模擬人工濕地脫氮除磷效果及其影響因素研究

潘長(zhǎng)森，王小嬌

(成都信息工程學(xué)院，四川成都 6102250)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是一種由于氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量過多所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象，控制排入湖泊的氮磷量是緩解湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要途徑。國(guó)家環(huán)?？偩秩A南環(huán)保所于1990年7月在深圳建造了白泥坑人工濕地工程，達(dá)到良好處理效果［1］。筆者采用建筑垃圾作為填料，選擇美人蕉作為濕地植物，以卡魯賽爾氧化溝為主體構(gòu)建模擬潛流人工濕地，盡可能恒定進(jìn)水水流，處理成都信息工程學(xué)院教學(xué)區(qū)化糞池初沉池出水，通過除磷脫氮效果評(píng)價(jià)建筑垃圾作為基質(zhì)的人工濕地在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。人工濕地系統(tǒng)與其他處理工藝相比，其占地面積較大，易受氣溫影響［2］。靖元孝等的研究表明，在人工濕地系統(tǒng)中，植物對(duì)氮磷的去除起著重要作用，種植風(fēng)車草后，氮磷去除率分別比不種植植物的系統(tǒng)提高了28%和19%［3］。徐麗花等發(fā)現(xiàn)，采用石灰石作為基質(zhì)可有效去除磷，而采用沸石－石灰石復(fù)合基質(zhì)可有效去除總磷和總氮［4］。李旭東等的研究結(jié)果表明，使用沸石為基質(zhì)的人工濕地可以有效去除污水中的總氮［5］。根據(jù)Reddy研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地中7%～87%的磷可能通過基質(zhì)吸附或者沉淀反應(yīng)降解［7］。胡小琴的研究認(rèn)為，人工濕地系統(tǒng)除磷效率主要受基質(zhì)選擇的影響，由于化糞池出水TP含量較高，可采用煤渣加高有機(jī)質(zhì)含量的草炭和土壤，去除率可達(dá)77.6%～85.0%［8］。模擬人工濕地系統(tǒng)分別經(jīng)過污水靜止浸泡、植物種植自適應(yīng)［9］、植物迅速生長(zhǎng)及植物生長(zhǎng)減慢幾個(gè)階段。

1 試驗(yàn)方法

模擬人工濕地反應(yīng)器尺寸為155 cm×95 cm×40 cm，基質(zhì)為以紅磚為主要成分的建筑垃圾。試驗(yàn)裝置進(jìn)水通過高位水箱供應(yīng)，有效體積為0.09 m3，以保持試驗(yàn)裝置進(jìn)水水壓穩(wěn)定并且具備一定故障延遲能力。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)變化范圍:COD 80～420 mg/L，總磷3.7～11.0 mg/L，氨氮37.7～119.3 mg/L。氨氮采用GB7479－87納氏試劑比色法測(cè)定，總磷使用過硫酸鉀－微波消解法測(cè)定［10］。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬人工濕地氨氮去除效果影響因素分析

2.1.1 溫度對(duì)氨氮去除率的影響。選擇所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)中光照強(qiáng)度變化較小的一天進(jìn)行分析，可認(rèn)為植物和微生物生長(zhǎng)情況不變。溫度及氨氮去除率變化如圖2所示。可見，隨著溫度的升高，氨氮去除率出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，上升幅度與溫度基本一致。采樣時(shí)間在 08:00、10:00、14:00、16:00、18:00、20:00的光照強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果分別為109 500、112 400、112 900、103 100、51 500、135 Lux。使用 SPSS對(duì)該時(shí)段溫度(T)與氨氮去除率(Nrr)進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析。結(jié)果表明，不考慮光照強(qiáng)度影響，T與Nrr在0.05水平(雙側(cè))上有顯著相關(guān)性，Nrr=1.231 5T+52.147，R=0.993(圖 3)，擬合結(jié)果方差分析(ANOVA)顯著性水平為0.034＜0.05。

氨氮去除率與溫度呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，這是由于該模擬人工濕地運(yùn)行到后期，基質(zhì)吸附作用基本趨于飽和，對(duì)脫氮效果影響較大的因素主要為微生物硝化作用及植物吸收。微生物硝化作用最適宜溫度為30℃，植物光合作用也在30℃左右具有較高的速率［11］。故溫度可在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)微生物的活動(dòng)，同時(shí)能對(duì)光合作用起到一定程度的促進(jìn)作用，從而對(duì)系統(tǒng)脫氮效果起到影響。

2.1.2 光照與氨氮去除率關(guān)系分析。分別選擇5月17、22、23、27及28日5 d數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該階段溫度為(28.1±0.24)℃，進(jìn)水pH為(7.93±0.008)。光照強(qiáng)度與氨氮去除率關(guān)系如圖4所示。氨氮去除率變化趨勢(shì)與光照強(qiáng)度有一定關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)使用SPSS進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析，結(jié)果表明，光照強(qiáng)度與氨氮去除率相關(guān)性不顯著。對(duì)光照強(qiáng)度(L)與氨氮去除率進(jìn)行直線擬合，Nrr=0.000 5L+21.254，R=0.450(圖5)。雖然相關(guān)系數(shù)＞0.3，但是由于其擬合結(jié)果ANOVA分析顯著性水平為0.246，遠(yuǎn)高于0.05，故可認(rèn)為Nrr與L之間不存在線性關(guān)系。由于光合作用中需要消耗水中氨氮，同時(shí)通過根系輸氧在靠近根系的區(qū)域形成好氧區(qū)域，從而利于硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用。在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度的增加對(duì)氨氮去除率有著促進(jìn)作用。

2.1.3 pH對(duì)氨氮去除率的影響。分別選擇5月6、7、11、14、15、16及18日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，溫度為(24±0.89)℃，該階段pH和氨氮去除率變化如圖6所示?？梢姡钡コ孰S著pH的升高先升高再下降。硝化作用最適宜pH為7.5～8.2，該試驗(yàn)最佳去除效果出現(xiàn)在7.7～8.0之間。

2.1.4 脫氮效果影響因素綜合分析。氨氮處理效果隨時(shí)間的變化如圖7所示?？梢姡S著時(shí)間的推移，氨氮去除率變化出現(xiàn)明顯先下降，后上升，最后再下降的趨勢(shì)。人工濕地運(yùn)行初期，由于植物生長(zhǎng)緩慢，微生物附著相對(duì)較少，系統(tǒng)脫氮主要依靠基質(zhì)過濾和吸附，隨著基質(zhì)吸附飽和，基質(zhì)間隙出現(xiàn)堵塞，過濾和吸附作用減弱，去除率出現(xiàn)下降。最后，隨著植物花期臨近，植物由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)，葉面生長(zhǎng)速度減慢，對(duì)氮的需求量減小，故氨氮脫除效果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

對(duì)5月5～29日(去除天氣情況為雨的數(shù)據(jù))氨氮進(jìn)出水濃度、去除率及面積負(fù)荷去除率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8。5月5～15日期間，植物生長(zhǎng)迅速，氨氮去除率及面積負(fù)荷去除率出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。5月15日之后，植物生長(zhǎng)放緩，去除率增長(zhǎng)趨勢(shì)減弱，出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，而后期隨著進(jìn)水濃度的增加，氨氮去除率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是系統(tǒng)氨氮面積負(fù)荷去除率略有回升，并出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

對(duì)溫度、光照、進(jìn)水pH及進(jìn)水氨氮濃度與氨氮去除率進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明，進(jìn)水pH與氨氮去除率及面積負(fù)荷去除率在0.01(雙側(cè))水平存在顯著正相關(guān)性，二者符合線性關(guān)系。進(jìn)水pH與氨氮去除率關(guān)系為η=48.4pH－315.73，R=0.710(圖9a)，ANOVA分析顯著性水平為0.003。進(jìn)水pH與氨氮面積負(fù)荷去除率關(guān)系為ξ=2.83pH－19.85，R=0.722(圖9b)，ANOVA分析顯著性水平為0.002。同時(shí)，氨氮去除率與氨氮進(jìn)水濃度在0.05(雙側(cè))水平存在顯著負(fù)相關(guān)，二者線性擬合效果不佳。這是由于基質(zhì)去除能力有限，在停留時(shí)間不加長(zhǎng)的情況下，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)較高濃度的含氮廢水達(dá)到較好的去除效果。

2.2 模擬人工濕地總磷去除效果影響因素分析

2.2.1 溫度對(duì)總磷去除率的影響。筆者選用5月22日08:00～16:00所得溫度與總磷去除率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總磷去除率隨溫度變化如圖10所示。對(duì)溫度與總磷去除率進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析，結(jié)果表明，溫度與總磷去除率并未出現(xiàn)顯著相關(guān)性。溫度及總磷去除率散點(diǎn)圖如圖11所示。

可見，雖然總磷去除率隨溫度上升呈上升趨勢(shì)，但是在溫度的影響下，總磷去除率變化范圍較小，說明溫度的影響對(duì)總磷去除率的變化來(lái)說并非主要原因，而總磷去除中占主導(dǎo)地位的是基質(zhì)過濾吸附，該過程中溫度影響較小。

2.2.2 光照對(duì)總磷去除率的影響。分別選擇5月17、22、23、27及28日5 d數(shù)據(jù)對(duì)光照和總磷去除率的關(guān)系進(jìn)行分析，光照強(qiáng)度與總磷去除率關(guān)系如圖12所示。對(duì)光照強(qiáng)度及總磷去除率進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析，結(jié)果表明，光照強(qiáng)度與總磷去除率并未出現(xiàn)顯著相關(guān)性。由圖13可知，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，總磷去除率出現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是由于植物光合作用速率在一定范圍內(nèi)和光照呈現(xiàn)正比關(guān)系，光合作用越強(qiáng)，植物根系輸氧能力越強(qiáng)，在根系附近形成好氧微區(qū)域，有利于微生物在好氧條件下進(jìn)行超量吸磷，而遠(yuǎn)離根系的基質(zhì)為微生物提供厭氧環(huán)境，有利于微生物將聚磷酸鹽分解為正磷酸鹽。

2.2.3 pH對(duì)總磷去除率的影響。選擇5 月6、7、11、14、15、16及18日的數(shù)據(jù)對(duì)pH與總磷去除率的關(guān)系進(jìn)行分析，pH與總磷去除率變化如圖14所示。對(duì)pH及總磷去除率進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析，結(jié)果表明，pH變化與總磷去除率并未有顯著相關(guān)性。可能是生物脫磷的適宜pH大致是6.0～8.0，而該試驗(yàn)進(jìn)水pH幾乎都在適宜范圍內(nèi)，而美人蕉生命力較強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)pH變化不敏感，故pH對(duì)該模擬人工濕地系

統(tǒng)除磷效果影響不明顯。

2.2.4 除磷效果影響因素綜合分析。該模擬人工濕地運(yùn)行期間總磷去除率變化如圖15所示?？偭兹コ士傮w出現(xiàn)先下降后上升，最后再下降的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)大體和氨氮相似。開始時(shí)隨著基質(zhì)吸附飽和及基質(zhì)間隙堵塞，總磷去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨后隨著污水浸泡時(shí)間加長(zhǎng)，微生物大量附著，形成穩(wěn)定的生物膜，同時(shí)植物出現(xiàn)明顯生長(zhǎng)，微生物和植物一方面去除水中污染物，同時(shí)也分解基質(zhì)間污染物，緩解基質(zhì)吸附飽和，減輕基質(zhì)堵塞，總磷去除率出現(xiàn)上升，并且隨著植物快速生長(zhǎng)達(dá)到最高。其后花期臨近，去除率出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，但是花期到來(lái)后，由于開花等生殖生長(zhǎng)過程需要大量磷元素，總磷去除率再次出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

對(duì)5月5～29日(不含降雨)總磷去除率進(jìn)行分析，總磷進(jìn)出水濃度、總磷去除率及面積負(fù)荷去除率隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖16所示?？偭兹コ试?月24日前后雖出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，但是總磷面積負(fù)荷去除率下降幅度較小，總體趨于平穩(wěn)。去除率下降是由于進(jìn)水總磷濃度升高，超過該模擬人工濕地去除能力，但是后期處理效果總體趨于平穩(wěn)。

表2 總磷去除率與各影響因素相關(guān)性分析結(jié)果

對(duì)溫度、光照強(qiáng)度、pH及進(jìn)水總磷濃度和總磷去除率進(jìn)行Bivariate相關(guān)性分析，其結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果表明，溫度與總磷面積負(fù)荷去除率、進(jìn)水總磷濃度與總磷面積負(fù)荷去除率在0.01(雙側(cè))水平有顯著相關(guān)性，pH與總磷去除率、光照強(qiáng)度與總磷面積負(fù)荷去除率在0.05(雙側(cè))水平有顯著相關(guān)性。

溫度與總磷面積負(fù)荷去除率存在明顯線性關(guān)系:ξ=0.024 5T－0.459，其相關(guān)系數(shù)R為0.794(圖17)，ANOVA分析顯著性水平為0.000 5。由圖17可知，較高的溫度對(duì)總磷面積負(fù)荷去除率有積極影響，在29℃時(shí)出現(xiàn)最高面積負(fù)荷去除率，這主要是由于溫度在一定范圍內(nèi)升高將促進(jìn)微生物活動(dòng)和光合作用。Panswad等的研究表明，聚磷菌生長(zhǎng)的最佳溫度為25～30℃［12］。進(jìn)水濃度與總磷面積負(fù)荷去除率之間不存在明顯線性關(guān)系，也沒有看出明顯規(guī)律，可能是因?yàn)橄到y(tǒng)除磷受各種外界因素綜合影響較大，其散點(diǎn)圖如圖18所示。pH與總磷去除率存在明顯線性關(guān)系:η=23.6pH－109.46，其相關(guān)系數(shù)R為0.574(圖19)，ANOVA分析顯著性水平為0.025。說明該模擬人工濕地系統(tǒng)對(duì)pH相對(duì)較高的污水具有更好的除磷效果。Pijuan等對(duì)EBPR除磷的研究結(jié)果也表明，7.5～8.0之間為最佳pH范圍［13］。光照強(qiáng)度和總磷面積負(fù)荷去除率存在明顯線性關(guān)系:ξ=1.62×10－6L+0.101，相關(guān)系數(shù)R為0.625(圖20)，ANOVA分析顯著性水平為0.011?？梢?，光照強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)有助于提高總磷面積負(fù)荷率?？赡苁且?yàn)殡S著光照強(qiáng)度的加強(qiáng)，植物光合作用增強(qiáng)，植物對(duì)可溶性磷酸鹽的吸收量增加，同時(shí)根系輸氧作用增強(qiáng)，促進(jìn)微生物好氧聚磷，提高單位面積除磷能力。

3 結(jié)論

(1)模擬人工濕地系統(tǒng)氨氮平均去除率為58.93%，平均出水濃度為41.31 mg/L;總磷平均去除率為73.09%，平均出水濃度2.21 mg/L。

(2)在一定范圍內(nèi)溫度升高對(duì)系統(tǒng)脫氮效果產(chǎn)生有利影響。光照強(qiáng)度和氨氮去除率正相關(guān)，光照強(qiáng)度增強(qiáng)有助于系統(tǒng)脫氮。系統(tǒng)對(duì)偏堿性污水具有較好的氨氮去除效果，最佳pH為7.7～8.0之間。同時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)脫氮效果易受外界因素影響。溫度與總磷面積負(fù)荷去除率、進(jìn)水pH與總磷去除率以及光照強(qiáng)度與總磷面積負(fù)荷去除率均存在顯著線性關(guān)系。溫度升高可在一定范圍內(nèi)線性增強(qiáng)單位面積模擬人工濕地除磷能力，提高其面積負(fù)荷去除率;該模擬人工濕地系統(tǒng)對(duì)pH偏高的污水具有較好除磷效果;植物對(duì)除磷有不可忽視的作用。

(3)以建筑垃圾為基質(zhì)的人工濕地雖然能達(dá)到較為穩(wěn)定的脫氮除磷效果，而且不易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，但是其出水氨氮、總磷含量較高，無(wú)法作為污水二級(jí)處理替代工藝。故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮建筑垃圾與沸石、鋼渣等吸附效果良好的基質(zhì)材料進(jìn)行合理配搭。

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