复合植物床式人工湿地研究段志勇

第3卷第8期2002年8月环境污染治理技术与设备TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionCOntrolVo.3Aug.,No.82002复合植物床式人工湿地研究`段志勇”刘超翔施汉昌黄霞胡洪营(清华大学环境科学与工程系,北京100084)摘要本实验研究针对应用于面源污染控制的人工湿地中水生植物的选择和布置问题进行研究,通过对人工湿地动态运行实验的研究考察,发现床体中C()D、TN降解规律,通过人工湿地栽种不同水生植物的各床体的COI)去除效果比较实验和不同水生植物复氧性能比较实验,得出复氧性能最好的水生植物为芦苇,然后综合这三个实验,在传统的植物床系统基础上,提出更加有利于提高系统污水处理效率的改进形式:复合植物床式人工湿地。关健词面源污染人工湿地水生植物复氧复合植物床式人工湿地ResearchonconstructedwetlandwitheomPositePlantbedDuanZhiyongLiuCaoxiangShiHanehangHuangXiaHuHongying(DepartmentofEnviornmentalSeieneeandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)AbstractDetailedresearehontheseleetionanddisposalofrhehydorphyresinconstruetedwetlandap-Pliedinonn一PointPollutioneontorlwasdoneinthisexperiment.TheremovingrulesofCODandTNintheconstruetedwetlandbedswereofundinopeartion.Theconelusionthattheoxgyenresumingeapabilityofreedwasthebestwasdrawnaftertwoexperiments.ThefirstexPerimentwastheeomparingexperimentoftheef-feetofCODremovalineaehbedwithdifferenthydorphytes,andtheseeondonewastheexPerimentoftheea-pabilityofoxygenresumingofdifferenthydorphytes.Thendevelopedforntofeonstruetedwetlandwitheom-positeplantbedthathashighereffeetofremovingpollutantsinwastewaterwasdesignedonthebasisofthethreeexPerimentsmentionedabove.Keywordsnon一PointPollution;eonstruetedwetland;hydorphytes;oxygenresuming;eonstruetedwet-landwitheomPositePlantbed“九五”期间,由于已在滇池流域加大了对主要在,不同的水生植物的根系泌氧性能和氮磷吸收性工业污染源和城市生活污染源的治理力度,尤其是能是不同的。生长在湿地中的水生植物的重要功能针对化肥厂、磷肥厂和主要城市的生活污水处理,基之一就是通过植物茎杆的传输作用,从上部将空气本上控制了流域主要的工业源和城市生活源的污染中的氧向下输送到根部,从而在根区形成好氧环境,负荷。这样,面源污染所占总污染量的比例就大大以有利于好氧微生物对有机质的分解。同时附近的增加了,由此可见,流域面源污染的控制已成为能否微生物通过代谢,消耗了水体中的溶解氧,使之出现解决滇池污染的关键。面源污染主要发生在收人水缺氧环境,而缺氧环境有利于反硝化过程,从而能最平相对较低的农村地区,这就使得具有低投人、低成大限度地除去污水中的氮。人工湿地中的水生植物本、易管理特点的人工湿地工艺成为能够应用于面的泌氧特性在根区为微生物的生存和降解营养物质源污染控制的一种重要的工艺方法。但是以往对人提供了必要的场所和好氧微区、厌氧微区共存的条工湿地的应用研究,多为单一植物床型式的人工湿件,这一特殊环境能刺激有机物质的分解和硝化细地,没有详细考查床体中污染物沿床体长度方向的菌、反硝化细菌和除磷菌的生长,从而达到去除污水降解规律以及不同水生植物的特性差异对床体结构中氮磷等营养物质的目的〔’一3]。另外,水生植物自布置的影响。其实水生植物是人工湿地的特点所身也能吸收一部分营养物质。水生生物去除氮磷的基金项目:国家科技部重大专项“滇池流域面源污染控制研究’,2000一03通讯联系人8期段志勇等:复合植物床式人工湿地研究机制之一就是通过植物本身的吸收作用来去除氮磷4[]。另有研究发现不同的植物种类其对营养元素的吸收能力是不同的〔5〕。本实验研究就是在考查床体中污染物沿床体长度方向的降解规律以及不同水生植物的特性差异基础上提出了人工湿地中水生植物的搭配选择和人工湿地床体布置型式的方法,并进一步提出了污水处理效率更高的复合植物床式的人工湿地改进型式。1.4监测分析COD采用COD快速测定仪;总氮采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法;总磷采用钥锑抗分光光度法;溶解氧采用膜电极法。0000000004、、,41ǎ乏助尸t二ē10奋1实验方法1.1污水水质在现场调研村镇生活污水的基础上进行人工配水,水质如下:COD为250mgL/;TN为30mg几;TP为5mg几。1.2人工湿地采用了潜流式人工湿地,污水处理系统为:格栅~调节池~配水系统~植物床一集水渠~排放。试验用的床体包括1号床体为空白床,没有栽种水生植物;2号床为芦苇床,整个床体栽种芦苇,分3行,每行9棵;3号床体为菱草床,整个床体栽种菱草,分3行,每行9棵;4号床体为芦苇菱草搭配床,床体前三分之一段栽种芦苇,分3行,每行3棵,后三分之二段栽种菱草,分3行,每行6棵。本实验中的芦苇和菱草都取自于附近地区野生环境下的芦苇和菱草。在床体中沿长度方向均匀布置5个取样管,单床尺寸为:长6m、宽lm、深0.6m,布水量为750Ld/,进水流速521ml/niin,相应水力负荷为10cm/d,水力停留时间57.6h。取样点的设置为:1号取样点设在床体前端,取布水管的出水。2至5号取样管分别预埋在距离床体前端lm、Zm、3m、4m、5m的床体横截面中线上。6号取样点设在床体出水口。监测各种型式人工湿地床体动态运行实验的COD、TN和TP。1.3水生植物根系泌妞试验盆从野生水生植物生长地取得植株大小和生长情况相近的芦苇、菱草、营蒲各1株,将根部泥土洗净,将这3株水生植物分别放人3只桶中,以卵石为填料固定植物根部。桶中注人经处理过的含氧量为零的水,并使水完全淹没植物根部。用黑色塑料薄膜将桶包裹,其中在桶地上表面仅留水生植物植株伸出的空隙,以避免空气中的氧直接溶人水中。监测各试验盆水中溶解氧的变化情况。2结果与讨论2.1单一植物床人工湿地净化效果首先进行的是单一植物床人工湿地的动态运行研究,期望能够通过对传统形式的考察发现传统形式的不足之处,从而有针对性地进行改进。芦苇床人工湿地动态运行实验中C()D沿床体方向降解情况如图1所示:刊卜第l次测样最\~~续翼样样样1mZm3m4msm6111取样点距入水口的距离图1COD沿人工湿地床体长度方向降解情况从上面的实验结果可以看出污水中的COD降解规律性很强,在靠近床体的进水端大约床体三分之一长度处,污水中COD降解很快,占总降解量的约70%,到约100mg几。这也就是说,COD在床体前部三分之一处降解到接近排放达标水平。由此我们可以认为床体前端需要一个好氧的环境,来满足COD降解耗氧的需求,而床体中的好氧环境是由水生植物向根系传氧造成的,所以这就需要在这一区域种植根系泌氧能力强的水生植物。菱草床人工湿地动态运行实验中TN沿床体方向降解情况如图2所示:刊卜第l次测村第2次视(卞丫气0气O气O气(),、内、,1,]l]ǎ曰孔日à之1om1mZm3m4msm6In取样点距入水口的距离图2TN沿人工湿地床体长度方向降解情况从上面的实验结果可以看出污水中的TN在靠近床体的进水端大约床体三分之一长度处降解很少,TN的降解主要发生在床体后三分之二段,占总环境污染治理技术与设备3卷降解量约80%。由此我们可以认为床体后端需要一个主要有利于TN降解的环境。2.2水生植物根系复氧性能比较选择几种实际应用中常见的水生植物,比较它们的复氧性能,以得出哪种水生植物复氧性能更好,从而能够将其应用于需要创造出好氧环境的床体前端。这里选取了已有人工湿地中常见的芦苇、菱草、营蒲作对比。几种水生植物根系复氧性能比较如表1所示:表1水生植物根系复叙性能比较取样时间(h)芦苇盆水中的I洲〕(mgL/)菱草盆水中的IX〕(mgL/)营蒲盆水中的DO(mg几)光照情况凡j01ū298O丹、ùù勺6249工工JZ...……ù、ùó伪7八、ú八j3今`224100408886..…,…一气ùù、`J八、é一污ù22司l`l05.36.19.04.73.24.04.13,32.3光照强光照强光照强光照弱没有光照没有光照光照强光照弱光照弱没有光照层较厚,光照很弱,水生植物由光合作用引起的复氧作用强度不如自身的呼吸作用强度,这样水中的溶解氧仍然呈下降状态,但下降速度低于6h到16h这段时间,这反映了复氧作用和呼吸作用共同作用的结果。20.sh到24.sh这段时间,天气变晴,光照明显变强,但是这时,水生植物由于缺乏营养的补充而活力下降,呼吸作用加强,芦苇水中溶解氧虽有上升,但是比第一天的速度要小得多,而菱草水中溶解氧经过一段缓慢上升后变为下降,营蒲则是在这段时间一直处于缓慢下降状态。从这个差异性可以看出3种水生植物的复氧能力按照从大到小的顺序排列依次为芦苇、菱草、营蒲。至此通过这个3种水生植物的复氧情况对比实验,我们能够看出芦苇的复氧能力是明显优于菱草和营蒲的。2.3不同植物床COD降解效果比较几种型式床体C(〕D降解效果比较实验结果如下表所示:表2床体C()D降解效果比较床体进水(mg几)出水(mg几)去除率(%)1号空白床2号芦苇床3号菱草床13215415635l5将以上3种水生植物复氧情况绘制成溶解氧和时间的关系曲线如下:10152025取样时间h()3035图33种水生植物复氧情况比较从表1和图3可以看出,Oh到6h这段时间天气情况为大雨过后的晴天,光照很强,3种水生植物的复氧作用都很强,水中溶解氧迅速上升,同时三者的复氧能力的差异性也突出地表现出来,可以很容易地看到3种水生植物的复氧能力按照从大到小的顺序排列依次为芦苇、菱草、营蒲。6h到16h由于没有光照,而水生植物呼吸作用占主导地位,这样使得3个装置中的水中的溶解氧不断下降。16h到20.5h这段时间,由于天气情况为阴雨天,天空云人工湿地床体中COD的去除主要依赖于根区附近的好氧微生物的作用,而这种作用又决定于水生植物向根部传送氧气能力的大小,这一点可以从以上这个实验看出,植物床比空白床的去除率都要高,这说明水生植物在人工湿地污水处理中传氧作用是明显的。从芦苇床COD去除率比菱草床的要高这个事实,我们也可以反过来看出芦苇比菱草更为优越的传氧性能更有利于芦苇床COD的降解。2.4植物床形式改进由以上两个实验可以得出结论,在人工湿地床体好氧为主的前段(主要降解污水中的碳类有机物)适宜栽种根系泌氧能力强的芦苇。已有研究表明菱草有较好的氮磷吸收作用困,适宜栽种在床体后段。另一方面,菱草的根系泌氧性弱于芦苇,这样如果在床体后三分之二段栽种菱草,能够创造出缺氧微区更多的环境,有利于反硝化的进行,从而有利于TN的降解。综合以上实验研究和分析可以提出人工湿地的一种改进形式—复合植物床式人工湿地:在床体0仍入64,肠Oǎ日切;一à嵘签逛于书8期段志勇等:复合植物床式人工湿地研究的前三分之一处种植芦苇,在床体的后三分之二处种植