(yǎng)殖魚成活和發(fā)育情況Table 8 Survival and develop ment of fish

本試驗結(jié)果表明，卵石、粗爐渣、碎石、粗沙組合效果最好。其它組合中有粗爐渣的試驗組效果好，無粗爐渣的效果較差。綜合考察粗爐渣優(yōu)點有二：第一，表面粗糙，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙率高，比表面積大，既有利于微生物的附著生長，促進基質(zhì)生物膜的形成，又可增強基質(zhì)通氣性，便于基質(zhì)復(fù)氧，增強氨氮轉(zhuǎn)化的效率。粗爐渣質(zhì)地較硬，且不易碎，有利于解決目前人工濕地易堵塞，影響其使用年限的難題。第二，粗爐渣來源廣泛，價格低廉，有利于合理利用資源、以廢治廢。鑒于以上原因，粗爐渣可作為人工濕地基質(zhì)填料的首選。

3．2 溶解氧、p H對氨氮－亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化的影響

人工濕地中，微生物作用于氨氮的過程為正反兩個方面。在有氧條件下氨氮在硝化細菌、亞硝化細菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮，即硝化反應(yīng)。缺氧條件下在反硝化細菌作用下硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮，即反硝化作用。氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的相互轉(zhuǎn)化是一個動態(tài)反應(yīng)，受p H、溫度、溶氧諸環(huán)境因子影響［5］。本試驗四個組出水亞硝酸鹽氮含量與進水相比較，都有不同程度升高，而亞硝酸鹽氮作為中間產(chǎn)物，其含量升高，說明濕地硝化與反硝化作用都正在進行之中，且反硝化作用占主要方面，這可能與污水在濕地中停留時間短有關(guān)。這也提示：需通過調(diào)節(jié)濕地的水力停留時間和水力負荷降低其含量，此問題也有待進一步研究。

本試驗濕地進水p H平均為8．87，四組出水p H在7．94～8．09之間，而硝化細菌的適宜p H是7．8～8．9，反硝化細菌的適宜p H 為7．0～8．0，濕地硝化和反硝化作用在此范圍內(nèi)均可進行，亞硝酸鹽氮升高說明此p H更有利于反硝化作用。盡管濕地p H降低，但仍呈弱堿性環(huán)境，這與濕地基質(zhì)呈堿性環(huán)境有關(guān)，而這種弱堿性水環(huán)境對于魚類養(yǎng)殖是適宜的。

本試驗進水溶氧平均為7．98 mg·L－1，四組出水溶氧降低，在1．93～3．25 mg·L－1之間，這顯示濕地硝化作用對氧的消耗，是污水處理中的正?，F(xiàn)象。在上述溶氧范圍內(nèi)硝化作用仍可順利進行，因此溶解氧不是造成亞硝酸鹽氮升高的原因，但隨著溶氧降低，硝化作用向反硝化方面轉(zhuǎn)化。當然，水體溶氧低的情況下，進行魚類養(yǎng)殖時需要采取增氧措施。

3．3 根據(jù)不同的養(yǎng)殖對象，建立不同層次的漁業(yè)水質(zhì)指標

在漁業(yè)用水中氮磷含量是重要水質(zhì)指標。從表5和7可知，本試驗中設(shè)置的四個組合，其出水氨氮含量在0．83～1．60 mg·L－1之間；出水活性磷含量在分別為0．05～0．11 mg·L－1之間。我國湖泊水質(zhì)是以鯉科魚類為標準的，氨氮含量以0．05～0．10 mg·L－1為允許值［17］，本試驗氨氮含量略超出此標準。但是，目前國內(nèi)已開始采用一些定量指標來判斷和指導(dǎo)養(yǎng)魚的水庫和庫灣水質(zhì)肥度，試驗出水水質(zhì)可作為湖泊、水庫、濕地生態(tài)養(yǎng)殖用水。王武［17］研究認為，精養(yǎng)魚池在夏秋季節(jié)氨氮含量通常在0．5～4 mg·L－1之間，參照這一范圍，本試驗出水氨氮也符合池塘漁業(yè)用水要求。本試驗從表8人工濕地出水用于紅鯽、長尾金鯽的養(yǎng)成試驗以及孔雀魚的繁殖試驗看，均取得好的效果。

關(guān)于漁業(yè)用水，不同國家有不同標準。歐洲內(nèi)陸漁業(yè)委員會經(jīng)過對鮭鱒魚類慢性毒性試驗建議以氨氮含量0．02 mg·L－1為漁業(yè)用水標準。有些國家的水質(zhì)標準中，對湖水水質(zhì)已制定了全氮標準，如日本規(guī)定水的硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮均不超過10 mg·L－1。我國漁業(yè)養(yǎng)殖模式主要有海淡水的工廠化養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖以及湖泊、水庫養(yǎng)殖等各種方式，養(yǎng)殖對象千差萬別，對水體的生境條件也有不同要求，所以針對不同養(yǎng)殖環(huán)境制定不同水質(zhì)標準有待進一步研究。吳振斌等［18］首次將復(fù)合垂直流人工濕地同池塘養(yǎng)殖結(jié)合，通過構(gòu)建養(yǎng)殖濕地生態(tài)系統(tǒng)，驗證了人工濕地對水產(chǎn)養(yǎng)殖用水和廢水凈化與回用的可行性。但隨著我國人工濕地在生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，污水的深度凈化，用于水產(chǎn)養(yǎng)殖并制定不同層次的水質(zhì)標準仍是一個需要重點研究的問題。

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