置入式生態(tài)濾床對(duì)低溫季節(jié)重污染河水水質(zhì)的改善效果

劉福興,楊林章,王俊力,鄒國(guó)燕①

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/ 上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201403；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 南京 210014)

人工濕地是一種造價(jià)與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低的高效、環(huán)保處理技術(shù),在地表污染水體凈化方面被廣泛應(yīng)用[1],其中潛流人工濕地(subsurface flow wetlands,SSFW)具有水力負(fù)荷大、凈化效果好等優(yōu)點(diǎn),但是氣溫的降低會(huì)影響人工濕地的運(yùn)行,降低污染物的去除效果[2]。研究表明,SSFW的總氮(TN)和總磷(TP)去除率在低于15 ℃時(shí)分別為58.5%和41.8%,在高于15 ℃時(shí)則能達(dá)到73.9%和70.1%[3]。生態(tài)濾床是根據(jù)人工濕地原理建立的水質(zhì)凈化技術(shù),通過(guò)建立人工生態(tài)系統(tǒng),將物理沉淀、過(guò)濾吸附和系統(tǒng)中植物和微生物的降解功能及其協(xié)同作用綜合起來(lái)[4],可直接構(gòu)建于河岸,明顯改善河流水質(zhì)[5]。同樣,溫度也對(duì)生態(tài)濾床的凈化效果產(chǎn)生一定影響[6],冬季溫度低時(shí),污染物的去除率普遍不高。因此,如何解決生態(tài)濾床在低溫情況下運(yùn)行效率降低的問(wèn)題成為提高生態(tài)濾床處理能力的關(guān)鍵。

筆者設(shè)計(jì)了一種置入式生態(tài)濾床(inserted ecological filter,IEF),其下部存在水層,增加了床體內(nèi)污水的保溫效果,并與傳統(tǒng)水平潛流人工濕地對(duì)照,利用相同的重污染河水,對(duì)比置入式生態(tài)濾床和潛流人工濕地在不同季度對(duì)總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)的去除效果,同時(shí)考察了置入式生態(tài)濾床在沿程和垂直水平上對(duì)污染物濃度的影響,以期提高生態(tài)濾床在低溫情況下對(duì)重污染河水的處理效果,并為同類技術(shù)的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

構(gòu)建2個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)SSFW和IEF,床體尺寸均為160 cm×50 cm×80 cm(L×W×H),進(jìn)水端及出水端各設(shè)置長(zhǎng)度為20 cm的布水區(qū)和集水區(qū),主體填料區(qū)長(zhǎng)120 cm。主體結(jié)構(gòu)采用厚度為1 cm的PVC板材焊接而成,在前端和末端頂部分別設(shè)置進(jìn)水口和出水口,其中進(jìn)水口高度為75 cm,出水口高度為65 cm,進(jìn)水和出水均采用三角溢流堰,下部隔板在滿足承重要求的基礎(chǔ)上,最大限度進(jìn)行穿孔處理,保證水流的暢通。

圖1 置入式生態(tài)濾床與傳統(tǒng)水平潛流濕地實(shí)驗(yàn)裝置示意 Fig.1 Experimental devices of inserted ecological filter bed and subsurface flow wetland

SSFW和IEF主體構(gòu)成相同,均為基質(zhì)和植物,其中,SSFW基質(zhì)鋪設(shè)深度為60 cm，IEF基質(zhì)鋪設(shè)深度為40 cm,隔板下部存在20 cm厚度水層?；|(zhì)采用浙江縉云產(chǎn)天然斜發(fā)沸石,未作改性處理,粒徑為1 cm左右，用水沖洗后去除里面雜質(zhì)。系統(tǒng)植物采用當(dāng)?shù)爻Ｒ姷能?Zizanialatifolia),移栽時(shí)茭草為成苗，種植密度為8株·m-2。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站內(nèi)(配備微型氣象站)進(jìn)行,供試水體來(lái)自實(shí)驗(yàn)區(qū)附近河道,河道匯水有生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)面源污水,水質(zhì)差,屬于重污染河道。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)狀況:ρ(TN)為6.58～8.73 mg·L-1,ρ(NH3-N)為2.78～4.53 mg·L-1,ρ(TP)為0.47～1.13 mg·L-1,CODMn為9.87～15.26 mg·L-1。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期為2014年7月6日—12月20日,其中7月、8月和9月為第3季度,平均氣溫為26.2 ℃;10月、11月和12月為第4季度,平均氣溫為12.8 ℃。采用連續(xù)進(jìn)水方式,進(jìn)水利用水泵直接抽水至儲(chǔ)水罐,后用計(jì)量泵向床體供水,可變流量,固定水力停留時(shí)間,即恒流泵脈沖頻率設(shè)為恒定,實(shí)際水力停留時(shí)間約為3.4 d。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間,每隔2周左右取1次樣,取樣時(shí)間固定為09:00—10:00,取樣位置如圖2所示。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

水樣:TN濃度采用過(guò)硫酸鉀氧化法測(cè)定,NH3-N濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定,TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定, CODMn采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定[7]。

圖2 取樣點(diǎn)設(shè)置及編號(hào)剖面圖 Fig.2 Distribution of the sampling points and coded profiles

植株樣:在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),2個(gè)系統(tǒng)中隨機(jī)選取3株茭草,測(cè)定其生物量和TN、TP含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Sigmaplot 12.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN去除效果

IEF和SSFW出水ρ(TN)隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖3所示,變化分別在1.72～4.51和2.77～4.28 mg·L-1之間,遠(yuǎn)低于進(jìn)水的6.44～8.73 mg·L-1。除第1次采樣外,SSFW的出水TN濃度均高于IEF;第4季度氣溫變低,兩者之間的差距有縮小趨勢(shì)。IEF的TN去除率在第1次采樣時(shí)較低(40.0%,圖3),隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定,去除率逐漸升高,達(dá)71.7%～80.3%,進(jìn)入第4季度,去除率有降低趨勢(shì),但仍保持在50%以上。

圖3 置入式生態(tài)濾床(IEF)和潛流人工濕地(SSFW)在運(yùn)行期間的TN濃度和去除效果以及IEF在各取樣點(diǎn)的TN濃度 Fig.3 TN concentration and removing rate during the operation of IEF and SSFW, and TN concentrations at various sampling points of IEF

SSFW的TN去除率變化趨勢(shì)與IEF處理一致,但明顯低于IEF,最高僅為68.2%,冬季時(shí)降低至40%左右。第3季度IEF和SSFW的TN平均去除率分別為68.0%和56.3%,第4季度均有所下降,分別為57.9%和46.7%。IEF的TN濃度沿程變化在實(shí)驗(yàn)初期不規(guī)律,實(shí)驗(yàn)后期表現(xiàn)為隨著沿程距離的增加而呈逐漸下降趨勢(shì)(A1>A2>A3);在垂直方向上總體表現(xiàn)為A4>A5>A2,即系統(tǒng)內(nèi)上層水體TN濃度最高,其次是下層,中層最低。方差分析結(jié)果表明,TN去除效果在2個(gè)系統(tǒng)間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01),季節(jié)即溫度顯著影響TN的去除效果(P<0.05),第4季度TN去除效果顯著低于第3季度(表1)。

2.2 NH3-N去除效果

從NH3-N的濃度變化(圖4)可以看出,第3季度IEF和SSFW出水ρ(NH3-N)差異不大,但在第4季度,IEF始終低于SSFW。NH3-N去除率在第3季度基本維持在90%左右,而后隨著氣溫的降低,去除率都呈下降趨勢(shì),SSFW降至30%左右,IEF則穩(wěn)定在60%左右,SSFW比IEF平均低20.9%。第3季度IEF和SSFW的NH3-N平均去除率基本一致,

分別為90.0%和89.7%,第4季度均有所下降,分別為63.0%和50.1%。IEF的ρ(NH3-N)隨著沿程距離的增加而逐漸下降,第4季度表現(xiàn)更為明顯,即A1>A2>A3;在垂直方向上差異不顯著(A4、A2、A5)。季節(jié)即溫度對(duì)NH3-N的去除效果有極顯著影響(P<0.01),但2個(gè)系統(tǒng)間沒有顯著差異(表1)。

表1 系統(tǒng)和季節(jié)對(duì)污染物去除的差異顯著性分析

Table 1P-values of the effects of systems and seasons on pollutant removal rates

影響因素TNNH3-NTPCODMn系統(tǒng)0.0070.1190.0080.025季節(jié)0.017<0.0010.0230.636系統(tǒng)×季節(jié)0.9450.1300.7830.665

圖4 置入式生態(tài)濾床(IEF)和潛流人工濕地(SSFW)在運(yùn)行期間的 NH3-N濃度和去除效果以及IEF在各取樣點(diǎn)的NH3-N濃度 Fig.4 NH3-N concentration and removing rate during the operation of IEF and SSFW, and NH3-N concentrations at various sampling points of IEF

2.3 TP去除效果

SSFW系統(tǒng)的TP出水濃度大于IEF(圖5),而IEF的TP去除率大于SSFW,其中最高去除率出現(xiàn)在8月,IEF為83.3%,SSFW為73.5%。隨著溫度的降低,去除率下降,第4季度IEF和SSFW的平均去除率分別為58.7%和48.6%。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后IEF的ρ(TP)在沿程水平上為A1>A2>A3(圖5),在垂直水平上為A4>A5>A2。方差分析(表1)表明,TP去除效果在2個(gè)系統(tǒng)間達(dá)極顯著差異(P<0.01),季節(jié)即溫度對(duì)TP去除效果的影響也達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.4 CODMn去除效果

2個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,IEF出水CODMn總是低于SSFW出水(圖6),IEF去除率和SSFW平均去除率分別為51.9%和46.0%。IEF和SSFW的CODMn去除率在季節(jié)間差異不明顯,第3季度分別為51.9%和46.9%,第4季度分別為51.8%和44.6%。在沿程和垂直水平上CODMn變化規(guī)律不明顯,差異不顯著。2個(gè)系統(tǒng)對(duì)CODMn的去除效果差異顯著(P<0.05),但溫度(季節(jié))變化對(duì)CODMn的去除效果影響不顯著(表1)。

圖5 置入式生態(tài)濾床(IEF)和潛流人工濕地(SSFW)在運(yùn)行期間的 TP濃度和去除效果以及IEF在各取樣點(diǎn)的TP濃度 Fig.5 TP concentration and removing rate during the operation of IEF and SSFW, and TP concentrations at various sampling points of IEF

圖6 置入式生態(tài)濾床(IEF)和潛流人工濕地(SSFW)在運(yùn)行期間的 CODMn和去除效果以及IEF在各取樣點(diǎn)的CODMn Fig.6 CODMn concentration and removing rate during the operation of IEF and SSFW, and CODMn concentrations at various sampling points of IEF

2.5 溫度對(duì)凈化效果的影響

為了進(jìn)一步說(shuō)明溫度對(duì)污染物去除的影響程度,對(duì)IEF和SSFW污染物去除率與當(dāng)天平均氣溫作相關(guān)性分析(圖7)。2個(gè)系統(tǒng)中NH3-N去除率與溫度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),而SSFW對(duì)TN去除率與溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),表明溫度對(duì)氮的去除效果影響較大,溫度越高,氮的去除效果越好。溫度對(duì)2個(gè)系統(tǒng)中TP和CODMn去除效果均無(wú)較大影響。

*表示P<0.05,**表示P<0.01;n=14。

此外,試驗(yàn)期間還測(cè)定了系統(tǒng)內(nèi)部水體溫度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)7—9月,IEF的平均水溫〔(24.9±1.4) ℃〕比SSFW略低〔(25.1±1.7) ℃〕,而到10—12月,IEF的水溫〔(16.4±2.8) ℃〕明顯高于SSFW〔(15.0±2.9) ℃〕,平均溫度提高1.4 ℃,驗(yàn)證了IEF由于底部水層的存在增加了系統(tǒng)內(nèi)部的溫度。

2.6 植株吸收作用

表2表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后2個(gè)系統(tǒng)中植株的地下部分生物量均高于地上部分生物量,IEF中植株的地上和地下生物量分別比SSFW高7.5%和6.9%。2個(gè)系統(tǒng)中植株地上部分TN和TP含量均高于地下部分。IEF中植株地上部分TN和TP含量分別比SSFW高10.6%和7.5%,地下部分分別高6.6%和9.1%。IEF系統(tǒng)的植株TN和TP吸收分別比SSFW提高16.4%和16.1%。

表2 2種濕地植株生物量和總氮和總磷含量

Table 2 Biomass, TN and TP content of the plants

濕地類型地上部分地下部分生物量/(kg·m-2)w(TN)/(g·kg-1)w(TP)/(g·kg-1)生物量/(kg·m-2)w(TN)/(g·kg-1)w(TP)/(g·kg-1)置入式生態(tài)濾床0.214±0.05311.99±3.261.29±0.180.327±0.0357.56±2.211.08±0.27潛流人工濕地0.199±0.05510.84±3.251.20±0.330.306±0.0387.09±2.690.99±0.14

3 討論

通過(guò)在底部增設(shè)一定厚度的水層來(lái)增加系統(tǒng)的保溫效果,IEF平均水溫在第3季度比SSFW低0.2 ℃,但在第4季度比SSFW高1.4 ℃。第3季度IEF系統(tǒng)對(duì)TN、NH3-N、TP和CODMn的平均去除率可達(dá)68.0%、90.0%、69.2%和51.9%,除NH3-N外,均顯著高于SSFW系統(tǒng);第4季度2個(gè)系統(tǒng)的去除率均有所下降,但I(xiàn)EF系統(tǒng)的下降幅度明顯低于SSFW系統(tǒng),對(duì)TN、NH3-N、TP和CODMn的平均去除率依然可達(dá)57.9%、63.0%、58.7%和51.8%,分別比SSFW系統(tǒng)高11.1%、12.8%、10.2%和7.2%。

濕地系統(tǒng)中,N通過(guò)微生物的氨化、硝化與反硝化,植物的吸收,基質(zhì)的吸附、過(guò)濾、沉淀等途徑去除[8],其中氨化、硝化與反硝化作用是去除N的主要途徑[9]。運(yùn)行初期,SSFW的TN去除率比IEF高,這主要是因?yàn)镾SFW中的基質(zhì)添加量是IEF系統(tǒng)的1.5倍,其吸附容量也遠(yuǎn)高于IEF。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,IEF的TN去除效果明顯高于SSFW,可能是因?yàn)镮EF系統(tǒng)降低了基質(zhì)厚度,在基質(zhì)底部增加了水層,改變了局部的氧環(huán)境,相比于全部基質(zhì)層的SSFW系統(tǒng),IEF系統(tǒng)具有更加符合反硝化微生物活動(dòng)的微環(huán)境,提高了反硝化脫氮強(qiáng)度。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),溫度對(duì)NH3-N的去除效果影響較大,2個(gè)系統(tǒng)第3季度對(duì)NH3-N的去除率均較高,這主要是因?yàn)榇似陂g溫度較高(平均氣溫26.2 ℃),而硝化菌適宜溫度為20～30 ℃,因此微生物活性高，代謝強(qiáng),硝化反應(yīng)快。這也與前人得出的水溫為22～28 ℃時(shí)NH3-N去除率最高的結(jié)果相吻合[10]。進(jìn)入第4季度,氣溫逐漸降低,2個(gè)系統(tǒng)的TN和NH3-N去除率均呈不同程度的下降,主要是由于低溫使得微生物活性降低,影響了硝化反硝化反應(yīng)進(jìn)行[11],加上植物在冬季逐漸枯萎死亡,對(duì)N等營(yíng)養(yǎng)的吸收減弱,從而導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效率降低[12]。第4季度IEF對(duì)TN和NH3-N的去除率明顯高于SSFW,這可能是由于IEF下部的水層設(shè)計(jì),增加了床體內(nèi)對(duì)污水的保溫效果,其底部進(jìn)水中溶解氧的帶入也提高了濾床底層的溶解氧水平,使微生物能夠正常生長(zhǎng)繁殖,保持一定的活性和代謝強(qiáng)度,另外,IEF的保溫效果更利于植株生長(zhǎng),使得IEF中植株生物量和氮吸收分別比SSFW提高7.1%和16.4%,加上IEF較大的地下生物量(比SSFW高6.9%),龐大的根系表面也可附著大量微生物,并由根系輸氧作用創(chuàng)造了利于好氧反應(yīng)的微環(huán)境[13],進(jìn)而維持了較高的TN和NH3-N去除效果[9]。IEF系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果在沿程上表現(xiàn)為后端最好,在垂向上以中部最佳。這與以往大家普遍認(rèn)為的濕地中反硝化作用主要發(fā)生在厭氧區(qū)域如濕地靠近出水端的中部及后部結(jié)果一致[1,14]。

植物吸收和基質(zhì)對(duì)P的沉積與吸附作用是水體中P去除的主要途徑,其中植物吸收的主要是以磷酸根形式存在的P,而沉積和吸附作用可以去除各種形態(tài)的P[15]。但人工濕地在較高溫度環(huán)境下運(yùn)行時(shí),基質(zhì)對(duì)除P的作用較小[16]。此外,微生物在濕地除P中有著重要作用,人工蘆葦濕地微生物增加,系統(tǒng)TP平均去除率為20.9%,比空白高18.3%[17]。雖然第4季度,2個(gè)系統(tǒng)的TP去除率都有下降趨勢(shì),但I(xiàn)EF的TP去除率始終高于SSFW。這主要是因?yàn)镮EF系統(tǒng)的保溫效果不僅提供了一個(gè)有利于植物生長(zhǎng)的環(huán)境[18],加強(qiáng)了植物對(duì)P的吸收作用(IEF的P吸收比SSFW增加16.1%),而且溫度的增加保證了微生物的正?；顒?dòng)。雖然IEE系統(tǒng)的基質(zhì)量低于SSFW,但除P效果卻優(yōu)于SSFW系統(tǒng),這可能是因?yàn)镮EF中基質(zhì)的吸附對(duì)整個(gè)系統(tǒng)除P的貢獻(xiàn)較低,植物吸收和微生物起主導(dǎo)作用,由植物吸收與微生物活動(dòng)的加強(qiáng)而帶來(lái)的除P效應(yīng)有效彌補(bǔ)并超過(guò)了基質(zhì)量減少而減弱的除P效果。

研究表明,不溶性有機(jī)物通過(guò)基質(zhì)的沉淀、過(guò)濾作用從水體中截留下來(lái),進(jìn)而被微小生物加以利用,可溶性有機(jī)物則可通過(guò)生物膜的吸附和微生物的代謝過(guò)程去除[19]。此外,濕地植物根系的截留及根系表面微生物的降解作用也能去除部分有機(jī)物,但是植物根系的死亡也會(huì)釋放有機(jī)物,使去除率下降[20]。運(yùn)行初期,系統(tǒng)不穩(wěn)定,SSFW的CODMn去除率比IEF高,這主要是由于SSFW中的基質(zhì)吸附量高于IEF,隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定,IEF的CODMn去除率與SSFW相比較高,可能是IEF系統(tǒng)中的微生物活性要高于SSFW系統(tǒng)。但2個(gè)系統(tǒng)的CODMn去除率受季節(jié)影響的波動(dòng)相對(duì)較小,說(shuō)明溫度對(duì)系統(tǒng)CODMn去除效果的貢獻(xiàn)不占主要地位[21]。

由于傳統(tǒng)水平潛流人工濕地的構(gòu)造原因,可能會(huì)出現(xiàn)上部水“短流”現(xiàn)象,從而降低濕地的處理效率,該研究設(shè)計(jì)的置入式生態(tài)濾床增加了下部水層,形成局部下行流和上行流的垂直流流態(tài),集中了水平流和垂直流濕地的優(yōu)點(diǎn),也是提高污染物處理效率的原因之一。另外,該研究主要關(guān)注的是改進(jìn)的置入式生態(tài)濾床系統(tǒng)對(duì)污染河水水質(zhì)凈化的改善效果,對(duì)于其脫氮除磷的內(nèi)在機(jī)理及各去除途徑對(duì)系統(tǒng)效果的貢獻(xiàn)涉及較少,關(guān)于改進(jìn)的置入式生態(tài)濾床系統(tǒng)是否比傳統(tǒng)潛流濕地更能促進(jìn)脫氮除磷相關(guān)微生物的活性,還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與SSFW相比,IEF對(duì)污染物的去除率較高,對(duì)TN、NH3-N、TP和CODMn的平均去除率分別為63.6%、78.4%、64.7%和51.9%,比SSFW分別高13.1%、6.9%、12.1%和7.3%。即使在低溫季節(jié)(10—12月),IEF的處理效率依然能保持較高水平,對(duì)TN、NH3-N、TP和CODMn的平均去除率達(dá)57.9%、63.0%、58.7%和51.8%。IEF部分彌補(bǔ)了冬季濕地污染物去除效率低的缺點(diǎn),對(duì)重污染河水具有明顯凈化效果,并對(duì)河流水環(huán)境治理技術(shù)的提升有重要意義。

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