不同基质组合及水力停留时间下垂直流人工湿地的除污效果

生态环境学报2016,25(2):[e-mail]基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07204-001-004）作者简介：张毓媛（1991年生），女，硕士，主要从事湿地生态学研究。E-mail:[e-mail]*通信作者：冷欣，女，副教授，硕士生导师。E-mail:[e-mail]收稿日期：2015-09-25不同基质组合及水力停留时间下垂直流人工湿地的除污效果张毓媛1，曹晨亮1，任丽君1，田爽2，李宁1，安树青1，冷欣1*1.南京大学生命科学学院湿地生态研究所，江苏南京210023；2.南京农业大学工学院，江苏南京210031摘要：对人工湿地基质进行合理组配并选取昀佳水力停留时间可以有效地提高人工湿地污水处理效果并减少运行成本。选取火山石、粗炉渣、牡蛎壳3种基质，通过垂直流人工湿地模拟试验考察5种体积比的基质组合（分层装填1∶1∶1、2∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2，混合装填1∶1∶1；分别编号为A、B、C、D、E）在不同水力停留时间（2、4、6、8、10h）下的除污效果。结果表明：基质组合的装填方式对系统净污效果的影响极显著，分层装填的基质组合Ａ的净污效果显著优于混合装填的基质组合E；不同体积配比的基质组合A、B、C、D对COD、NH4+-N的去除效果差异不显著，对TN、TP的去除效果存在差异显著；不同水力停留时间的净污效果也存在显著性差异，在一定范围内水力停留时间的延长可有效提高污水净化效果。此外，COD、TN、TP的去除率随着水力停留时间的增加有显著提高但到达昀大值后有所下降；对NH4+-N而言，不同基质组合受水力停留时间的影响较大，无统一的昀佳停留时间。基质组合和水力停留时间之间的交互作用对污染物的去除率影响并不显著，因此找出基质组合及水力停留时间的各自昀优条件对于实际工程中的湿地除污效果具有重要的意义。关键词：人工湿地；基质组合；水力停留时间；除污效果DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.02.016中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1674-5906（2016）02-0292-08引用格式：张毓媛,曹晨亮,任丽君,田爽,李宁,安树青,冷欣.不同基质组合及水力停留时间下垂直流人工湿地的除污效果[J].生态环境学报,2016,25(2):292-299.ZHANGYuyuan,CAOChenliang,RENLijun,TIANShuang,LINing,ANShuqing,LENGXin.ResearchonPollutantsRemovalEffectofDifferentCombinedSubstrateunderDifferentHydraulicRetentionTimeinVerticalFlowConstructedWetlands[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2016,25(2):292-299.人工湿地是一种基于自然生态原理，人工建造和控制运行的，通过基质的吸附、沉淀、离子交换、植物的吸收和微生物的分解作用等协同实现污水高效净化的生态处理技术（Kivaisi，2001；Vymazal，2007）。其中垂直流人工湿地被认为是污水硝化的可靠系统（Kernetal.，1999），净化效率较高，占地面积较小，已被广泛应用（高春芳等，2011；吴振斌，2008）。基质作为垂直流人工湿地的重要组成部分，一方面为植物和微生物的生长提供介质，另一方面也能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物（梁康等，2014），是影响人工湿地水力性能、植物生长和系统堵塞的重要因素（Meliánetal.，2010）。不同基质的理化特性、比表面积及其搭配组合也会影响人工湿地系统的净化效果。例如国外有学者认为，富含钙、铁及铝的基质净化污水中磷的能力较强（Drizoetal.，1999）。有研究表明在较高水力负荷下无烟煤表现出很好的处理效果，这与无烟煤的多孔结构有直接关系（张翔凌等，2007）。也有实验表明有多层基质的人工湿地系统对主要污染物的去除效率均优于单一基质的人工湿地系统（王荣等，2010）。因此，有必要在当地寻找性能良好的人工湿地基质，并结合购买成本及运费，筛选出吸附性能较好且价格合理的基质并进行合理组配（Zhuetal.，1997；梁继东等，2003）。此外，水力停留时间（HRT）也是人工湿地污水处理系统重要的设计参数之一，决定了污水与湿地的接触程度（Mayoetal.，2004；胡小兵等，2011；华涛等，2004；吴振斌等，2002）。有研究指出，在一定的范围内随着水力停留时间的延长，总氮、氨氮和总磷的去除效果呈指数提高（郭明新等，1996）。有实验表明在人工湿地实际运行中水力停留时间存在1个昀佳值，大于或小于此值均使去除率有所下降（王世和等，2003）。张毓媛等：不同基质组合及水力停留时间下垂直流人工湿地的除污效果293因此，开展湿地基质的合理组配以及昀佳水力停留时间对提高人工湿地污水处理效果的研究，减少人工湿地系统运行成本无疑具有十分重要的意义。本文以3种经济易得、高效吸附的基质（火山石、炉渣、牡蛎壳）作为人工湿地基质构建垂直流人工湿地模拟系统，在不同的水力停留时间下进行不同基质组合的污水净化实验，以期找出去除效率较高且经济可行的基质组配及HRT条件，为人工湿地的基质选择及运行时间提供理论依据和实践参考。1材料与方法1.1实验材料（1）火山石：是火山爆发后由火山玻璃、矿物与气泡形成的多孔形石材。火山石硬度大，具有多孔、比表面积大的特点，含CaO9.86%、Fe2O311.86%、Al2O314.71%、SiO243.27%。且表面带有正电荷，有利于微生物固着生长（李林锋，2010）。本实验采用的火山石购自郑州某花鸟市场，清洗过筛后浸泡待用，粒径1~3cm。（2）炉渣：工厂锅炉排出的炉渣，常被视为废物，不仅占用田地，而且污染环境。含CaO3.46%、Fe2O310.20%、Al2O318.90%、SiO254.02%。其结构特征为多孔性物质，发达的孔隙、巨大的比表面积和一定的机械强度使其具有较强的吸附与过滤能力（季兵等，2005）。本实验采用的炉渣来自郑州大学工学院锅炉房，清洗后晾干待用，粒径3~5cm。（3）牡蛎壳：沿海城市比较常见的固体废弃物，不及时处理会造成环境污染（李泳等，2007）。牡蛎壳为粘粒结构，主要成分为CaCO3，含量达90%以上。比表面积大，且表面粗糙，更易于微生物附着生长（王中华，2009）。本实验采用的牡蛎壳购自郑州某市场，去除表面泥沙和附着物后晾干待用，长为5~7cm，厚1~2cm。实验中将3种基质以一定比例进行组合（表1），采用两种不同的装填方式：分层装填、混合装填。1.2实验装置构建与运行1.2.1实验装置构建整个装置由配水装置、潜水泵、供水装置、PVC进水管和基质柱组成（如图1）。其中配水装置是一个容积为60L的水桶，供水装置是一个容积为20L的水箱，配水桶盛放配制的人工污水，用潜水泵引至高位水箱，再由进水管引入各基质柱，进样口采用玻璃转子流量计控制进入基质柱的水流速。基质柱是采用有机玻璃制成的5套相同的装置，编号A~E，如图1所示。长为40cm，宽为40cm，高为80cm，基质有效装填高度为60cm，管顶预留20cm的布水区和超高。距装置底部10cm处设有水样采集口，也是放空口。污水经PVC胶管自上而下流经基质柱，模拟下行垂直流人工湿地。1.2.2进水水质采用人工配制的劣Ⅴ类污水模拟贾鲁河水质。以郑州市城市自来水为配置污水的水源，以葡萄糖为C的主要来源，模拟污水中的有机污染物；以氯化铵、硝酸钾为N的主要来源，模拟污水中的含氮物质；磷酸二氢钠为P的主要来源，模拟污水中的含磷物质；配置污水使用的各种试剂均为分析纯试剂。实验进水水质见表2。1.2.3试验运行本实验从2013年4月下旬至6月中旬结束，实验地点为郑州大学工学院管理楼（南京大学-郑州大学联合实验室）。实验温度范围在17~29℃，平均气温约23℃。空气湿度在45%~60%。实验测定前试运行3d，以稳定系统运行状态。实验采用垂直流进出水方式；有研究表明间歇进水系统表现出比连续进水系统更强的氧化环境和更高的去除效率（Casellesetal.，2007），因此实验采用间歇式进水的方式；5个基质柱并联运行，每日进水60L，基质淹没高度约为5cm。开始运行时，先关闭各装置取样口，从高位水箱中采集进水水样。系统正式运行时，进样口采用玻璃转子流量计控制进入基质柱的水流速分别为30、15、10、7.5、6L·h-1，使污水在各基质柱内的水力停留时间即HRT分别为2、4、6、8、10h。运行完成后关闭水阀，打开放空口，冲洗基质3次并放空其中的水体，保证微生物复氧以及防止表1人工湿地基质组合Table1Differentsubstratecombinationsinconstructedwetlands编号ABCDE上层(火山石)Upperlayer(lava)20cm30cm15cm15cm/中层(炉渣)Ｍiddlelayer(slag)20cm15cm30cm15cm/下层(牡蛎壳)Lowerlayer(oystershell)20cm15cm15cm30cm/体积比Volumeratio1∶1∶12∶1∶11∶2∶11∶1∶21∶1∶1装填方式Packingmodes分层装填Gradingloading分层装填Gradingloading分层装填Gradingloading分层装填Gradingloading混合装填Homogenousmixing294生态环境学报第25卷第2期（2016年2月）基质饱和（潘玮等，2013），然后隔12h的间歇期运行下一次，系统如此运行3次，作为3次重复。1.3数据测定与处理每次运行结束后，从各基质柱取样口采集水样，经过滤后作为待测样品。测样指标为污水中化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）4个指标，采用哈希分光光度仪（HACH-DR/2800）和消解仪（HACH-DRB/200）进行测定。测定方法：COD采用USEPA消解比色法；TN采用过硫酸盐氧化法；NH4+-N采用水杨酸法；TP采用USEPAPhosVer3消解-抗坏血酸法（国家环境保护总局，2002）。用SPSS21.0进行数据基本统计和方差分析，用GraphpadPrism5.0软件绘制图形。对不同水力停留时间下及不同基质组合的COD、TN、NH4+-N、TP去除率在组间进行多重比较LSD检验，再进行基质组合和水力停留时间的双因素分析及交互作用检验。其中污染物（COD、TN、NH4+-N、TP）去除率η（%）计算公式如下：001-=100%η×SSS（1）式中，S0——污染物（COD、TN、NH4+-N、TP）进水浓度（mg·L-1）S1——污染物（COD、TN、NH4+-N、TP）出水浓度（mg·L-1）2结果与讨论2.1基质装填方式对净污效果的影响对同样体积比不同装填方式的基质组合A、Eh/cmh/cmh/cmh/cm高位水箱Headtankh/cm出水采样口Samplingport流量计Flowmeter火山石Lava炉渣Slag牡蛎壳Oystershell潜水泵Divingpump204060204060204060204060混合基质Mixedsubstrate204060图1实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalequipment表2实验中进水的水质Table2Waterqualityoftheinfluentinexperiments(mean±SD)污染指标Pollutionindexs进水浓度/(mg·L-1)Influentconcentra