污染物濃度和水力負(fù)荷雙重作用下人工濕地的凈化效果

戈浩宇， 華祖林， 沈 健， 聶永平， 倪效欣， 白 雪

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098; 3. 江蘇省南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室， 江蘇 南京 210029)

由于人工濕地管理簡(jiǎn)單、建造成本低等特點(diǎn)，人工濕地已經(jīng)成為尾水深度處理的主要工藝之一。濕地植物的選擇應(yīng)注重其生態(tài)適應(yīng)能力和生態(tài)恢復(fù)功能，因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、植物類型及其?duì)氮磷等污染物的去除能力等因素來(lái)進(jìn)行選擇。目前，學(xué)者們已經(jīng)對(duì)濕地植物的去污效果進(jìn)行了大量研究，Chuluun B等[1]研究了黃菖蒲等21種濕地植物對(duì)氮磷的去除，發(fā)現(xiàn)黃菖蒲對(duì)氮磷的去除有顯著效果；Goulet R等[2]以香蒲為對(duì)象，同樣研究了其對(duì)氮磷的吸收能力，發(fā)現(xiàn)香蒲能夠顯著降低氮磷濃度；Ezzahri J等[3]研究了蘆葦?shù)?種濕地植物對(duì)氮磷的去除，結(jié)果表明植物對(duì)氮元素有較高的吸收能力，其主要依靠的是植物的吸收作用和微生物的硝化及反硝化作用；陳永華等[8]以生活污水為處理對(duì)象，對(duì)17種濕地植物的凈化潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并篩選出了粉美人蕉、再力花、千屈菜、梭魚(yú)草等優(yōu)勢(shì)去污物種。另一方面，由于尾水的污染程度和水力負(fù)荷條件不同，導(dǎo)致濕地對(duì)污染物的凈化能力有差異。王文東等[9]研究不同水力停留時(shí)間下，人工濕地對(duì)污染物的去除效果。發(fā)現(xiàn)隨著水力停留時(shí)間的增大，人工濕地的凈化效果越好。劉臻等[10]研究了不同的進(jìn)水方式與污染物去除之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水力負(fù)荷也是影響人工濕地凈化的重要影響因素。Chung等[11]的研究表明，水力負(fù)荷對(duì)人工濕地的處理效果有著顯著影響。本文結(jié)合大量文獻(xiàn)報(bào)道和徐州當(dāng)?shù)貧夂驐l件及濕地植物資源，依據(jù)植物對(duì)氮磷的去除結(jié)果，選取了6種挺水植物系統(tǒng)和2種沉水植物作為供試植物，研究不同污染負(fù)荷對(duì)人工濕地污染物凈化的影響，以期為選擇人工濕地實(shí)際運(yùn)行和處理效果提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和植物的選擇

1.1.1 試驗(yàn)裝置

將6種挺水植物系統(tǒng)和2種沉水植物系統(tǒng)之間用蠕動(dòng)泵連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)濕地運(yùn)行時(shí)的微水動(dòng)力條件。

1.1.2 植物的選擇

本研究選取的香蒲、再力花、蘆葦、花葉蘆竹、黃菖蒲、矮蒲葦6種挺水植物和苦草、伊樂(lè)藻2種沉水植物，其植物特征見(jiàn)表1。

表1 供試植物性狀特征

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

1.2.1 進(jìn)水濃度條件

本文中的試驗(yàn)污水采自徐州豐縣康達(dá)污水處理廠。具體污水濃度如表2所示。

表2 試驗(yàn)污水各指標(biāo)濃度

1.2.2 水力負(fù)荷設(shè)定

根據(jù)大沙河西濕地實(shí)際進(jìn)水情況，選取3組最常見(jiàn)的流量作為濕地代表流量，計(jì)算各自的水力負(fù)荷。將濕地實(shí)際的水力負(fù)荷作為實(shí)驗(yàn)水力負(fù)荷，乘以桶的表面積，得單個(gè)桶在3種水力負(fù)荷下的流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。其中，蠕動(dòng)泵每天每運(yùn)行6 h休息2 h，即蠕動(dòng)泵每天運(yùn)行18 h。

表3 試驗(yàn)水力負(fù)荷及試驗(yàn)所需總水量

1.3 分析方法

為了篩選大沙河西人工濕地基地中對(duì)污染物去除效果較好的水生植物，對(duì)試驗(yàn)中各植物所處水體進(jìn)行水樣監(jiān)測(cè)。具體監(jiān)測(cè)指標(biāo)、分析方法和儀器見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)、分析方法及所用儀器

1.4 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是指安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。其原理是利用正交表來(lái)安排和分析多因素試驗(yàn)的一種方法。即，在全部的水平組合中，挑選部分有代表性的水平進(jìn)行試驗(yàn)的方法。通過(guò)對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合。為重點(diǎn)考察人工濕地結(jié)構(gòu)因素的影響，選取污染物濃度和水力負(fù)荷作為正交設(shè)計(jì)因素，安排正交試驗(yàn)，見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)COD去除的影響

圖1為各因素水平下COD的去除率。由圖1可知，隨著水力負(fù)荷的增大，人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除率呈穩(wěn)定趨勢(shì)，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸穩(wěn)定。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的COD去除率分別為33%、30%、37%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的COD去除率分別為34%、37%、36%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的COD去除率分別為44%、40%、41%?？梢钥闯觯斯竦貙?duì)COD的去除率總體較低，這是因?yàn)榱鬟M(jìn)濕地的為經(jīng)污水處理廠處理過(guò)的尾水，有機(jī)污染物組成情況復(fù)雜，難以處理且去除效果不穩(wěn)定，但總的來(lái)說(shuō)濕地植物的吸收、吸附作用、微生物的分解作用和基質(zhì)的吸附作用，使?jié)竦刂蠧OD的濃度逐漸降低。但是植物去除COD的能力有限，以至于改變水力負(fù)荷或污染物濃度都無(wú)法有效地增加COD的去除率。

圖1 各因素水平下COD的去除率

2.2 對(duì)TP去除的影響

圖2為各因素水平下TP的去除率，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增大，人工濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除率呈遞減趨勢(shì)，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸增加，水力負(fù)荷是影響TP去除效果的主要因素。與張國(guó)珍等[12]研究不同的是，其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的TP去除率分別為52%、48%、43%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的TP去除率分別為63%、58%、52%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的TP去除率分別為90%、80%、72%。低水力負(fù)荷條件下，TP的去除率優(yōu)于梁康等[13]研究，這是由于水力負(fù)荷較低時(shí)，來(lái)水在濕地中停留時(shí)間較長(zhǎng)，能夠與基質(zhì)、植物充分接觸，從而達(dá)到較好的除磷效果；中水力負(fù)荷條件下，水體的流速有所增加，對(duì)基質(zhì)和植物根莖的沖擊增大，使得基質(zhì)和植物對(duì)TP的吸附量有所減少，但流速的加快有助于提高水體DO含量，使聚磷菌等氧化細(xì)菌在好氧條件下過(guò)量吸附一部分磷，故而中水力負(fù)荷與低水力負(fù)荷條件下，TP的去除率相差不是很大；而高水力負(fù)荷條件下，污水的流速更大，沖擊基質(zhì)釋放出的磷遠(yuǎn)多于微生物的過(guò)量吸收，導(dǎo)致TP去除率下降較明顯。

圖2 各因素水平下TP的去除率

2.3 對(duì)TN去除的影響

圖3為不同水力負(fù)荷對(duì)人工濕地TN去除效果的影響圖，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增大，人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率呈遞減趨勢(shì)，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸增加，水力負(fù)荷是影響TN去除效果的主要因素。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的TN去除率分別為87%、85%、81%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的TN去除率分別為91%、88%、84%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的TN去除率分別為97%、96%、92%。TN的去除率比閆暉敏等[14]研究的去除率要高，這是由于試驗(yàn)期為春夏季，正處于植物生長(zhǎng)階段，所需氮量較大，且此階段溫度適宜，微生物反應(yīng)較強(qiáng)，再加上基質(zhì)對(duì)TN的吸收，人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN呈現(xiàn)出了很好的去除效果。在水力負(fù)荷較低時(shí)，來(lái)水在濕地中停留時(shí)間較長(zhǎng)，能與基質(zhì)、植物充分接觸，使其吸附沉降效果增大，同時(shí)也能為微生物提供充分反應(yīng)的時(shí)間，因而除氮效果最好[15]；當(dāng)水力負(fù)荷為中水力負(fù)荷時(shí)，水體的流速有所增加，對(duì)基質(zhì)、植物根莖的沖擊增大，使得基質(zhì)、植物對(duì)TN的吸附量有所減少，但流速的加快有利于提高水體DO含量，使得硝化細(xì)菌的硝化作用得以較好的發(fā)生，故而中水力負(fù)荷與低水力負(fù)荷對(duì)去除率的影響不是很大；而高水力負(fù)荷條件下，其污水的流速更大，停留時(shí)間大幅縮短，使得硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌不能有效地轉(zhuǎn)化氮，導(dǎo)致TN去除率下降。

圖3 各因素水平下TN的去除率

2.4 對(duì)去除的影響

圖4 各因素水平下的去除率

2.5 對(duì)NO3-N去除的影響

圖5為不同水力負(fù)荷對(duì)人工濕地NO3-N去除效果的影響圖，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增加，人工濕地系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率呈逐漸減小的趨勢(shì)，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸增加，水力負(fù)荷是影響NO3-N去除效果的主要因素。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的硝態(tài)氮去除率分別為92%、86%、83%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的NO3-N去除率分別為94%、90%、86%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的NO3-N去除率分別為97%、93%、90%。這同樣是由于DO含量較低，而此時(shí)起作用的細(xì)菌主要是反硝化細(xì)菌，反硝化作用較強(qiáng)，因此對(duì)NO3-N有較好的去除效果[16-17]。當(dāng)水力負(fù)荷為低水力負(fù)荷時(shí)，水體流速較小，停留時(shí)間較長(zhǎng)，污染物與微生物接觸時(shí)間充分，濕地系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果最好；而中、高水力負(fù)荷時(shí)，水體流速有所增加，水中溶氧含量提高，且水體在濕地中的停留時(shí)間較短，因此隨著水力負(fù)荷的增加，NO3-N的去除率呈下降趨勢(shì)。

圖5 各因素水平下NO3-N的去除率

2.6 對(duì)BOD去除的影響

圖6為不同水力負(fù)荷對(duì)人工濕地BOD去除效果的影響圖，由圖可知，隨著水力負(fù)荷的增加，人工濕地系統(tǒng)對(duì)BOD的去除率呈逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，而隨著污染物濃度的增加，去除率逐漸穩(wěn)定。其中，低濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的BOD去除率分別為32%、36%、33%；中濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的BOD去除率分別為30%、39%、37%；高濃度情況下，低、中、高水力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的BOD去除率分別為36%、41%、39%。這是因?yàn)榱鬟M(jìn)濕地的為經(jīng)污水處理廠處理過(guò)的尾水，有機(jī)污染物組成情況復(fù)雜，但總體來(lái)說(shuō)在濕地植物的吸收、吸附作用、微生物的分解作用及基質(zhì)的吸附作用下，濕地中BOD的濃度會(huì)下降[17]。

圖6 各因素水平下BOD的去除率

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)室內(nèi)動(dòng)水試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得出：隨著水力負(fù)荷的增加，濕地污染物的去除基本呈遞減趨勢(shì)；水力負(fù)荷的大小是影響濕地去除污染物效果的主要因素；將水力負(fù)荷設(shè)置在0.09 m3/(m2·d)，人工濕地對(duì)污染物的凈化效果最好。而污染物濃度越大，人工濕地對(duì)污染物的凈化效果越好。這些可作為初步人工濕地的工藝參數(shù)，但還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)、研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。尾水經(jīng)濕地處理后，氮磷的濃度基本能達(dá)到地表Ⅲ類水要求，但濕地對(duì)COD和BOD的凈化效果較差，但有一定的去除效果，其濃度總體上呈下降趨勢(shì)。由此可以考慮在濕地系統(tǒng)前期人為投加相應(yīng)的微生物，加強(qiáng)濕地對(duì)COD和BOD的去除效果。