堵塞對垂直流人工濕地中酶活性和污染物去除效果的影響

＊許巧玲 溫學(xué)園 汪麗 張鳳 王萍

（安順學(xué)院 貴州 561000）

1.前言

人工濕地是一種成熟的處理技術(shù)，處理效果好，成本 低，但是隨著濕地系統(tǒng)的運行，堵塞成為目前人工濕地運行中不可避免的重要問題，也是影響濕地可持續(xù)除污的主要因素之一。研究濕地堵塞后對目標(biāo)污染物去除的影響對濕地系統(tǒng)的科學(xué)運行和管理有實際意義。人工濕地根據(jù)其水流方式不同分為表面流濕地，潛流濕地和垂直流濕地三種類型。其中，垂直流人工濕地占地面積較小，有較強(qiáng)的輸氧能力，對有機(jī)污染物去除有較好的效果，因此被廣泛應(yīng)用于污水處理當(dāng)中。然而，在實際應(yīng)用過程中，垂直流人工濕地更容易發(fā)生堵塞，基質(zhì)堵塞會嚴(yán)重阻礙氧運輸，導(dǎo)致有效孔隙減小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)除污效果降低?？紫抖瓤梢宰鳛楹饬炕|(zhì)堵塞的指標(biāo)。本實驗?zāi)M構(gòu)建兩個垂直流人工濕地（濕地CW-B和濕地CW-C），為了排除植物根系對基質(zhì)的干擾，直接研究基質(zhì)中物質(zhì)的累積情況，實驗系統(tǒng)都沒有種植濕地植物。兩個系統(tǒng)的主要填料為河砂，CW-B系統(tǒng)表層添加了生物炭，CW-B為對照（未添加生物炭），實驗期間對比了兩個系統(tǒng)在運行過程中的除污效果和基質(zhì)酶活性，為濕地堵塞后的科學(xué)管理提供依據(jù)。

2.材料方法

(1)構(gòu)建垂直流人工濕地

實驗設(shè)置2個平行的垂直流人工濕地，分別為CW-B系統(tǒng)和CW-C系統(tǒng)。濕地構(gòu)筑物尺寸統(tǒng)一為88cm×67cm×65cm（長度×寬度×高度），自下而上依次鋪設(shè)15cm厚的礫石塊，30cm厚的河砂，20cm的布水區(qū)。CW-C系統(tǒng)為對照系統(tǒng)，CW-B系統(tǒng)中表面基質(zhì)添加少量生物炭。生物炭是廢棄生物質(zhì)在厭氧條件下熱解得到的富碳產(chǎn)物。許多研究表明，生物炭具有較大的比表面積、高的多孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的陽離子交換能力，可以有效地去除廢水中的污染物，也證明生物炭的添加可以改變微生物群落結(jié)構(gòu)，從而提高氮的去除效果。系統(tǒng)在試運行掛膜兩周后，于2020年9月13日開始正式運行，采用計量水泵灌水，水力負(fù)荷為10cm/d。每周檢測一次水質(zhì)指標(biāo)。

圖1 人工濕地剖面圖

(2)進(jìn)水水質(zhì)

表1 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)

(3)指標(biāo)檢測方法

①基質(zhì)孔隙度檢測

取垂直流人工濕地中0～10cm、10～20cm、20～30cm中的基質(zhì)各10ml（V），烘干后稱其重量（ms），根據(jù)以下公式計算：

式中，Gs為基質(zhì)比重；ρw為4℃時蒸餾水的密度：ρd為干密度，ρd=ms/V；ms為烘干基質(zhì)的重量；V為基質(zhì)的體積。

基質(zhì)比重采用比重瓶法測定：先將烘干的比重瓶注滿蒸餾水，稱瓶加水的重量。再將烘干基質(zhì)若干克裝入比重瓶中，注滿蒸餾水，稱瓶加基質(zhì)加水的重量，按下列公式計算：

式中，m1為瓶加水的重量；m2為瓶加基質(zhì)加水的質(zhì)量。

②水質(zhì)指標(biāo)和酶活性的檢測

脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶；TN、TP、COD采用國標(biāo)法測定。

(4)數(shù)據(jù)分析

利用Excel2007和SPSS(IBM)26.0軟件計分析的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。本文的統(tǒng)計分析重復(fù)為絕對樣品重復(fù)。

3.結(jié)果分析

(1)垂直流人工濕地基質(zhì)孔隙度

圖2 濕地系統(tǒng)中基質(zhì)孔隙度垂向變化

大量研究已經(jīng)證實孔隙度可以作為評價堵塞的重要參數(shù)。系統(tǒng)運行一個月后就發(fā)生不同程度的堵塞，實驗結(jié)束后，通過監(jiān)測不同基質(zhì)層的孔隙度發(fā)現(xiàn)兩個系統(tǒng)中三個層次中孔隙度大小都表現(xiàn)為上層＞下層＞中層，中層的孔隙度最小，可能因為隨水流動方向的影響，導(dǎo)致該實驗中不可濾物質(zhì)主要積累在中層。

(2)濕地系統(tǒng)中污染物去除效果變化

隨著系統(tǒng)運行，11月21號CW-B出現(xiàn)上層基質(zhì)完全雍水，CW-C僅出現(xiàn)小面積雍水。從圖3中可看出CW-B和CW-C中TN的平均去除率分別為23.8%，20.8%；COD的平均去除率皆大于77%；TP的平均去除率分別為29.5%，26.8%。實驗中添加生物炭基質(zhì)的CW-B系統(tǒng)在TN、TP的去除效果高于不添加生物炭基質(zhì)的對照系統(tǒng)CW-C。該實驗中堵塞對COD的去除影響不大，直到實驗結(jié)束，堵塞嚴(yán)重的CW-B系統(tǒng)中COD去除率仍高達(dá)87.2%，CW-C中COD去除率為71.8%。堵塞對TP去除影響最大，實驗結(jié)束時（1月24號），CW-B系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重堵塞2個月，堵塞面積為0.589m2，CW-C系統(tǒng)為部分堵塞，堵塞面積為0.236m2。實驗結(jié)束時CW-B中TP去除率為4%，CW-C中TP去除率為-9.8%。堵塞程度嚴(yán)重、堵塞時間更長的CW-B系統(tǒng)中TP平均去除率高于CW-C系統(tǒng)中TP的平均去除率。

圖3 濕地中各污染物去除效果變化

(3)濕地系統(tǒng)中酶活性變化

圖4 濕地中酶活性變化

實驗結(jié)束后CW-B、CW-C系統(tǒng)中磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性分別為0.89mg/100g·24h、1.11mg/100g·24h、0.15mL/g·20min和0.33mg/100g·24h、0.93mg/100g·24h、0.10mL/g·20min，系統(tǒng)CW-B中的酶活性整體比CW-C系統(tǒng)中的高。

4.討論

(1)垂直流人工濕地堵塞后對污染物去除效果影響

實驗中系統(tǒng)CW-B和系統(tǒng)CW-C去除COD效果都較好，即使兩個系統(tǒng)都出現(xiàn)堵塞情況，COD的平均去除率皆大于77%，說明濕地基質(zhì)堵塞對COD去除效果影響不大，Vymazal調(diào)研運行15年后出現(xiàn)積水現(xiàn)象的水平潛流人工濕地對出水COD沒有顯著影響。兩個系統(tǒng)中TN的平均去除率整體偏低，究其原因是由于TN的降解主要靠生物的硝化和反硝化過程，其中反硝化是N完全去除的主要途徑，該實驗中兩個系統(tǒng)中溶解氧平均含量都大于3mg/L，從而導(dǎo)致兩個系統(tǒng)的TN平均去除率整體偏低。該實驗中，CW-B系統(tǒng)堵塞時間比CW-C的堵塞時間更長，但是CW-B中TP的平均去除率更高，究其原因有兩點：①CW-B系統(tǒng)中與磷去除相關(guān)的磷酸酶比CW-C系統(tǒng)中活性更高；②CW-B系統(tǒng)中0～10cm基質(zhì)層中含磷量顯著高于CW-C系統(tǒng)中含量，添加生物炭更利于表層基質(zhì)磷的吸附截留。

(2)垂直流人工濕地堵塞后的酶活性變化

系統(tǒng)CW-B和系統(tǒng)CW-C中的脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶都表現(xiàn)出一致規(guī)律，統(tǒng)CW-B大于系統(tǒng)CW-C，究其原因可能因為生物炭的添加，更有利于微生物在基質(zhì)層附著繁殖。系統(tǒng)堵塞后兩個系統(tǒng)中磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性范圍分別為0.33～0.89mg/100g·24h、0.93～1.11mg/100g·24h、0.10～ 0.15mL/g·20min比之前酶活性的研究低一個數(shù)量級，從酶活性角度看堵塞會降低相關(guān)酶活性，盡管在該實驗中COD的去除率變化不大，但從長遠(yuǎn)看仍然會影響COD的降解，因為在濕地中COD降解主要依靠微生物分解作用。

5.結(jié)論

在該垂直流人工濕地中，堵塞主要發(fā)生在中層10～20cm層，在基質(zhì)中添加生物炭可以提高脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性，有利于提高濕地TN、TP、COD的去除效果；堵塞初期，堵塞對COD影響最小，對TP影響最大。長期堵塞會降低磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性。