复合人工湿地处理农业面源污水的除氮效果吴献花

52,溪师范学院学报(第22卷)2006年第6期J`)urrlalt,f、。xs:,ea山。r、(.,,le。。v。)1.22Nt,.6Jon、2006:..化学研究:..复合人工湿地处理农业面源污水的除氮效果吴献花’陈源高’王林,叶长兵甸l(.玉溪师范学院化学与环境科学系,云南玉溪65310;02.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008)仁关键词〕农业面源;污水;复合人工湿地仁摘要〕在抚仙湖北岸构建复合人工湿地污水处理系统,并就其对入湖农业面源污水中氮的去除效果进行了试验研究,结果表明,系统水力负荷年平均为37m耐d,氮负荷年平均为3.315岁耐·d,系统对污水中硝酸盐及亚硝酸盐氮(NO厂)、氨氮(NH犷)、有机氮(TON)和总氮(TN)的去除率年平均分别为62.7%、53.8%、62.4%和57.5%,除氮效果明显.仁中图分类号〕X7O3.][文献标识码]A[文章编号〕1009一9506(2006)06一0052一06湖滨带人工湿地的恢复和重建被认为是最为经济有效的减少湖泊农业面源污染的生态措施之一打’,,,,〕抚仙湖的北岸是湖泊污染负荷的主要来源地,窑泥沟是北岸污染最严重的河道,它汇集了径流区内20个村镇、310多公顷农田的面源污水.复合人工湿地污水处理系统建设在窑泥沟入湖湖滨的100060澎湖滩上,由不同类型的生物氧化塘、水平潜流湿地和表面流湿地组合而成.下面,笔者仅对该系统为期1年的除氮效果的试验情况介绍如下.1试验研究方法1.1工艺流程与构造复合人工湿地污水处理系统的工艺流程如图1所示.该系统栽种植物以土著种为主,经济植物水芹菜(Oonantheajar瓜。a)因其具有庞大的根系和四季常绿的特征而被作为系统的主要植物品种,栽种面积达5700时,占整个系统有效净化面积的57%左右.系统中沉淀池面积900耐,运行水深15一l.7m,边坡度l“l,池底池帮均为天然泥土质,塘内栽种有香蒲(乃尹halat如lia)、美人蕉(Cannoinidca)等耐污性植物.氧化塘由3个生物净化塘串联组合而成,一、二级氧化塘面积均为1700耐,其内栽种水芹菜;三级氧化塘面积为1260耐,其内栽种观赏性植物睡莲(NenuPhar)和菱(tTraPacae。),运行水深1.5一2.0m.水平潜流人工湿地由4个巧mx巧mx1.Om的单元并联组合而成,单元格内基质分别为3一scm砾石、1一3Cm砾石、0.2一0.4em砾石和炉渣,表层植物依次是旱伞草(CyPerusaletrn如ilusL)和香蒲(各占50%)、芦苇排水入湖|lwe曰weweee.莲廿次菇表面流湿地一日日川一水芹表面流湿地香蒲十伞草十砾石潜流品也芦苇十砾石潜流湿地香蒲+砾石潜流湿地芦苇十炉渣潜流湿地三级睡ù连菱氧化塘曰曰川日二级水芹氧化塘曰门曰日一级水芹氧化塘州河道污水图1复合人工湿地工艺流程①〔收稿日期」20{)6一03一20仁作者简介〕吴献花(1971一),女,云南大理人,副教授,主要从事污染生态学教学和科研工作.仁基金项目1云南省玉溪市污染治理项目和云南省教育厅项目(编号0142501)联合资助.吴献花陈源高工林叶长兵:复合人上湿地处理农业面源污水的除氮效果35(Phargmeit、communis)、香蒲、芦苇,平均株距50x5c0m.表面流人工湿地由两级组成,第一级栽种水芹,面积2300击,;第二级栽种莲(胧n、、a。。u。诱:。)和茨菇(sa;`,`ia:i。、agi:,沙21。),面积1300mZ,各级污水处理单元的进水布水均匀,并具有一定的推流效果.1.2系统的运行与管理由于受季节及农事的影响,窑泥沟污水流量的变化幅度较大,水力负荷变动范围在0一7750m而d之间.试验期间,窑泥沟内污水通过溢流堰调控人复合人工湿地污水处理系统,污水中携带的大量漂浮垃圾和泥沙以打捞的方式清除,污水TN浓度为5.13一27.37m酬L,NH犷一N浓度为2.47一6.55m酬L1.3样品采集和测定复合人工湿地系统建成后随即投人运行并开展试验研究,监测点布设于各净化功能区的出入水口处,采样频率为每月1次,时间为每月中旬,分析项目有水温、流量、总氮(TN)、氨氮(NH犷一N)、亚硝酸盐氮(No少一N)、硝酸盐氮(No至一N)等,分析方法用《水和废水监测分析方法》(第4版).〔4〕2结果与讨论2.1复合人工湿地系统各功能区氮的去除2.1.1沉淀池污水在进入人工湿地之前作适当的停留处理,可进一步截留、沉淀悬浮在水中的泥沙和有机质颗粒,减轻后续处理系统的运行负荷和泥沙清淤工程量,延长后续系统的运行周期.栽有植物的沉淀池内满江红繁生,无藻类出现,说明该生物沉淀池具有抑制藻类生长的作用.沉淀池对TN和NH+3一N的平均去除率为3.6%和8.5%.2.1.2氧化塘氧化塘对氮的去除取决于污泥沉淀作用和塘内微生物、水生生物和植物根系的吸收一吸附作用、消化-反消化作用和挥发作用及其它们协同作用的结果.试验期间,生物氧化塘进水的TN、NH犷一N、NO夕一N和NO牙一N浓度在6.08一10.53mg/L、2.22一8.75mg/L、0.04一2.35mg/L和0.14一2.39m酬L之间,出水浓度在3.13一8.66m岁L、2.56一4.59m岁L、0.05一2.09mg/L和0.01一3.04mg/L之间,去除率在一4.12%一42.53%、一28.75%一61.49%、一170.03%一94.84%和一101.87%一91.18%之间(图2、3、4、5).ǎ乙外奋水nUnUnU,才了ù月,厂卜UnX厂卜é月斗,乙n“ù一一一一一入水ǎ闷\助厚侧长ǎ艺叶逛琳`ùJ,,。,了éJ..ln曰一ǎ闷\助县侧谈1月3月5月7月9月11月图2氧化塘中TN的出入水浓度及去除率7月8月图3氧化塘中9月10月11月12月NH犷一N的出入水浓度及去除率nUnUnllù几U`ó人“UnU,乙,`1J..i气nU进水出水净化率ǎ乙斗逛琳ǎ之留à侧长州长15010050乙0外一50全一200琳一150~.卜.进水二;{。8月9月10月11月12月图4氧化塘中NO少一N的出入水浓度及去除率变化7月8月9月10月11月12月图5氧化塘中NO至一N的出入水浓度及去除率变化试验结果表明:氧化塘中氮的去除是在生态系统的直接作用下完成的,因而氮在氧化塘系统中的存在形541溪师范学院学报式多种多样,主要有有机氮、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等.各种形式污染物在水中的数量关系主要取决于塘内细菌、水生植物及水生动物的代谢活动强弱;其次,暴雨时,系统进水量大、水力停留时间过斌而农灌期间,系统进水量少,水力停留时间过长,这些因素致使氧化塘中各种形式的氮浓度波动较大,去除不稳定,有时甚至出现负增长.塘内污染物浓度负增长的原因归结于:①氧化塘底泥中的细菌和水生植物残体被尸解后,造成污染物的二次溶出;②氧化塘表面生长的水生植物大大促进了植物根系的放氧作用,塘内系统呈现出上层好氧区、中层兼氧区和底部厌氧区,微生物硝化一反硝化作用对氮的生物降解起到积极促进作用,使得塘中氨氮、硝态氮和亚硝态氮含量增加.试验还证明:进人氧化塘中的氧化态氮越少,总氮的去除效果越有效;生态系统越丰富,生物量越大,其去除氮的效果就越好.2.1.3潜流人工湿地氧化塘的出水以水平推流的方式进人4个并列的潜流人工湿地处理单元.试验期间,进水的TN和NH犷一N的浓度在3.79一14.47m酬L和0.51一1.SOm岁L之间,出水浓度在3.03一13.66m岁L和0.2一1.22m扩L之间,去除率在5.60%一33.71%和11.19%一60.00%之间(图6、7).说明,潜流湿地对污水中的TN和NH犷一N有一定的去除效果,去除率呈正向发展,波动幅度较大,其原因是由于湿地超负荷运行(暴雨)致使净化功能未能充分发挥出来.一入水(mg/L)%(à针么水ǎ习\助三侧长外么布八UnUǎ之助且侧长5月6月7月8月9月10月11月12月图6潜流人工湿地TN出入水浓度及去除率图7潜流人工湿地NH犷一N出入水浓度及去除率潜流湿地进水的No至一N和NO夕一N浓度在0.05一2.09m酬L和0.03一3.04m岁L之间,出水浓度在0.11一2.58m留L和0.02一2.73m群L之间,去除率在一1336.21%一5.27%和10.05一96.78%之间(图8、9).说明潜流人工湿地中存在较强的硝化和反硝化作用,尤其是当系统处在气温高、植物生长旺盛时期,有利于促进微生物的硝化和反硝化作用,可显著提高污水中氮的转化和去除.一入水~闷卜~出水-门卜~去除率;{!一孰区入水出水去除率150z。。艺叶金水ǎ艺外奋水nU八nUUn日ó八曰八U尸,,nU气,l,1尸、州nU一一一二\助j长侧8月9月10月11月12月图8潜流人工湿地NO犷一N的出入水浓度及去除率变化8月9月10月11月12月图9潜流人工湿地NO夕一N的出入水浓度及去除率变化由于潜流人工湿地的填充介质和植物种类的不同,所以其运行效果也有所差异(表1).试验结果显示:TN的平均去除率顺序为炉渣+芦苇砾石(3一scm)+旱伞草十香蒲砾石(1一3cm)十芦苇砾石(0.2一0.c4m)十香蒲;NH犷一N的平均去除率顺序为炉渣十芦苇砾石(l一3cm)+芦苇砾石(3一scm)+旱伞草十香蒲砾石(0.2一0.c4m)十香蒲.值得指出的是潜流人工湿地中植物长势都非常良好,枝叶繁密,这些水生植物都具有通过水面上的枝叶从大气中吸收和输送氧气的能力,它们把氧气送到根部的气体导管,使植物根或茎直接接触的土壤呈现好氧状态,其他部位的土壤则呈厌氧状态,这为人工基质中各种不同微生物提供了适宜的环境,从而促进了污染物的降解.在潜流人工湿地的4个处理床中均出现NO矛一N和NO-2一N的负增长,且变化幅度很大,说明处理床系统内部存在较强的硝化和反硝化作用,其作用强弱与植吴献花陈源高上林叶长兵:复合人工湿地处理农业面源污水的除氮效果55物输氧能力有一定的关系.植物种类相同而基质不同,硝化和反硝化作用的强弱不相同,在4个独立的湿地处理单元中,炉渣+芦苇湿地显示出了明显强于其它3种类型组合形式的微生物活性,其去除TN和NH犷-N污染物能力也较强.表1不同组成结构的潜流人工湿地的除氮效果比较(单位:%)砾石(3一sem)+伞竹+香蒲去除率范围平均去除率8.71一48.1725.946.61一52.8627.13一992.31~79.2一1203.92一29.31砾石(l一3em)+芦苇去除率范围6.91一36.礴6平均去除率TNNH+4一NNof一NNO犷一N10.37~64.18一1853,85一95.52一774.51一44.83砾石(0.2一0,4em)+香蒲去除率范围平均去除率0.25一29.1018.223.48一23.0713.15一661.54一9762一66.67一24.94炉渣十芦苇去除率范围9.77一36.璐68.53一82.29一396.15一86.85一1089.66~9.92平均去除率2.1.4表面流人工湿地潜流人工湿地出水经配水渠均匀地进入表面流人工湿地,污水经表面流湿地处理后,其TN和NH犷一N的去除率在21.80%一74.75%和22.33%一82.47%之间,平均去除率为41.04%和59.00%,出水浓度范围为0.9一10.4m岁L和0.3一4.sm岁L,达到了污水处理厂I级排放标准.2.22.2.12.2.1复合人工湿地系统对面源污水中氮的去除湿地系统除氮效果的影响因素本试验研究了温度、污染物浓度以及水力负荷对除氮效果的影响.ē妇àl尸、1ù八“U``,ónllU八矛`,`下`11.1nUn”ùnUOC1l温度人工湿地中生物除氮较佳的温度范围是20一25℃,〔5〕低于巧℃或高于30℃,生物除氮效果就会降低.〔`」随着季节的变化,窑泥沟复合湿地系统水温在11.7一23.6℃之间波动,氮去除率也出现对应变化(图10).如4一10月份气温较高(19.7一23.6℃),氮去除率相对较好,而7、8月份正直雨季,水力负荷较大,去除率只有50%.