組合式垂直流人工濕地工藝及其污水處理效果

王 昀

（南京理工大學(xué)，南京 210000）

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為組合式垂直流人工濕地，其主要由三個垂直流人工濕地構(gòu)建而成。將試驗(yàn)材料放入開放環(huán)境中。組合式垂直流人工濕地總共分為三個級別，其長、寬、高均為0.5 m，填充深度為0.45 m；而一級填料為沸石（1～2 cm）、二級填料為石英砂（0.8～1.6 cm）、三級填料為陶粒（0.4～0.8 cm），濕地植物可栽種美人蕉、千屈菜、鳶尾，種植方式為20株/m。兩級填料的表面高度差為0.25 m，主要是將系統(tǒng)內(nèi)的水體重力流形式進(jìn)行維系。水流方向有三種：下向流、上向流、下向流。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行

本次試驗(yàn)用水主要是生活污水，其主要取自南京市仙林污水處理廠，水質(zhì)情況：進(jìn)水溫度（22.4±3.6）℃，溶解氧（0.1±0.1）mg/L、化學(xué)需氧量（128.6±37.4）mg/L、總氮（38.9±9.2）mg/L、氨氮（32.5±5.2）mg/L、硝氮（0.6±0.2）mg/L、亞硝氮（0.O1±0.01）mg/L、總磷（4.5±0.7）mg/L、磷酸（3.1±4.4）mg/L。水力負(fù)荷為10 cm/d，運(yùn)行方式采用間斷性進(jìn)水，每運(yùn)行1 h需要間隔1 h，每一級停留時間在12 h左右。采用蠕動泵為進(jìn)水提供動力支持。試驗(yàn)系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行12個月后便可進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 樣品采集及測試

樣品采集的為進(jìn)水、三個級別的出水，樣品采集的頻率為每周1次。需要檢測的指標(biāo)有：溫度（T）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、亞硝氮（NO2--N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43--P）、總磷（TP）等。對于溫度、溶解度進(jìn)行在線檢測；通過DRB200、DR2800對化學(xué)需氧量進(jìn)行檢測；通過標(biāo)準(zhǔn)方法對相關(guān)的物質(zhì)進(jìn)行檢測。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理方法

污染物質(zhì)的清除率采用的公式為：清除率=（1-C進(jìn)/C出）×100%；質(zhì)量清除速率采用的公式為：質(zhì)量清除速率 =（C進(jìn)V進(jìn)-C出V出）/（S·HRT）。

降解常數(shù)k在Kadlec、Knight基礎(chǔ)上的清除速率使用的公式為：

式中，HLR為水力負(fù)荷率，m/a；HRT為水利停留時間，d；C進(jìn)為進(jìn)水濃度、C出為出水濃度，mg/L；V進(jìn)為進(jìn)水體積；V出為出水體積，m3；S為人工濕度面積，m2。

對于數(shù)據(jù)的分析使用SPSS22.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行處理，應(yīng)用X2對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行中系統(tǒng)內(nèi)溫度、溶解氧變化

在試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)進(jìn)水溫度與各級出水溫度無明顯差異，隨著試驗(yàn)的開展氣溫有所降低，如圖1所示。試驗(yàn)材料處于敞開環(huán)境，所以其會受到外界氣溫的影響。系統(tǒng)各級出水溶解氧的濃度相比于進(jìn)水溶解氧的濃度更高，可見系統(tǒng)具備較高的充氧能力。第2級溶解氧濃度相比于其他進(jìn)、出水溶解氧濃度更高，且濃度呈現(xiàn)上下浮動的情況，此種情況與環(huán)境溫度及第2級填料表面的自然復(fù)氧可能有關(guān)[1]。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行中溫度的變化

2.2 對污水中化學(xué)需氧量的清除效果

在進(jìn)水COD濃度出現(xiàn)較大波動時，系統(tǒng)對COD有著相對穩(wěn)定的清除效果，各級出水COD濃度無較大差異，可見在第1級便開始COD的清除，如圖2所示。人工濕地中的有機(jī)物可通過微生物在厭氧或有氧條件下利用有機(jī)物的新陳代謝來清除，濕地主要通過自然擴(kuò)散及植物根莖泌氧來構(gòu)建有氧環(huán)境。在第1級系統(tǒng)進(jìn)水COD通過微生物吸收代謝、填料截留、植物根莖截留來獲得較高的清除率，第2級、第3級也能將殘余的COD進(jìn)行清除，最終系統(tǒng)的總清除率將超過90%。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行中溶解氧的變化

2.3 對生活污水中氮的清除效果

組合式垂直流人工濕地能夠?qū)⑽鬯锌偟M(jìn)行有效的清除，且在第1級變呈現(xiàn)出較高的清除效果，如圖3所示。在進(jìn)水中呈現(xiàn)出多樣化的氮形態(tài)，其主要呈現(xiàn)氨氮形式及少量其他態(tài)氮、硝氮、亞硝氮。通過系統(tǒng)處理后氨氮的分量便會不斷降低，由進(jìn)水份額83.5%降低出水份額32%；且亞硝胺的分量不斷升高，由進(jìn)水份額1.5%升高到出水份額67.4%。系統(tǒng)中氮形態(tài)出現(xiàn)變化的致因?yàn)椋喝斯竦貙τ诘那宄龢O為煩瑣，主要有揮發(fā)作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、植物吸收、厭氧氨氧化等，一系列的反應(yīng)促使氮在系統(tǒng)中呈現(xiàn)出各種形態(tài)[2]。以上系統(tǒng)中氮形態(tài)的變化證實(shí)系統(tǒng)內(nèi)部存在的異養(yǎng)菌具有氨化作用、硝化作用，這些微生物能夠?qū)N中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮后再轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。相關(guān)研究顯示，垂直流人工濕地中有著大量且多樣的微生物菌群，主要有變形菌門、厚壁菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門。而在第1級主要進(jìn)行其他態(tài)氮的清除，相應(yīng)的氨氮不斷降低，在第3級亞硝氮會不斷上升，證實(shí)第1級主要進(jìn)行氨化反應(yīng)，第1級、第3級也同時進(jìn)行硝化反應(yīng)。由于硝化反應(yīng)需要消耗大量的氧氣，所以促使第1、3級出水中DO濃度相比于第2級更低。

2.4 對生活污水中磷的清除效果

在組合式垂直流人工濕地系統(tǒng)中，TP是逐漸減少的。在系統(tǒng)整個運(yùn)行過程中，組合式垂直流人工濕地對TP有著穩(wěn)定的請粗效果，其中第1級清除率約27%、第2級清除率約30%、第3級清除率約44%，如圖4所示。對于磷的清除主要通過顆粒態(tài)磷的沉淀、截留等，異養(yǎng)菌會將顆粒態(tài)磷中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)的磷酸鹽，在此其中部分磷將與鈣、鎂等金屬離子或水合物發(fā)生反應(yīng)而出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，而沒有發(fā)生沉淀的磷酸鹽就會進(jìn)入水體中，促使水體中的磷酸鹽濃度上升。在組合式垂直流人工濕地的第1級、第2級將會進(jìn)行少部分正磷酸鹽的清除，第2級、第3級出水的磷酸鹽濃度沒有發(fā)生明顯的變化，其主要原因就是磷在系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷，經(jīng)過人工濕地工藝處理后，獲得的出水的磷酸鹽/總磷約69%，獲得的出水的磷酸鹽/總磷約92%。然而系統(tǒng)的第3級填料對于正磷酸鹽的清除效果極為顯著，最終獲得的出水濃度為（2.34±0.4）mg/L。

圖3 總氮的清除效果

圖4 總磷的清除效果

3 結(jié)語

近年來，節(jié)能減排一直都是國家開展環(huán)保工作的一項重要舉措，尤其為了保護(hù)稀缺的淡水資源，就要對污水實(shí)施科學(xué)、規(guī)范的處理。農(nóng)業(yè)面源污染危害較大，我國農(nóng)村約96%的生活污水未經(jīng)任何處理便排到水源中，對水源造成嚴(yán)重污染。當(dāng)前，組合式垂直流人工濕地工藝能夠?qū)?fù)雜環(huán)境中的污染源進(jìn)行有效的清除。