潛流人工濕地中污染物凈化處理技術(shù)

人工構造濕地可利用植物、微生物和基質(zhì)間的物理、化學(xué)及生物作用共同達到污水凈化的目的。植物根系能形成網(wǎng)絡(luò )，傳遞和釋放氧，吸收一部分營(yíng)養物質(zhì)，為微生物提供生長(cháng)場(chǎng)所，并提供好氧、厭氧條件，但植物有一定的生長(cháng)期，且需要收割。好氧微生物可將有機物分解成CO2和H2O，硝化細菌和反硝化細菌可去除氮，聚磷菌去除磷�；�質(zhì)能截留污染物、吸附氨氮、沉淀磷，并沉淀吸附懸浮物質(zhì)，為微生物提供附著(zhù)面，其主要作用為吸附沉淀，但存在吸附飽和度。目前對人工濕地去除污染物的機理研究比較深入，但對人工濕地中污染物隨高度變化的凈化程度很少有研究報道。為此，筆者考察了潛流濕地系統中污染物沿高度的凈化程度，并對COD、氮、磷的去除機理及其遷移轉化規律進(jìn)行分析。

1實(shí)驗部分

1.1實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置見(jiàn)圖1。該裝置有效高度80cm，超高20cm，直徑30cm，壁上設置一排間距為15cm的取樣口，用于取樣和排水。

1.2污水水質(zhì)

針對天津濱海高新區代表性湖泊及周邊水域的水質(zhì)情況，采用人工配水方式模擬其水環(huán)境特點(diǎn)，其中COD由葡萄糖提供，堿度由NaHCO3提供，氨氮由NH4Cl提供，硝態(tài)氮由KNO3提供，KH2PO4提供磷。進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3填料種類(lèi)及組合

目前，人工濕地去除污染物主要是通過(guò)控制不同因素來(lái)實(shí)現的。這些因素有基質(zhì)選擇、濕干比、配水周期、基質(zhì)厚度等。前期實(shí)驗結果表明，種植植物與不種植植物對污染物的去除作用差別不大，因此本實(shí)驗運行并不種植植物。

人工潛流濕地處理系統的基質(zhì)填充深度是根據種植的植物根系能夠到達的深度確定的，種植蘆葦一般可達到60~70cm。本實(shí)驗的填料厚度定為75cm，其中承托層厚度為15cm。

為了綜合發(fā)揮各基質(zhì)優(yōu)勢，潛流濕地床往往由多種基質(zhì)組成。一般來(lái)說(shuō)，基質(zhì)比表面積越大，污水與基質(zhì)的接觸面積越大，凈化效率也會(huì )相對增加〔4〕。傳統人工濕地的基質(zhì)采用土壤、砂、礫石等，雒維國等〔5〕對比了土壤、礫石、煤渣對NH4+-N的吸附效果，結果表明，在基質(zhì)未達到吸附飽和度之前，煤渣的脫氮效果最好。而陶粒是目前研究較多的新型基質(zhì)，具有較大的比表面積，質(zhì)輕多孔。因此本實(shí)驗基質(zhì)選擇礫石、土壤、陶粒、煤渣進(jìn)行組合，其中煤渣粒徑在2~5mm，陶粒粒徑10mm，下層以礫石做承托層，高度15cm，中間填充煤渣，高度30cm，上層對土壤和陶粒的去除污染物能力進(jìn)行對比，高度30cm。

1.4濕干比

適宜的濕干比能確保人工濕地系統高效、穩定地運行〔6〕。優(yōu)化系統運行濕干比參數、促進(jìn)氮脫除，是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵。干濕交替的工作方式最早源于快滲系統，其可以防止快滲系統的表層孔隙被過(guò)度堵塞，有效恢復系統的滲透性能，并保持穩定的處理水量；同時(shí)可對系統進(jìn)行復氧，使系統內部潛層剖面上交替形成氧化、還原環(huán)境，以利于有機污染物的降解〔7〕。李英華等〔8〕從系統脫氮效果及處理效率角度推薦系統穩定濕干比為1∶1。本實(shí)驗在相同進(jìn)水周期條件下，設計了兩種濕干比，分別為濕干比較小的1∶6和濕干比接近1∶1的3∶4。

1.5實(shí)驗運行方式

綜上所述，實(shí)驗共設計4組人工濕地系統模擬裝置，在不同填料組成及不同濕干比條件下，考察污染物沿高度的凈化程度。實(shí)驗運行情況見(jiàn)表2。

1.6分析方法

分析項目及檢測方法〔9〕：NH4+-N采用納氏試劑光度法；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3--N采用紫外分光光度法；TN采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法；TP采用過(guò)硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法。

2結果與討論

2.1污染物去除效果的整體分析

兩種填料組合在不同濕干比下對COD、TN、NH4+-N、TP的去除效果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，對于相同組合填料的濕地系統，濕干比為3∶4的凈化效果要優(yōu)于濕干比為1∶6。這是因為濕干比為1∶6時(shí)，落干時(shí)間長(cháng)，雖然系統內的復氧充分，但容易造成土壤中微生物的營(yíng)養物質(zhì)缺乏，致使其生長(cháng)緩慢、活性變差，最終影響出水水質(zhì)；而濕干比為3∶4時(shí)，既可以恢復系統內的好氧環(huán)境，又不影響微生物活性，所以去除率較高。

濕干比在1∶6或3∶4時(shí)，陶粒+煤渣組合填料的凈化效果均好于土壤+煤渣組合填料。這是因為陶粒輕質(zhì)，內部多孔，比表面積大，化學(xué)和熱穩定性好，具有較好的吸附性能，對氨氮和COD有較強的去除作用。此外土壤一般帶負電荷，而陶粒表面一般帶正電荷且親水性好，更有利于微生物固著(zhù)生長(cháng)。

2.2COD沿高度的變化

COD沿高度的變化情況見(jiàn)圖3。由圖3可知，在上層30cm處，4組實(shí)驗裝置對COD的去除率分別為62.15%、77.34%、58.48%、60.79%。

4組裝置的COD去除率曲線(xiàn)可用二項式模擬，其方程分別為：

1#：y=-0.097x2+0.752x-0.606（R2=0.952）；

2#：y=-0.103x2+0.793x-0.602（R2=0.868）；

3#：y=-0.075x2+0.647x-0.521（R2=0.953）；

4#：y=-0.088x2+0.720x-0.585（R2=0.959）。

這說(shuō)明4個(gè)系統對COD的去除效果是顯著(zhù)的，而且均集中在上層（此時(shí)COD去除率呈線(xiàn)性），隨著(zhù)深度的增加，去除率降低。有機物的去除主要由過(guò)濾截留、吸附和生物降解作用共同完成；其中不溶性有機物主要通過(guò)填料的過(guò)濾截留、沉淀作用而被微生物吸附利用；可溶性有機物則通過(guò)填料表層生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解而被去除。由于系統上層可接觸空氣，復氧充分，有利于好氧微生物分解有機物，所以COD可通過(guò)好氧微生物的降解作用得到去除。

2.3TP沿高度變化情況

TP沿高度的變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可知，1#、2#系統在上層的TP去除率呈線(xiàn)性關(guān)系，TP去除率分別為91.45%、86.12%，說(shuō)明土壤層對TP的去除效果非常好。3#、4#系統在上層的TP去除率幾乎呈線(xiàn)性，分別為49.86%、59.54%，由于陶粒的孔隙率比土壤高，對磷的吸附截留相對較差，所以3#、4#在上層的除磷效果劣于1#、2#。到中層時(shí)1#~4#的TP去除率分別為95.01%、97.97%、96.34%、95.58%。由于人工濕地對磷的去除主要是靠填料的吸附和沉淀作用，說(shuō)明中層填料對磷的吸附已經(jīng)基本完成。4組裝置中TP去除率隨高度的變化曲線(xiàn)能用二項式曲線(xiàn)模擬，且相關(guān)系數都在0.96以上：

1#：y=-0.011x2+0.090x+0.776（R2=0.999）；

2#：y=-0.032x2+0.269x+0.444（R2=0.962）；

3#：y=-0.111x2+0.942x-0.934（R2=0.973）；

4#：y=-0.092x2+0.770x-0.567（R2=0.960）。

實(shí)驗結果表明，4組裝置對TP的去除主要發(fā)生在上層和中層。

2.4TN沿高度變化及氮基質(zhì)的濃度變化

TN沿高度的變化情況見(jiàn)圖5。由圖5可知，4#系統出水的TN質(zhì)量濃度＜3#＜2#＜1#。系統對TN的去除發(fā)生在上、中、下層，說(shuō)明去除TN經(jīng)歷的時(shí)間較長(cháng)，這與硝化細菌的世代時(shí)間長(cháng)有一定關(guān)系。采用二項式曲線(xiàn)進(jìn)行模擬，得到4組裝置的TN去除率曲線(xiàn)方程：

人工濕地對TN、氨氮具有良好的降解效果，其中微生物的硝化與反硝化是人工濕地脫氮的主要作用〔2〕。實(shí)驗考察了4組裝置的三氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）沿高度的變化情況。氨氮去除率分別為86.9%、91.8%、52.2%、84.5%，亞硝酸鹽積累率（NO2--N/NOx--N）分別為21.1%、60.8%、66.5%、81.9%。4個(gè)裝置上層均出現亞硝態(tài)氮積累和氨氮的減少，說(shuō)明實(shí)驗裝置上層去除氨氮只是將其轉化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮等其他形式的氮。而裝置中層和下層的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮減少，說(shuō)明發(fā)生了反硝化反應。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3結論

（1）對于相同組合填料的濕地系統中，濕干比為3∶4的凈化效果優(yōu)于1∶6。濕干比為1∶6和3∶4時(shí)，陶粒+煤渣組合填料的凈化效果均好于土壤+煤渣組合填料。

（2）4個(gè)裝置沿程去除COD、TN、TP具有類(lèi)似的規律。COD的去除主要發(fā)生在上層（30cm），TP主要在上層和中層去除，TN的去除率發(fā)生在上、中、下整個(gè)裝置中，其中上層主要去除氨態(tài)氮，中、下層發(fā)生反硝化反應，最終脫氮。

（3）各污染物去除率沿程變化關(guān)系可用二項式模擬，且相關(guān)系數均在0.8以上。實(shí)際工程中可用二項式模擬曲線(xiàn)計算系統凈化COD、TP、TN所需的填料厚度，為工程應用提供指導。