李海波 王鵬飛 李英華
摘要:面對越來越嚴(yán)重的城市面源污染問題,提出岸堤式漫流阻控技術(shù),其中植物與基質(zhì)是漫流系統(tǒng)的重要組成部分,植物與基質(zhì)的組配是否合理嚴(yán)重影響漫流系統(tǒng)對污水的凈化效果。試驗通過建立不同的岸堤漫流系統(tǒng)研究不同基質(zhì)和不同植物組合對漫流系統(tǒng)凈化效率和效率穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,爐渣、黃土和沙子的混合基質(zhì)比黃土、棕壤土這種單一基質(zhì)的凈化效率高,特別是對懸浮固體(SS)、氨態(tài)氮(NH3-N)、總磷(TP)的去除,去除率均在60%以上;高羊茅(Festuca elata Keng ex E. Alexeev)比黑麥草(Lolium perenne L.)更適合于漫流系統(tǒng)。高羊茅與混合基質(zhì)的組合為岸堤漫流系統(tǒng)最優(yōu)的基質(zhì)、植物配置方式。
關(guān)鍵詞:城市徑流凈化;岸堤漫流系統(tǒng);基質(zhì);植物;去除率;面源污染
中圖分類號:X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號:1002-1302(2015)07-0357-03
點源污染與面源污染是造成水環(huán)境污染的兩大來源[1]。目前,隨著點源污染治理力度的加大及治理技術(shù)的不斷完善,城市面源污染已成為造成城市水體污染的主要原因[2],與點源污染不同,城市面源污染隨降雨的發(fā)成而發(fā)生,污染的發(fā)生具有隨機(jī)性和間歇性,污染源分布廣泛、不集中且污染物濃度變化很大[3]。目前成型的污水生物處理技術(shù)對有機(jī)物的去除效果很好,但不能有效去除N和P;化學(xué)方法雖能較好地去除污水中的N和P,但成本較高且會產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染[4];而岸堤漫流技術(shù)作為一種污水生態(tài)處理技術(shù),是地表漫流技術(shù)的演變,在城市面源污染的控制中有很好的應(yīng)用前景。
岸堤式漫流技術(shù)使污水以薄層的形式在地表流動的過程中利用“土壤—微生物—植物”系統(tǒng),通過土壤的沉淀、吸附、過濾作用,根系微生物的生物降解以及植物的吸收作用將污染物去除[5],不僅對N、P的去除效果好,而且具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、操作簡便的優(yōu)點。漫流技術(shù)是由土壤基質(zhì)、植物和微生物共同組成的復(fù)合系統(tǒng),通過三者之間的一系列物理、化學(xué)和生物途徑對污染物高效去除,其中植物和土壤基質(zhì)是在工程中相對容易調(diào)節(jié)的2個因素。
植物作為漫流系統(tǒng)的重要組成部分,為微生物提供適宜生存的場所,減緩污水沿岸坡流動的速度,防止污水對地表的沖刷,同時還能促進(jìn)污水中懸浮顆粒物沉淀和吸收N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。土壤基質(zhì)在為植物和微生物提供生長介質(zhì)的同時,還能通過沉淀、過濾和吸附等作用直接帶走污染物[6-7]。國內(nèi)外的研究多是從植物的篩選、坡度、水利運(yùn)行條件等方面探討地表漫流技術(shù)的凈化效率,而本試驗則是通過研究不同種類的植物與不同種類的基質(zhì)組合在相同的外部條件下對污染物的凈化效果來探討漫流技術(shù)的凈化機(jī)理,從而探求出一種科學(xué)、高效的漫流系統(tǒng)構(gòu)建模式,并為工程實踐提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗水質(zhì)
試驗在沈陽某大學(xué)污水模擬處理二室進(jìn)行,根據(jù)城市徑流污染物的一般濃度,限于遼寧省沈陽市雨水較少,為了試驗的順利進(jìn)行,在無雨期采用的是人工配制模擬雨水的方式進(jìn)水,主要采用城市內(nèi)河河水添加化學(xué)藥品配制模擬雨水。河水取自沈陽大學(xué)附近的新開河河水,通過添加化學(xué)藥品來分別模擬懸浮固體(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨態(tài)氮(NH3-N)、總磷(TP)含量等指標(biāo)(表1)。采用模擬雨水的優(yōu)點是:水質(zhì)穩(wěn)定且易于控制,在試驗運(yùn)行過程中可根據(jù)不同的試驗要求適時調(diào)整配水成分,改變進(jìn)水的濃度和配比,以研究不同進(jìn)水濃度下漫流系統(tǒng)對污染物的去除效果[8]。
1.2 試驗流程
試驗主要流程:配制廢水被灌入儲水桶,桶的容積為 10 L,放置在1.5 m高的鐵架子上,桶底設(shè)有布水管,通過出水閥門的調(diào)節(jié)均勻地分配到試驗主體裝置漫流槽中,這樣可以靈活模擬實際降雨的水量與水質(zhì),反映岸堤漫流系統(tǒng)對污水的控制效果。
1.3 主要設(shè)計參數(shù)
根據(jù)地表漫流系統(tǒng)的要求,結(jié)合場地要求以及徑流污染的實際特點,設(shè)計的漫流槽長2.4 m、寬1.6 m、高60 cm,平均分為3個子單元格,每個單元格面積均為1.44 m2,裝置見圖1。每個單元中,漫流坡坡度取4%,坡長2 m,水力負(fù)荷LW統(tǒng)一取10 cm/d,投配時間T取8 h/d,投配頻率取5 d/周[9]。
1.4 植物與基質(zhì)的選取
1.4.1 植物 黑麥草(Lolium perenne L.)禾本科黑麥屬一年生或多年生草本,具細(xì)弱根狀莖,稈叢生,高30~90 cm,具3~4 節(jié),質(zhì)軟,基部節(jié)上生根。高羊茅(Festuca elata Keng ex E. Alexeev)禾本科羊茅屬,稈成疏叢,直立,粗糙;莖圓形,直立,粗壯,簇生;根系深,耐貧瘠土壤。本試驗的2種植物事先進(jìn)行選種、栽培以及耐污試驗后,移植到漫流試驗裝置中進(jìn)行試驗。
1.4.2 基質(zhì) 棕壤土(經(jīng)過2 mm篩子篩選);黃土(經(jīng)過 2 mm 篩子篩選);黃土、細(xì)沙和爐渣(經(jīng)過2 mm篩子篩選) 6 ∶3 ∶1 混合[10]。鋪設(shè)方法:在基質(zhì)的最下層是防滲層,采用滲透性小的黏土,防滲層高10 cm,逐層鋪設(shè),即鋪 2 cm 壓實后進(jìn)行水旱,然后再鋪2 cm,再水旱,直到10 cm。這樣鋪設(shè)后,經(jīng)過測試,土壤滲透系數(shù)K=0.46 cm/h,符合地表漫流系統(tǒng)的要求。然后將3種上層基質(zhì)分別布置在3個單元格中(圖2)。
1.5 試驗運(yùn)行
根據(jù)所選植物的種類,試驗分2個階段,即第1階段在3種基質(zhì)上種植黑麥草,第2階段在3種基質(zhì)上種植高羊茅。種植植物后,每天以清水布水運(yùn)行,運(yùn)行2周后,植物長勢良好,出水中不再有大量土粒沖出,系統(tǒng)穩(wěn)定,然后開始試驗[11]。在每個試驗階段,每天試驗開始前用蒸餾水澆灌儲水桶,落干后再灌入人工污水正式開始運(yùn)行。儲水桶中灌入人工污水后,打開控制開關(guān),水在重力作用下緩慢均勻地流入漫流槽。每天08:00開始布水,16:00停止布水,11:00和15:00取2次樣,連續(xù)共取4 d,即每個階段取8個樣。
1.6 測定項目與方法
根據(jù)雨水徑流污染的普遍特征,選用的水質(zhì)分析指標(biāo)包括懸浮固體含量、化學(xué)需氧量、氨態(tài)氮含量和總磷含量。以上指標(biāo)根據(jù)文獻(xiàn)[10]規(guī)定的方法進(jìn)行測定,結(jié)果見表2。
2 結(jié)果與分析
2.1 SS的凈化效果
在種植黑麥草時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對SS的平均去除率分別為74.02%、70.95%、70.25%;在種植高羊茅時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對SS的平均去除率分別為73.15%、64.58%、56.13%(圖3)。排除植物的影響只看基質(zhì),3種基質(zhì)對SS的去除效果由好到差依次為混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)。取樣時發(fā)現(xiàn),混合基質(zhì)的出水明顯好于其他2種基質(zhì),混合基質(zhì)出水清澈,黃土和黑土基質(zhì)的出水較混濁。這主要是因為爐渣的加入,有利于對顆粒的吸附,又由于黃土的黏性好于黑土,所以黑土顆粒更容易被沖刷出來。排除基質(zhì)的影響只看植物,就平均去除率來看,高羊茅對SS的去除效果優(yōu)于黑麥草,但是由圖3可知,高羊茅的去除效果變化較大,沒有黑麥草穩(wěn)定,這是由于在移植高羊茅后未能等到系統(tǒng)完全穩(wěn)定就開始試驗造成的,若能運(yùn)行一段時間,其穩(wěn)定性會提高。在本試驗過程中還發(fā)現(xiàn),硅藻土的去除主要發(fā)生在系統(tǒng)前端,前端有明顯的硅藻土堆積現(xiàn)象,即在漫流系統(tǒng)下,污水中的SS在短距離流動后就能被有效去除,其去除率和坡長有關(guān),即坡長越大,去除率越好[12]。
2.2 COD的凈化效果
在種植黑麥草時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對COD的平均去除率為20.96%、21.34%、29.33%;在種植高羊茅時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對COD的平均去除率為34.88%、29.98%、29.55%(圖4)。當(dāng)種植黑麥草時,3種基質(zhì)對COD的去除效果由好到差依次為黑土基質(zhì)、黃土基質(zhì)、
混合基質(zhì);當(dāng)種植植物為高羊茅時,3種基質(zhì)對COD的去除效果由好到差依次為混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、黑土基質(zhì)。兩種情況下出現(xiàn)了不一致的結(jié)果,因為COD的去除主要還是靠微生物的降解,黑麥草是在漫流槽內(nèi)種植的,黑土中含有豐富的腐殖質(zhì),更有利于植物生長,黑土基質(zhì)中的黑麥草稠密度明顯大于黃土基質(zhì)和混合基質(zhì),因而根系更發(fā)達(dá),更有利于微生物生長繁殖,所以去除效果最佳;然而,在移植高羊茅以后,人工移植的結(jié)果造成三者中植物的稠密度幾乎相同,此時微生物降解作用幾乎一致,有研究表明,有機(jī)物會有一部分附著在懸浮顆粒的表面,混合基質(zhì)更有利于懸浮顆粒的去除,因而造成對有機(jī)物的去除率更高一些。但是,不管哪種組合對COD的去除率基本保持在30%左右,相差不大,即本系統(tǒng)對COD的去除效果不是很好,這與植物還處在生長期又很關(guān)系,如果系統(tǒng)能夠長時間運(yùn)行之后,對COD的去除效果會有所提高。
2.3 NH3-N的凈化效果
在種植黑麥草時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對NH3-N的平均去除率為61.53%、38.45%、59.61%;在種植高羊茅時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對NH3-N的平均去除率為90.18%、83.04%、83.93%(圖5)。排除植物的影響只看基質(zhì),對氨態(tài)氮去除效果最好的都是混合基質(zhì);排除基質(zhì)的影響只看植物,高羊茅對氨態(tài)氮的去除效果最好,能達(dá)到85%左右,明顯好于黑麥草。NH3-N的去除是揮發(fā)、植物吸收、土壤基質(zhì)吸附和微生物的硝化與反硝化作用的結(jié)果??傮w上看,漫流系統(tǒng)具有一定的抗氨態(tài)氮負(fù)荷沖擊的能力。
2.4 TP的凈化效果
在種植黑麥草時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對TP的平均去除率為64.60%、54.68%、60.41%;在種植高羊茅時,混合基質(zhì)、黃土基質(zhì)、棕壤土基質(zhì)對TP的平均去除率為66.09%、 58.55%、 57.89%(圖6)。 排除植物的影響只看基
質(zhì),對氨態(tài)氮去除效果最好的都是混合基質(zhì);排除基質(zhì)的影響只看植物,2種植物對總磷的去除效果幾乎相同,高羊茅稍好于黑麥草。這主要是因為磷的去除主要還是靠土壤基質(zhì)的吸附作用,混合基質(zhì)中爐渣的加入促進(jìn)了這種吸附作用。
3 結(jié)論
本試驗采用室內(nèi)模擬的方式研究岸堤漫流系統(tǒng)中不同植物與基質(zhì)的配置方式對污水凈化的效果,結(jié)果顯示,3種基質(zhì)對污染物的整體去除效果依次為混合基質(zhì)>棕壤土基質(zhì)>黃土基質(zhì);2種植物對污染物的整體去除效果依次為高羊茅>黑麥草。岸堤漫流系統(tǒng)對SS、NH3-N、TP有較好的去除效果,去除率均在60%以上,對COD的去除率僅達(dá)到30%左右。岸堤式漫流系統(tǒng)可以應(yīng)用于城市面源污染的控制中,特別是對SS的去除效果較好?;旌匣|(zhì)較單一基質(zhì)對污染物的去除效果更好。
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