溶解氧对人工湿地系统除磷性能影响研究

赵同宇

（辽阳市城市管理事务服务中心，辽宁 辽阳 111000）

随着经济建设不断发展，国内涌现出大批郊区道路［1］。作为连接城乡与高速路口的缓冲地带，也在一定程度上起到“城市名片”的作用。设计上大多采用宽且直的样式，这将导致路边住户居住松散，进而忽视周围的环境维护问题。沿途的生活污水处理研究一直处于起步阶段，污水中含有丰富氮磷物质，是植物生长的必备元素，也会导致水生厌氧生物大量繁殖，使水体恶化发臭。国内现投入使用的多半为化学除磷法和物理除磷法；人工湿地系统是一种新型的生物除磷系统，它将污水中过量的氮磷物质转化成为系统中植物的养料，破坏了厌氧生物的生存环境，有效改善水体。传统的化学除磷法会有有害化学制剂残留，会改变土壤酸碱度，影响农作物的生长；物理除磷法浪费大量人力物力，并不能高效持久的去除水体总磷。实施人工湿地系统除磷的方案，可以达到效率高、耗能低、绿色环保等功效。

溶解在水中分子态氧称为溶解氧。水中溶解氧浓度可通过碘量测定法判断含量的多少。不同的溶解氧浓度会改变人工湿地系统中厌氧区域分布，进而影响微生物生长；此外人工湿地系统中，基质的微观组成中含有大大小小的坑洼，这会在基质表面形成一层生物膜，溶解氧浓度变化的同时也会改变生物膜构造。因此溶解氧会对人工湿地系统除磷性能产生影响。

1 实验设备

1.1 实验试剂

浓硫酸（98%）、钼酸铵、抗坏血酸，天津科密欧化学试剂有限公司（分析纯）；酒石酸锑氧钾，天津致远化学试剂有限公司（分析纯）；磷酸二氢钾、氢氧化钠，天津奥普升化工有限公司（分析纯）;硫酸锰、碘化钾，北京化工厂（分析纯）；可溶性淀粉，上海阿拉丁生化科技有限公司（分析纯）。

1.2 实验仪器

分析天平 BSA124S 、高压蒸汽灭菌锅YXQ-LS-100G，沈阳瑞永兴化玻仪有限公司；多通道蠕动泵BT600-2J，保定创锐泵业有限公司。烘箱101-3AB、马弗炉SX-4-10，天津市泰斯特仪器有限公司；紫外分光光度计UV-5500，上海元析仪器有限公司；水溶性分析仪SX723，上海三信仪表厂。

1.3 模拟人工湿地系统设备的制作

为更好增强对磷的吸收作用，同时有利于水生湿地植被扎根生长［2］，人工湿地系统基质层设计从下到上，基质颗粒逐渐变细，底层设置防渗层防止水样流出，影响总磷检验结果；上层布置植物生长土壤，为水生植物生长提供场所；中间颗粒直径逐渐过渡，有利于植物的根系舒展，吸收水中氮磷物质，也有利于水中微生物活动生存。厚度及材料由下到上分别为25 cm 压实防渗层、25 cm 炉渣、25 cm陶粒、25 cm 沸石、10 cm 土壤等，在土壤层上部10 cm 处增设入水口，方便进水同时减少水流的冲击作用；下部离水桶底部5 cm 处安装排水阀门，能够使水体总磷被充分吸收，保证结果有效性；在桶内阀门处设置钢丝滤网，可以有效防止大颗粒杂物的掉落。植被选择美人蕉、芦苇、香蒲共3 种挺水及浮水植物，该种植物在中国境内较为常见，大规模制造湿地系统时可就地取材。试验装置如图 1所示。

图1 人工湿地模拟装置

2 人工湿地系统除磷率曲线绘制

2.1 碘量法测定水中溶解氧

将吸管插入溶解氧瓶内水体液面下，加入1 mL硫酸锰溶液、2 mL 碱性碘化钾溶液。充分混合后静置，等待棕色沉淀物稳定，并静置1.5 h。然后再次搅拌并再次等待沉淀物稳定。使用仪器析出沉淀物中的碘，将反应装置瓶小心打开，将吸管插入液面下加入2 mL 硫酸，再把瓶盖盖回，整个过程应轻拿轻放，动作迅速。之后将装置放于暗处等待5 min。移取100.0 mL 溶解氧液体，加入反应装置中颠倒摇匀，待沉淀物完全溶解。接下来采用硫代硫酸钠溶液进行滴定实验，随着滴定溶液的不断添加，溶液颜色逐渐变淡，当溶液呈淡黄色时，向容器内加入1 mL 可溶性淀粉溶液。之后继续滴定，直到蓝色消失瞬间实验停止。记录下各试剂所用计量，利用以下公式计算可知溶解氧含量：

2.2 TP 法测定总磷去除率

为研究溶解氧对人工实体系统出磷性能影响，采用两组图1 装置进行对照分析，进水口水样设定D1=1.62 mg·L-1、D2=4.32 mg·L-1一高一低两个不同的DO 值。将装置放于阳面通风处，模拟郊区道路空旷环境，促进植物顺利生长。装置温度、pH 值、水流流速的其他条件均符合人工湿地运行条件，使检测目的更为明确。进水口总磷浓度变化范围为3.68～4.52 mg·L-1，较符合沈阳附近流域总磷量变化范围。试样共观测48 h，每间隔12 获取一次出水口水样。在外界条件不变情况下，重复以上操作3 次，避免人为因素产生的结果误差。

取6～8 只50 mL 有塞比色管，分别加入0、0.5、3.0、5.0、10.0、15.0 mL 磷酸盐标准使用液，再填水至50 mL。加入1 mL 10%抗坏血酸溶液，摇匀。静置后加入2 mL 钼酸盐溶液，摇匀。静置15 min。放置于700 mm 波长处从零浓度开始，测量10 mm或30 mm 比色皿中水样吸光度；离心模拟人工湿地装置出水口的水样，取上层清液进行滤膜过滤或水样消解（使含磷量≤30μg）。将其放入50 mL 比色管中，用水稀释到标线，按照绘制标准曲线的操作重复一遍，并对照校准曲线确定含磷量。进水口总磷量与出水口总磷量差值比上进水口总磷量可得模拟系统除磷率，根据数据绘制除磷率曲线。

2.3 不同温度下除磷性能研究

为进一步明确除磷性能的决定性因素，本节探讨温度改变时对模拟系统的影响。采用3 组图1 装置，分开种植芦苇、美人蕉、香蒲。参考所种植物生长环境的温度范围并加以扩大，设置温度变化为22～32 ℃，并以2 为梯度逐次递增的6 组设备。将其放于阳面通风处，保证系统顺利运行，进水口总磷浓度变化范围3.68～4.52 mg·L-1，水样酸碱度为7～9。10 h 后取出水口水样，采用TP 法检测磷含量，并绘制不同温度下模拟湿地系统除磷量曲线、模拟湿地系统除磷率曲线如图2、图3。

图2 不同温度下总磷去除量

图3 不同温度下总磷去除率

由图中曲线可以明显看出，温度较高时（≥30 ℃）除磷量削减近一半，不同植物除磷率降低到65%左右；温度较低时（≤24 ℃）除磷量在80%左右；温度为24～30 ℃时，除磷率最高接近90%。当不同湿地系统的环境温度变化时，各组除磷率数值相近；温度超过30 ℃时，除磷效果大幅减弱。因此，人工湿地系统不具备较好的耐热性能，温度是影响除磷性能的关键性因素之一。

3 结果与讨论

人工湿地系统因构造上密下疏的原因，存在厌氧区与非厌氧区。水体中溶解氧含量的改变，会影响水生生物发挥喜氧与厌氧作用的区域。生物对总磷的分解化解作用大部分发生在厌氧区。改变溶解氧浓度会改变厌区域分布，对生化作用产生影响，进而导致总磷未被充分吸收排入水中，降低系统除磷效率［3］。此外，人工湿地系统所建造的基质内部微观是凹凸不平的表面，可以为水生生物提供生活场所，加速形成表面生物膜。溶解氧含量的变化会影响活性位置点的产生，对基质颗粒的除磷效果产生影响。

本文采用钼锑抗分光光度法测量模拟人工湿地系统除磷量，绘制不同溶解氧浓度下系统吸收总磷量对比图，如图4，计算并绘制不同溶解氧浓度下系统除磷率曲线如图5。

图4 不同DO 值下总磷去除量

图5 不同DO 值下总磷去除率

由图中曲线变化可以看出，溶解氧质量浓度为1.62 mg·L-1时去磷范围平均值3.525 mg·L-1,在溶解氧质量浓度为4.32 mg·L-1时，去磷范围平均值3.58 mg·L-1。平均除磷率分别为81.5%和83.0%左右。

4 结论

1）模拟人工湿地系统对水体中磷的吸收率可达80%以上，是更为高效环保的生态污水处理措施。

2）模拟装置式中所用植物，芦苇、美人蕉、香蒲前期对磷的吸收速度相近。在36 h 之后芦苇与香蒲吸收率略有下调，说明美人蕉除磷性能更持久。

3）曲线走向可以看出，较高溶解氧浓度和较低溶解氧浓度前期磷吸收量相近，36 h 之后较高浓度溶解氧下模拟系统除磷率略有下调，说明高浓度下系统更易达到饱和状态，或对系统性能产生轻微的削减作用。

4）人工湿地系统在水样进入初期吸收磷的作用很强，但在进水36 h 左右之后，吸收量逐渐减少，系统到达一个饱和状态。因此在使用人工湿地系统的同时，也应注意减少污水排放量。

5）数据显示，不同溶解氧下模拟系统吸收磷量不同，溶解氧浓度较高时，吸收总磷量较多。

6）溶解氧对模拟系统去除总磷性能有一定影响，但各浓度下总体除磷率曲线走势相近，各时间点除磷率数值差异不大，故DO 值可不做人工湿地系统除磷效益的决定性因素。