人工濕地凈化尾水效果的研究

宋柯崢，胡昀

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平的逐漸提升，我國廢水排放量逐漸增加，2016年全國廢污水排放總量765億噸，廢污水經(jīng)處理后，最終直接排入江河、湖、海域和水庫等水環(huán)境[1].污水處理廠處理后的尾水具有排放量大、氮磷濃度高、有機物濃度低、組成成分龐雜等特點，多數(shù)尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中最嚴(yán)格的一級A標(biāo)準(zhǔn)后排入地表水體，而一級A標(biāo)準(zhǔn)劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，處理后的尾水若直接排放仍會對受納水體造成二次污染，因此常需要根據(jù)排放或回收利用要求有針對性地對尾水進行處理，如何深度處理尾水成為水污染控制技術(shù)的關(guān)鍵[2-4].

目前，污水處理廠尾水深度凈化主要采用膜技術(shù)、高級氧化技術(shù)與人工濕地生態(tài)技術(shù)[5].膜處理技術(shù)可以去除細(xì)菌、病毒、營養(yǎng)鹽、腐殖酸和總?cè)芙庑怨腆w等，但其強度差、壽命短、抗污能力差，具有極高的運行成本[6].高級氧化技術(shù)對氮磷等營養(yǎng)鹽的去除效果不好[7].人工濕地作為一種污水生態(tài)處理技術(shù)利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化，使水質(zhì)得到改善，實現(xiàn)對廢水的生態(tài)化處理，并廣泛應(yīng)用于面源污染控制、雨水處理和污水處理等領(lǐng)域，具有投資及維護費用低、出水水質(zhì)好、二次污染小等優(yōu)點[8-9].濕地植物作為人工濕地重要組成部分之一，也起著至關(guān)重要的作用，有學(xué)者研究不同濕地植物對生活污水的凈化效果，結(jié)果表明種植美人蕉(Cannaindica)的人工濕地對污水中氮的凈化效果較種植其他植物的濕地好[10].岑璐瑤等[11]研究種植不同植物的人工濕地深度處理尾水的的凈化效果，研究表明美人蕉濕地對氨氮和總磷去除效果最好，平均去除率分別為76.33%和79.43%，總體來說美人蕉在吸氮納磷方面相對較好.本文中選擇美人蕉作為濕地植物，通過研究不同構(gòu)型人工濕地對尾水的處理效果，探討溫度、pH、進水因素等對濕地系統(tǒng)凈化能力的影響，以期為更高效運用人工濕地處理污水處理廠尾水提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

1.1.1 水平流人工濕地 3套水平流人工濕地系統(tǒng)尺寸均為70 cm×50 cm×50 cm(L×W×H)，有效容積為0.05 m3.裝置用兩塊篩板隔開成3部分：布水區(qū)、主體區(qū)域和集水區(qū)域，其中布水區(qū)與集水區(qū)域使用碎石作為填料，碎石粒徑5～8 mm，主體區(qū)域使用河沙作為填料，河沙粒徑0～4 mm，3個區(qū)域填料填充高度均為40 cm，基質(zhì)上種植密度為40株/m2的美人蕉.水平流裝置進水從布水區(qū)流向集水區(qū).

1.1.2 垂直流人工濕地 3套垂直流人工濕地系統(tǒng)尺寸均為25 cm×100 cm(D×H)，有效容積為0.05 m3.垂直流的下層填充5 cm高、粒徑5～8 mm的礫石，上層填充75 cm高、粒徑在0～4 mm的河沙，基質(zhì)上種植密度為40株/m2的美人蕉.垂直流濕地系統(tǒng)水流方式為從上向下.

1.2儀器與試劑紫外/可見分光光度計(UV-754 上海精密儀器廠)，電子分析天平(PT-A-20 福州華志科學(xué)儀器廠)，消解用高壓滅菌鍋(GF36DX 美國致微)，電熱恒溫水浴鍋(BSG-24 上海一恒)，化學(xué)需氧量恒溫加熱器(JC-101 青島聚創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司)，精密pH計(PHS3-3C 上海雷磁儀器廠)；氫氧化鈉、過硫酸鉀、酒石酸鉀鈉、碘化鉀、氨基磺酸、重鉻酸鉀、硫酸銀、鉬酸鹽、葡萄糖、硝酸鉀、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、七水硫酸鎂、五水硫酸銅、四水氯化錳均為分析純并購自上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司.人工配水：葡萄糖56.6 mg/L，硝酸鉀86.57 mg/L，氯化銨30.56 mg/L，磷酸二氫鉀136.09 mg/L，氯化鈣2.5 mg/L，七水硫酸鎂27.5 mg/L，七水硫酸鋅30 mg/L，五水硫酸銅7.5 mg/L，四水氯化錳30 mg/L.

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗方法 實驗總時間為1-5月，采用間歇式人工配水的方式進水.試運行階段為1-3月，進水為自來水，水力停留時間為6 d，待植物、生物膜生長好后，即系統(tǒng)穩(wěn)定后進行后續(xù)試驗.實驗階段為3-5月，模擬《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)出水作為濕地進水條件.每個系統(tǒng)每次進水量為25 L，水力停留時間為6 d.每次現(xiàn)場取樣均對進出水的氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)和pH進行測定.進水水質(zhì)平均值NH4+-N為(7.95±0.47)mg/L、NO3--N為(12.37±0.68)mg/L、TN為(21.13±1.11)mg/L、TP為(1.02±0.11)mg/L、COD為(65.23±5.71)mg/L、pH為(7.65±0.19)mg/L；最低氣溫平均值為(19.00±3.12)℃；最高氣溫平均值為(28.80±3.22)℃.

表1 監(jiān)測項目及分析方法

1.3.2 水質(zhì)測定方法 水質(zhì)監(jiān)測項目包括pH、COD、TN、NO3--N、NH4+-N、TP，各項指標(biāo)分析方法見表1.

1.3.3 統(tǒng)計學(xué)方法 垂直流人工濕地和水平流人工濕地凈化效果數(shù)據(jù)差異顯著性采用SPASS23.0軟件Student T檢驗法進行統(tǒng)計分析，P<0.05視為差異性顯著；Pearson相關(guān)系數(shù)用來分析各水質(zhì)指標(biāo)與去除率之間的關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)需氧量的去除效果COD是評價污染水體中有機污染的重要指標(biāo).如圖1所示，濕地進水COD濃度為58.92～74.67 mg/L，經(jīng)過水平流和垂直流人工濕地系統(tǒng)處理后，出水COD濃度明顯降低，水平流人工濕地系統(tǒng)對COD的去除率為47%～66%，垂直流人工濕地系統(tǒng)對COD的去除率為41%～52%，水平流濕地系統(tǒng)對COD的平均去除率53.5%明顯高于垂直流人工濕地系統(tǒng)47.3%(P<0.05).在人工濕地中COD的去除主要由基質(zhì)攔截、植物吸收以及微生物降解，微生物好氧降解COD與周圍環(huán)境含氧量相關(guān)[10].本實驗中水平流和垂直流濕地系統(tǒng)中基質(zhì)和植物種植密度相同，水平流濕地系統(tǒng)基質(zhì)相對較淺、處于有氧環(huán)境，而垂直流濕地系統(tǒng)較深，水隨重力的作用下使全部聚集在裝置底部的缺氧環(huán)境之中，在該情況下有機物厭氧降解速度比好氧代謝慢，因此垂直流人工濕地系統(tǒng)對COD的去除率比水平流濕地系統(tǒng)低.

圖1 COD進出水濃度及其去除率

圖2 氨氮進出水濃度及其去除率

2.2 氨氮的去除效果如圖2所示，濕地進水濃度氨氮平均濃度在7.95 mg/L左右，經(jīng)水平流人工濕地處理后出水濃度可降至0.13 mg/L，經(jīng)垂直流人工濕地處理后出水濃度可降至0.05 mg/L，均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的I級標(biāo)準(zhǔn).垂直流濕地系統(tǒng)對氨氮的平均去除率為90.2%,略高于水平流人工濕地(83.6%)，這與Yalcuk等人研究結(jié)果相似[11].隨著濕地系統(tǒng)的連續(xù)運行，氨氮的去除率逐漸上升直至趨于穩(wěn)定，這與Hu等的研究結(jié)果類似，進水中氨氮的去除主要是基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)、植物吸收和根系微生物的硝化作用，氨氮去除率的逐漸上升可能是因為濕地系統(tǒng)中植物和微生物膜逐漸長好，大部分氨氮通過植物吸收以及微生物的硝化作用得以去除[12].

圖3 硝態(tài)氮進出水濃度及其去除率

2.3 硝態(tài)氮的去除效果硝態(tài)氮是氮元素穩(wěn)定存在的形式，為濕地系統(tǒng)進、出水中氮元素的主要組成部分，硝態(tài)氮的去除主要是靠微生物的反硝化作用，氧氣會抑制微生物反硝化酶類的活性，因此在缺氧環(huán)境微生物更容易降解硝態(tài)氮.如圖3所示，進水硝態(tài)氮平均濃度在12.37 mg/L，經(jīng)垂直流和水平流人工濕地系統(tǒng)處理后可降低到4.9 mg/L，去除率可高達62%,與先前一些學(xué)者報道的去除率98.5%仍有一定差距[13].尾水一般呈現(xiàn)氮素高度硝化且碳源不足的水質(zhì)特點，因此人工濕地系統(tǒng)一定要解決碳源不足抑制反硝化而導(dǎo)致硝態(tài)氮去除率低的問題.

2.4 總氮的去除效果起初進水總氮平均濃度為21.13 mg/L，由于進水總氮的組成中硝態(tài)氮占了3/5左右，不同人工濕地總氮的去除率曲線和硝態(tài)氮的去除率曲線相似，從圖4中可以看出，水平流和垂直流濕地系統(tǒng)出水總氮濃度分別可降至5.22 mg/L和4.66 mg/L，垂直流人工濕地系統(tǒng)平均總氮去除率60.6%顯著高于水平流人工濕地系統(tǒng)56.3%(P<0.05)，說明垂直流人工濕地系統(tǒng)去除總氮的能力強于水平流人工濕地系統(tǒng)，可能是因為垂直流濕地系統(tǒng)下部的飽和水層，形成了系統(tǒng)底部的厭氧環(huán)境，而上部由于植物根系的輸氧和表層復(fù)氧處于缺氧或好氧狀態(tài)，這種好氧與厭氧條件的共存與交替當(dāng)于若干個微小的A/O工藝串聯(lián)，為根系好氧、兼性厭氧和厭氧微生物提供了不同的微生境有利于微生物脫氮過程中的硝化、反硝化作用[14].

2.5 總磷的去除效果如圖5所示，實驗初期進水總磷平均濃度為1.02 mg/L，垂直流濕地系統(tǒng)去除總磷效果優(yōu)于水平流濕地系統(tǒng)，可能是因為垂直流濕地比水平流濕地水流更劇烈、沉降距離更長，污水在流動過程中與基質(zhì)和植物接觸更充分，基質(zhì)吸附和截留效果更好.后續(xù)隨著時間的推移，出水總磷濃度逐漸增加并高于進水濃度，降解率明顯降低.濕地系統(tǒng)對總磷的去除可通過基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物降解，其中基質(zhì)的吸附沉淀占主導(dǎo)作用[15].本實驗基質(zhì)使用的是河沙，自身對磷的吸附能力很差，當(dāng)基質(zhì)吸附磷達到飽和時磷便難以被除去；此外，水力停留時間過長也會導(dǎo)致微生物厭氧釋磷，因而濕地系統(tǒng)整體去除磷的能力比較差.

圖4 總氮進出水濃度及其去除率

圖5 總磷進出水濃度及其去除率

2.6 水質(zhì)指標(biāo)與去除率相關(guān)性研究為探究各指標(biāo)去除率之間的關(guān)系，我們用Pearson對每個變量做了相關(guān)性分析，檢驗結(jié)果見表2和3.從表中可以看出，垂直流和水平流濕地系統(tǒng)中進水氨氮濃度分別與總氮、硝態(tài)氮和氨氮去除率顯著相關(guān)，說明進水氨氮濃度很大程度上影響著濕地對氮的去除，同時氣溫與總氮、硝態(tài)氮和氨氮去除率具有顯著相關(guān)性，說明氣溫是影響人工濕地系統(tǒng)脫氮的一個關(guān)鍵因素.在水平流濕地系統(tǒng)中進水pH值與總氮和氨氮去除率有顯著相關(guān)性，在垂直流濕地系統(tǒng)中進水pH值與硝態(tài)氮去除率顯著相關(guān)，表明進水pH值一定程度上與濕地脫氮相關(guān).在垂直流人工濕地系統(tǒng)中COD與各種形態(tài)氮的去除率顯著相關(guān)，說明進水COD的值影響著濕地系統(tǒng)脫氮的效率.

表2 水平流各指標(biāo)去除率間的相關(guān)性系數(shù)

* 表示在 0.05 相關(guān)性顯著；** 表示在 0.01 相關(guān)性顯著；— 表示非顯著性相關(guān)

表3 垂直流各指標(biāo)去除率間的相關(guān)性系數(shù)

* 表示在 0.05 相關(guān)性顯著；** 表示在 0.01 相關(guān)性顯著；- 表示非顯著性相關(guān)

3 結(jié)論

人工濕地運行初期凈化效果不理想，隨著植物、生物膜長好，濕地運行逐漸穩(wěn)定，凈化效果明顯上升，COD、氨氮、硝態(tài)氮、總氮去除率可分別高達66%、98%、62%、79%，其中氨氮經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后可達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn).總氮、氨氮、總磷在垂直流濕地系統(tǒng)中的去除率均高于水平流濕地系統(tǒng)，COD在水平流濕地系統(tǒng)中的去除率(53.5%)卻高于垂直流濕地系統(tǒng)(47.3%)，通過對水平流和垂直流濕地凈化尾水效果的分析比較,表明構(gòu)型的不同會產(chǎn)生不同的水力學(xué)特征，處理過程中水流狀態(tài)和路徑不同，進而導(dǎo)致環(huán)境影響因素如微生物、溶解氧等分布不同，垂直流濕地系統(tǒng)比水平流人在污水與基質(zhì)、植物接觸和沉降、微生物多樣性分布方面更具優(yōu)勢.Pearson相關(guān)性分析表明人工濕地系統(tǒng)中進水氨氮濃度和氣溫對總氮、氨氮、硝態(tài)氮的去除具有顯著影響.