潛流人工濕地中污染物凈化處理技術(shù)

人工構(gòu)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，吸收一部分營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物提供生長場所，并提供好氧、厭氧條件，但植物有一定的生*，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。基質(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(tǒng)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(zhuǎn)化規(guī)律進行分析。

1實驗部分

1.1實驗裝置

實驗裝置見圖1。該裝置有效高度80cm，超高20cm，直徑30cm，壁上設(shè)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(qū)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，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。進水水質(zhì)見表1。

1.3填料種類及組合

目前，人工濕地去除污染物主要是通過控制不同因素來實現(xiàn)的。這些因素有基質(zhì)選擇、濕干比、配水周期、基質(zhì)厚度等。前期實驗結(jié)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，因此本實驗運行并不種植植物。

人工潛流濕地處理系統(tǒng)的基質(zhì)填充深度是根據(jù)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。一般來說，基質(zhì)比表面積越大，污水與基質(zhì)的接觸面積越大，凈化效率也會相對增加〔4〕。傳統(tǒng)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(jié)果表明，在基質(zhì)未達到吸附飽和度之前，煤渣的脫氮效果。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。因此本實驗基質(zhì)選擇礫石、土壤、陶粒、煤渣進行組合，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(tǒng)、穩(wěn)定地運行〔6〕。優(yōu)化系統(tǒng)運行濕干比參數(shù)、促進氮脫除，是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵。干濕交替的工作方式zui早源于快滲系統(tǒng)，其可以防止快滲系統(tǒng)的表層孔隙被過度堵塞，有效恢復(fù)系統(tǒng)的滲透性能，并保持穩(wěn)定的處理水量；同時可對系統(tǒng)進行復(fù)氧，使系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)脫氮效果及處理效率角度*系統(tǒng)穩(wěn)定濕干比為1∶1。本實驗在相同進水周期條件下，設(shè)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實驗運行方式

綜上所述，實驗共設(shè)計4組人工濕地系統(tǒng)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。實驗運行情況見表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采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；TP采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法。

2結(jié)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的去除效果見圖2。

由圖2可知，對于相同組合填料的濕地系統(tǒng)，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，落干時間長，雖然系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)氧充分，但容易造成土壤中微生物的營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，致使其生長緩慢、活性變差，zui終影響出水水質(zhì)；而濕干比為3∶4時，既可以恢復(fù)系統(tǒng)內(nèi)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，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(nèi)部多孔，比表面積大，化學(xué)和熱穩(wěn)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生長。

2.2COD沿高度的變化

COD沿高度的變化情況見圖3。由圖3可知，在上層30cm處，4組實驗裝置對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）。

這說明4個系統(tǒng)對COD的去除效果是顯著的，而且均集中在上層（此時COD去除率呈線性），隨著深度的增加，去除率降低。有機物的去除主要由過濾截留、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填料的過濾截留、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(tǒng)上層可接觸空氣，復(fù)氧充分，有利于好氧微生物分解有機物，所以COD可通過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圖4。由圖4可知，1#、2#系統(tǒng)在上層的TP去除率呈線性關(guān)系，TP去除率分別為91.45%、86.12%，說明土壤層對TP的去除效果非常好。3#、4#系統(tǒng)在上層的TP去除率幾乎呈線性，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能用二項式曲線模擬，且相關(guān)系數(shù)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）。

實驗結(jié)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圖5。由圖5可知，4#系統(tǒng)出水的TN質(zhì)量濃度＜3#＜2#＜1#。系統(tǒng)對TN的去除發(fā)生在上、中、下層，說明去除TN經(jīng)歷的時間較長，這與硝化細菌的世代時間長有一定關(guān)系。采用二項式曲線進行模擬，得到4組裝置的TN去除率曲線方程：

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個裝置上層均出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累和氨氮的減少，說明實驗裝置上層去除氨氮只是將其轉(zhuǎn)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，說明發(fā)生了反硝化反應(yīng)。

3結(jié)論

（1）對于相同組合填料的濕地系統(tǒng)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，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個裝置沿程去除COD、TN、TP具有類似的規(guī)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(yīng)，zui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(shù)均在0.8以上。實際工程中可用二項式模擬曲線計算系統(tǒng)凈化COD、TP、TN所需的填料厚度，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。