進水條件對不同類型人工濕地處理效果的對比分析

滕逸飛，汪思宇，單國平，周克梅，呂錫武,*

(1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2. 南京水務(wù)集團有限公司，江蘇南京 210000)

人工濕地以其運行維護簡單、改善生態(tài)、高效低耗的特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的人工濕地主要分為表流人工濕地和潛流人工濕地。其中，潛流濕地還可劃分為水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地；表流濕地占地面積大、污染負荷小、衛(wèi)生條件較差；潛流濕地的占地面積小、污染負荷大、衛(wèi)生條件好[2]。

在傳統(tǒng)濕地的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了各種經(jīng)過改進的濕地類型，如復(fù)合流濕地、微生物燃料電池耦合人工濕地。其中，潮汐流人工濕地的原型是潛流濕地，原理是通過強化床體內(nèi)的復(fù)氧條件來強化濕地對氮磷的去除效果。其復(fù)氧途徑主要有2種：一是在排空床體時，因負壓，氧氣進入床體，二是濕地在排空期時，濕地中氧氣濃度的降低與空氣中的氧氣存在濃度梯度，從而引起對流，氧氣進入床體[3]。

傳統(tǒng)的潛流人工濕地由于床體的長期淹沒，厭氧環(huán)境促進了反硝化作用，但也抑制了硝化作用的進行。由此改進的潮汐流人工濕地因床體的好氧環(huán)境，強化了硝化反應(yīng)，但也限制了反硝化的進行，導(dǎo)致TN去除率不高，據(jù)研究[3]，對磷的去除效果也較差。在傳統(tǒng)濕地的基礎(chǔ)上，許多研究者也進行了深入研究。Babatunde等[4]研究了在潮汐流濕地中用明礬污泥強化磷的去除。Nivala等[5]通過監(jiān)測15個中試規(guī)模的潛流濕地系統(tǒng)，研究了不同深度、基質(zhì)和運行方式下的濕地處理效果差異。

很多學(xué)者都對表面水力負荷、碳氮負荷、運行方式等參數(shù)對濕地的影響做了大量研究，但不同進水條件對濕地處理效果影響的研究較少。因此，本文探究不同進水條件對濕地處理效果的影響。

本研究在確定濕地最優(yōu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過改變進水的C/N和氮素組成，以潛流人工濕地和潮汐流人工濕地為研究對象，對比分析水質(zhì)因素變化對不同濕地類型的出水水質(zhì)影響，同時對床體內(nèi)基質(zhì)生物膜的微生物指標(biāo)進行了簡單的機理分析，以期為人工濕地處理技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1 潛流及潮汐流濕地一體化處理裝置Fig.1 Integrated Treatment Device for Subsurface Flow and Tidal Flow Wetland

1.2 試驗處理

1.2.1 進水水質(zhì)

試驗用水為人工配置的模擬污水，污水存于裝置旁500 L的配水桶中，主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 實驗室條件及配水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Laboratory Conditions and Water Quality Indicators

1.2.2 濕地基本參數(shù)確定

在濕地開始運行前，移栽蕹菜。潮汐流人工濕地的裝置中栽種20株空心菜苗，待緩苗成活后，開始運行濕地，運行期間室溫約為30 ℃，濕地進水水質(zhì)依照配水水質(zhì)。

潮汐流人工濕地需要確定濕地的淹沒時間和閑置時間?？紤]到雙因素影響試驗，采用好點推進法進行優(yōu)選[7]。首先確定最佳淹沒時間，在此基礎(chǔ)上確定最佳閑置時間。淹沒時間分別取2、4、8、12、16、20、24、30、32、34、36、38、40 h進行初步連續(xù)監(jiān)測，在選定的范圍內(nèi)確定最佳淹沒時間。選定淹沒時間后，水平的閑置時間，在穩(wěn)定運行2個周期后，對下一個周期進行測定，找出最佳閑置時間。選取水力負荷為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m3/(m2·d)5個水平，確定潛流濕地的最佳水力負荷。潛流濕地的栽種密度同潮汐流濕地，為100株/m2，與潮汐流濕地中的為同一批。裝置進水采用蠕動泵進水。

1.2.3 C/N和氮素組成

1.3 取樣方法

1.3.1 水質(zhì)監(jiān)測取樣方法

濕地進水配制均勻后，在進水時取樣；潮汐流人工濕地在到達運行周期后取樣，每次取樣用一次性注射器接軟管在濕地中部位置進行取樣；潛流人工濕地在到達水力停留時間后，在出水處進行取樣；每次取樣各采集3個平行樣，采用100 mL聚乙烯瓶存放，取樣完畢后加酸調(diào)至pH值<2，置于4 ℃保存。

1.3.2 微生物取樣方法

在進水條件試驗結(jié)束后的試驗?zāi)┢冢?種濕地穩(wěn)定運行幾個周期后進行取樣。由于濕地的穩(wěn)定運行和濕地的深度問題，僅在濕地近一半、不破壞植物和植物根系的位置取新鮮的綠沸石基質(zhì)，用工具在2塊濕地的中間位置各取相同深度的新鮮基質(zhì)，采集時避開植物根系，采集后混合均勻，待用。再取未使用過的基質(zhì)作為對照，試驗時各作3個平行樣。

1.4 分析方法

1.4.1 水質(zhì)分析

1.4.2 基質(zhì)微生物分析

微生物量的測定[8]：稱取陶瓷坩堝質(zhì)量為X0，取一定量的基質(zhì)置于陶瓷坩堝內(nèi)，放入烘箱，在105 ℃條件下烘干后稱重X1，再放入馬弗爐中以700 ℃灼燒，燒后稱重X2，得到單位質(zhì)量基質(zhì)上的微生物量為(X1-X2)/(X1-X0)。

微生物酶活性[9]：將10 g基質(zhì)放入50 mL錐形瓶中，將配置好的磷酸緩沖液(pH值=7.60)和0.4 mL熒光素二乙酸酯(FDA)加入錐形瓶中，恒溫振蕩2 h后，立即加入15 mL氯仿/甲醇(2∶1)，溶液分層后取上層清液離心過濾，最后在分光光度計上以490 nm的波長測定吸光度。經(jīng)研究[10]，2∶1的氯仿/甲醇作為反應(yīng)停止劑的效果最佳，能停止長達50 min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

水質(zhì)指標(biāo)分析采用Excel和Origin 8.5進行統(tǒng)計和繪圖，用SPSS 25.0處理試驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地基本參數(shù)的確定

圖2 潮汐流人工濕地出水指標(biāo)隨淹沒時間變化Fig.2 Variation of Effluent Index of Tidal Flow Constructed Wetland with Submersion Time

提取的總RNA經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳鑒定，可見較清晰的條帶，表明總RNA降解較少，且無DNA污染。計算得ROR-γt、Foxp3和β-actin基因的擴增效率分別為96%、98%和95%，擴增效率接近于100%，擴增效率達到最佳，因此所用比較Ct的2-ΔΔCt法計算的基因相對表達量結(jié)果更接近于真實值，ROR-γt(A)、Foxp3(B)和 β-actin(C)基因各組的擴增曲線，見圖1。

圖3 潮汐流人工濕地出水指標(biāo)隨閑置時間的變化Fig.3 Variation of Effluent Index of Tidal Flow Constructed Wetland with Idle Time

將不同閑置時間的各項指標(biāo)進行權(quán)重綜合評價，5項水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重同為0.2，得到表2。由表2可知，綜合評價最高的為6 h，因此，考慮將閑置時間定為6 h。

表2 閑置時間-去除率間接評分加權(quán)和直觀分析計算Tab.2 Idle Time-Removal Rate of Indirect Score Weighting and Visual Analysis Calculation

5個水平的水力負荷試驗結(jié)果如圖4所示。隨著水力負荷的增大，出水的各項水質(zhì)指標(biāo)均有不同程度的下降，結(jié)合潮汐流濕地的停留時間，最后考慮將潛流濕地的水力負荷定為0.4 m3/(m2·d)，便于后續(xù)的對比分析。在水力負荷為0.4 m3/(m2·d)時，處理效果處在最佳范圍，水力負荷繼續(xù)上升，停留時間變短，反硝化所需時間不足，處理效果有較大程度的下降。

由于后續(xù)需要進行進水因素的研究，將濕地調(diào)整為最佳運行參數(shù)。最后，將潮汐流濕地的淹沒閑置時間比定為36 h∶6 h，潛流濕地的水力負荷確定為0.4 m3/(m2·d)。此時，潛流濕地的水力停留時間為36 h，進水流量為48 L/d。

圖4 潛流人工濕地出水指標(biāo)隨水力負荷的變化Fig.4 Variation of Effluent Water Index of Subsurface Flow Constructed Wetland with Hydraulic Load

2.2 C/N對出水效果的影響

圖5 潮汐流和潛流人工濕地出水指標(biāo)隨C/N的變化Fig.5 Variation of Effluent Water Index of Tidal Flow and Subsurface Flow Constructed Wetland with C/N Ratio

2.3 氮素組成對出水效果的影響

圖6 潮汐流和潛流人工濕地出水指標(biāo)隨氮素組成的變化Fig.6 Variation of Effluent Water Index of Tidal Flow and Subsurface Flow Constructed Wetland with Nitrogen Composition

2.4 基質(zhì)微生物分析

對濕地裝置中取出的基質(zhì)進行微生物分析，結(jié)果如表3所示。潮汐流人工濕地中的微生物量高于潛流人工濕地。

表3 基質(zhì)微生物指標(biāo)Tab.3 Substrate Microorganism Index

微生物的酶活性方面，在數(shù)據(jù)上兩者的關(guān)系與微生物量成正比。潮汐流濕地的基質(zhì)微生物酶活性高于潛流濕地，這是由于與潛流濕地的厭氧環(huán)境相比，潮汐流濕地周期性好氧-缺氧/厭氧交替運行，改善了濕地內(nèi)部的氧環(huán)境，存在的好氧環(huán)境利于好氧微生物的生長。由表3可知，2種濕地的基質(zhì)微生物量比蔣炳伸等[9]研究的綠地土壤微生物活性均較高，主要是由于綠沸石的表面粗糙多孔，粒徑較小，比表面積大，易于生物膜的附著生長。

3 結(jié)論

本研究運行了潮汐流人工濕地和潛流人工濕地，控制2種類型濕地的外部條件，研究潮汐流人工濕地的最佳淹沒時間和最佳閑置時間。在此基礎(chǔ)上，分別改變進水C/N和氮素組成，對2種類型的人工濕地進行對比分析，同時結(jié)合濕地內(nèi)部的微生物指標(biāo)對濕地的運行方式進行分析，得出以下結(jié)論。