不同组合基质的垂直流人工湿地对富营养化水体的净化效果

齐 丹,卢徐节,王兴华

(海南热带海洋学院 海洋科学技术学院,海南 三亚 572022)

不同组合基质的垂直流人工湿地对富营养化水体的净化效果

齐 丹,卢徐节,王兴华

(海南热带海洋学院 海洋科学技术学院,海南 三亚 572022)

为研究不同组合基质的垂直流人工湿地净化效果的影响,采用六种基质(大碎石、花岗石、鹅卵石、粗砂、砾石、土壤)构建两种不同组合基质结构的垂直流人工湿地,对富营养化水体进行净化.实验结果表明,以土壤、砾石、花岗岩、大碎石为组合基质的人工湿地系统(CWs1)对TP、PO4-P、NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均去除率分别为58.5 %、57.3%、38.5%、21.4%、16.5%;以土壤、粗砂、鹅卵石、大碎石为组合基质的人工湿地系统(CWs2)的平均去除率分别为37.8 %、65.2%、45.2%、27.2%、19.6%.组合基质CWs1对磷的去除效果优于CWs2,对氮的去除率低于CWs2;两种组合基质垂直流人工湿地对富营养化水体均具有较好的净化效果,且对磷的去除率高于氮.

基质;垂直流人工湿地;净化;富营养化水体

0 引言

随着经济发展,河流、湖泊水体富营养化污染日益加剧,水环境污染控制与治理面临着巨大挑战.人工湿地(constructed wetlands , CWs)是一种天然净化与人工强化相结合的复合工艺,主要通过植物、微生物、基质填料的协同作用对水体中污染物进行吸附、同化、转化,以达到净化水体的目的[1-2].目前得到越来越广泛的应用及持续研究[3-6].

基质填料是人工湿地系统的重要组成部分,对污水净化效果具有重要促进作用[7-8].基质填料在人工湿地系统中不仅通过自身作用(过滤、吸附、吸收、络合、离子交换等)净化水体,还为污水渗流提供良好水力条件;为微生物生长繁衍提供稳定依附面;为植物生长提供载体和部分营养源[9].不同的基质由于其孔隙度、粒径、成份等理化特性不同,对污染物的吸附降解能力不同,为污水渗流提供的水利条件不同.一般基质粒径越小,比表面积越大，其有效微生物量越多,对污染物的去除率越高,但易造成湿地阻塞,降低水力传导率,形成地表漫流,不利于人工湿地长期稳定运行[10-11].基质粒径越大,越有利于水力传导,但微生物栖息附着面小,不利于微生物膜的生长和植物根系的蔓延[12-13].此外,不同种类基质填料上附着的微生物膜的种类、生物量、活性、群落繁殖情况不同,影响水质的净化效果[14].因此,根据不同基质填料的粒径、渗透系数、水力传导率等理化特性差异,合理将不同基质填料搭配组合,寻求一种高效、低成本、便于运行管理的混合型基质具有重要的现实意义.

本实验采用六种基质(大碎石、花岗石、鹅卵石、粗砂、砾石、土壤)搭配组合成两组人工湿地,通过对富营养水体氮、磷净化效果的对比研究,探讨两组基质在垂直流人工湿地中对水质净化的贡献差异,为构建高效的垂直流人工湿地选择合适的基质、为富营养化水体净化修复提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1 人工湿地组合基质填料图

实验装置为PVC 材料加工制作的垂直流人工湿地单元,尺寸为1 m×0.8 m×0.5 m,种植水生植物,种植密度为20丛/m2.富营养水体通过埋入表层土壤中的四条布水管由上至下渗入基质中,水力停留时间设为24 h,通过装置底部出水口排出.

1.2 组合基质

组合基质1(CWs1)为土壤、砾石、花岗岩、大碎石;组合基质2(CWs2)为土壤、粗砂、鹅卵石、大碎石,每种基质填料高度均为7 cm.(见图1).

1.3 进水水质

实验进水为模拟废水,为异常富营养化水体,水质参数为:TP平均浓度为0.0510 mg/L，PO4-P平均浓度为0.0372 mg/L,NH4-N平均浓度为0.0510 mg/L,NOx-N 浓度为0.047-1.20mg/L.

1.4 运行管理

实验装置试运行1个月,系统稳定后,将供试水样通入实验装置,水力停留时间为24 h,每2 d取样1次,测定出水各指标浓度.

1.5 分析方法

废水各项指标测定方法见表2.

表2 各项指标测定的方法

2 结果与分析

图2 人工湿地对TP的去除效果

2.1 不同组合基质人工湿地对总磷的去除效果

人工湿地主要通过植物吸收、微生物同化和基质填料的吸附截留去除污水中的磷.其中,基质填料因其自身物理化学特性,吸附且与各种价态磷酸根离子进行化学反应.不同的基质与微生物附着能力不同,因此导致微生物对总磷的去除效率不同[15].将1.3中污水通入垂直流人工湿地系统进行净化处理,按照1.5中分析方法测定出水中总磷去除率,见图2.

由图2可见,CWs1和CWs2对富营养化水体中的总磷均具有显著的去除效果,且随时间变化,CWs1和CWs2对总磷的去除率均随之增长.CWs1总磷平均去除率为58.5%,最大去除率为83.6%;CWs2总磷平均去除率为37.8%,最大去除率为56.1%,实验过程中CWs1在运行10 d后总磷的去除率便达到了50%以上.因此CWs1组合基质对富营养化污水中TP的去除效果明显优于CWs2.

图3 人工湿地对PO4-P的去除效果

2.2 不同组合基质人工湿地对磷酸盐的去除效果

磷酸盐又被称为活性磷酸盐,溶解性好,易吸附在颗粒物上,易被植物、细菌和藻类所利用,被认为是内陆水体(如湖泊等)的一种限制性营养盐[16].化肥、洗涤剂中含有大量磷酸盐,生活污水、农业地表径流等含有大量磷酸盐污水进入自然水体中造成富营养化,因此水体中磷酸盐含量对水体的富营养起到较大影响[17].将1.3中污水通入垂直流人工湿地系统中进行净化处理,按照1.5中分析方法测定出水中磷酸盐去除率,见图3.

由图3可见,CWs1和CWs2对富营养化水体中的磷酸盐均具有较显著的去除效果,且CWs1和CWs2对磷酸盐的去除率均随时间变化先降后升.系统处理初期,大量磷酸盐被基质吸附,去除率较高;系统处理中期随着吸附饱和,去除率降低;处理后期,微生物同化和植物吸收起到了主导作用,处理率增高[18].CWs1平均去除率为65.2%,最大去除率为84.0%;CWs2 PO4-P平均去除率为57.3%,最大去除率为79.7%.因此基质组合CWs1对富营养化污水中的PO4-P去除效果稍优于CWs2.

图4 人工湿地对NH4-N的去除效果

2.3 不同组合基质人工湿地对氨氮的去除效果

人工湿地中氨氮的去除机制是多样的,除植物和原生动物摄取、基质吸附和反应外,还包括微生物(如硝化菌)将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮及氮挥发[19].其中,微生物硝化是氨氮含量降低的主要途径[20].将1.3中废水通入垂直流人工湿地系统中进行净化处理,按照1.5中分析方法测定出水中氨氮去除率,见图4.

由图4可见,CWs1氨氮平均去除率为38.5%,最大去除率为56.3%;CWs2氨氮平均去除率为45.2%,最大去除率为60.3%.总体上组合基质CWs2对富营养化水体中的NH4-N去除效果稍优于CWs1.

氨氮在两组基质垂直流人工湿地中均呈现出波动性.硝化作用是好氧过程,主要由亚硝化细菌和硝化细菌来完成.富营养化水体中营养盐含量高,降解净化过程中需要消耗大量溶解氧,溶解氧含量不足致使湿地内部环境缺氧[21].同时,随着污水中亚硝酸盐和硝酸盐的增高抑制了亚硝化细菌和硝化细菌的活性,降低微生物的硝化作用[19].硝化细菌活性降低后,污水中溶解氧随新污水注入和其他途径增加,硝酸盐和亚硝酸盐含量随反硝化作用降低,又重新促进了硝化作用,使氨氮去除率增高.因此,呈现出一定的波动.

2.4 不同组合基质人工湿地对硝酸盐氮去除效果

硝酸盐氮具有较好的溶解性,可以被人工湿地中植物、微生物直接同化利用,其中,微生物反硝化作用是硝酸盐含量降低的主要途径[20].反硝化菌通过反硝化过程将硝酸盐还原成N2O和N2,从污水中去除.将1.3中废水通入垂直流人工湿地系统中进行净化处理,按照1.5中分析方法测定出水中硝酸盐去除率,见图5.

由图5可见,CWs1硝酸盐氮平均去除率为21.4%,最大去除率为32.3%;CWs2硝酸盐氮平均去除率为27.2%,最大去除率为38.3%.总体上基质组合CWs2对富营养化污水中NO3-N的去除效果稍优于CWs1.

硝酸盐氮在两组基质垂直流人工湿地中均呈现出波动性,且其波动趋势与氨氮去除率波动趋势相反.

图5 人工湿地对NO3-N的去除效果

图6 人工湿地对NO2-N的去除效果

2.5 不同组合基质人工湿地对亚硝酸盐氮去除效果

亚硝酸盐为细菌硝化和反硝化作用的中间产物.人工湿地中无氧条件下反硝化细菌将亚硝酸盐转化为氨氮,在有氧条件下硝化细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐[22-23].将1.3中废水通入垂直流人工湿地系统中进行净化处理,按照1.5中分析方法测定出水中亚硝酸盐去除率,见图6.

由图6可见,CWs1亚硝酸盐氮平均去除率为16.5%,最大去除率为20.8%;CWs2亚硝酸盐氮平均去除率为19.6%,最大去除率为27.6%.总体上基质组合CWs2对富营养化污水中NO2-N的去除效果稍优于CWs1.

3 结论

(1) 人工湿地CWs1对TP、PO4-P、NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均去除率分别为58.5 %、57.3%、38.5%、21.4%、16.5%;人工湿地CWs2的平均去除率分别为37.8 %、65.2%、45.2%、27.2%、19.6%.

(2) 组合基质CWs1人工湿地和组合基质CWs2人工湿地对富营养化水体均具有良好的净化效果,且对磷的去除率高于对氮的去除率.

(3) 组合基质CWs1对磷的去除率优于CWs2;组合基质CWs2对氮的去除率优于CWs1.

[1]Pant H K,Reddy K R,Lemon E.Phosphorus retention capacity of root bed media of sub-surface flow constructed wetlands [J].Ecological engineering,2001,17:345-355.

[2]Yeh T Y, Wu C H.Pollutant removal within hybrid constructed wetland systems in tropical regions [J].Water science and technology, 2009, 59(2):233-240.

[3]黄珍.人工湿地污水处理系统在城市污水处理中的应用[J].甘肃农业,2012(15):39-40.

[4]葛绍根,李春雷.浅谈人工湿地污水处理技术及其发展[J].中国高新技术企业,2015, 325(10):95-96.

[5]周林飞,张明含,王鹤翔.人工湿地对矿业污染物净化效果评价与分析[J].节水灌溉,2016(1):55-58,62.

[6]Jos T A.Verhoeven et al.Wetlands for wastewater treatment: Opportunities and limitations [J].Ecological Engineering.1999(12): 5-12.

[7]阮晶晶,高德,洪剑明.人工湿地基质研究进展[J].首都师范大学学报(自然科学版),2009,30(6):85-90.

[8]刘灏,王勇,张宝莉,等.垂直流人工湿地中基质组合对污水的处理效果及模型模拟[J].环境工程学报,2016,10(6):2940-2946.

[9]蒋斌,白永刚.人工湿地污水处理工艺及除污机理[J].环境监测与预警,2012,4(2):50-53.

[10]潘珉,李滨,冯慕华,等.潜流式人工湿地基质堵塞问题对策研究[J].环境工程学报,2011,5(5):1015-1020.

[11]尚文,杨永兴,韩大勇,等.人工湿地基质堵塞问题及防治新技术研究[J].安徽农业科学,2012,40(28):13945-13947.

[12]董敏慧,胡曰利,吴晓芙.基质填料在人工湿地污水处理系统中的研究应用进展[J].资源环境与发展,2006(3):40-42.

[13]冀泽华,冯冲凌,吴晓芙,等.人工湿地污水处理系统填料及其净化机理研究进展[J].生态学杂志,2016,35(8):2234-2243.

[14]钟定胜,罗华铭.填料在自由水面人工湿地中的应用[J].环境与开放,2000,15(4):14-15+18.

[15]李珍,刘佳.垂直流-水平流复合人工湿地系统对化粪池污水氮磷去除效果[J].广东化工,2015,42(1):94-95.

[16]蔡龙炎,李颖,郑子航.我国湖泊系统氮磷时空变化及对富营养化影响研究[J].地球与环境,2010,38(2): 235- 241.

[17]孔范龙,郗敏,徐丽华,等.富营养化水体的营养盐限制性研究综述[J].地球环境学报,2016,7(2):121-129.

[18]李琼辉,于伟鹏,李小荣,等.6种人工湿地填料对氮磷的吸附效果研究[J].安徽农业科学,2016,44(4):83-86.

[19]丁怡,王玮,王宇晖,等.水平潜流人工湿地的脱氮机理及其影响因素研究[J].工业水处理, 2015,35(6):6-10.

[20]尹连庆,谷瑞华.人工湿地去除氨氮机理及影响因素研究[J].环境工程,2008(S1):151-155.

[21]梁威,吴振斌.人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究[J].环境科学动态,2000 (3):32-37.

[22]Wetzel R G.Scientific foundations in Constructed Wetlands for Water Quality Improvement [M].1993, BocaRaton , FL: CRC Press 3-7.

[23]陆松柳,胡洪营.人工湿地的反硝化能力研究[J].中国给水排水,2008,24(7):63-65+69.

(编校：李由明)

Removal Efficiencies of Vertical Flow Constructed Wetlandwith Different Carriers on Eutrophic Water Treatment

QI Dan, LU Xu-jie, WANG Xing-hua

(School of Ocean Science and Technology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China)

In the paper, eutrophic water was treated by applying vertical flow constructed wetland with different carriers, such as large-gravel, pedestrian, pebbles, coarse sand, gravel and soil.The treatment effects of TP, PO4-P, NH4-N, NO3-N and NO2-N were explored.The experimental results indicated that the removal efficiencies of TP, PO4-P, NH4-N, NO3-N and NO2-N are 58.5 %, 57.3%, 38.5%, 21.4% and 16.5%, respectively ,under the experimental conditions of CWs1, while the removal efficiencies of TP, PO4-P, NH4-N, NO3-N and NO2-N are 37.8 %, 65.2%, 45.2%, 27.2% and 19.6%, respectively ,under the experimental conditions of CWs2.It can be found that the removal efficiencies of CWs1 for P removal are better than those of CWs2, while the removal efficiencies of CWs1 for N removal are lower than those of CWs2.The good treatment effect of eutrophic water is gained by the processes of vertical flow constructed wetland with different carriers.

carrier; vertical flow constructed wetland; purification; eutrophic water

格式：齐丹,卢徐节,王兴华.不同组合基质的垂直流人工湿地对富营养化水体的净化效果[J].海南热带海洋学院学报,2017，24(2):13-17.

2017-02-19

海南省社会发展科技专项(2015SF09)

齐 丹(1980-),女,辽宁东港人,海南热带海洋学院海洋科学技术学院实验师,硕士,主要研究方向为水污染控制与治理.

卢徐节(1974-),男,安徽潜山人,海南热带海洋学院海洋科学技术学院教授,博士,主要研究方向为环境污染治理.

X703

A

2096-3122(2017) 02-0013-05

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.02.03