胡爽，黃晴晴

(1.重慶市巴南區(qū)環(huán)境監(jiān)測站， 重慶 401320； 2.重慶市計量質量檢測研究院， 重慶 401123)

潛流人工濕地處理微污水效能研究

胡爽1，黃晴晴2

(1.重慶市巴南區(qū)環(huán)境監(jiān)測站， 重慶 401320； 2.重慶市計量質量檢測研究院， 重慶 401123)

構建4種潛流人工濕地處理微污染水，結果表明：出水各污染物均達到《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類標準要求；蘆竹濕地對污染物平均去除率相對較高；蘆竹濕地啟動階段和穩(wěn)定階段對污染物去除存在顯著性差異，美人蕉濕地和空白濕地對污染物去除率差異性不顯著；填料種類對人工濕地中磷的去除率影響較大，不同填料不會影響啟動時間。啟動階段和穩(wěn)定階段COD、TN、TP進水負荷和出水濃度都呈正相關關系，但是對COD啟動階段復相關系數(shù)小于穩(wěn)定階段復相關系數(shù)，對TP卻相反，對TN兩個階段復相關系數(shù)變化不大。

人工濕地；微污水；啟動階段；穩(wěn)定階段

微污染水會給人類飲水帶來健康問題，國外學者很早就開始對此進行研究[1]，近年國內學者也開始對微污染水進行修復，平板膜-生物反應器凈化法[2]、流化床預處理工藝[3]等已經(jīng)開始進行研究。人工濕地處理微污染水[4]成為研究熱點。人工濕地是一個近自然態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，有低耗能、處理污水效能高的特點[5]，適用于非點源污水處理，如農(nóng)田廢水[6]、養(yǎng)殖廢水[7]、社區(qū)污水[8- 10]等，學者們一般從有機物[11]、氮[12- 13]、磷[14]以及重金屬[15- 16]等污染物的去除特征來研究人工濕地。國內學者曾研究了人工濕地冬季和夏季對比效果[17]，楊新萍[5]等對人工濕地啟動階段和穩(wěn)定階段的效果進行研究，發(fā)現(xiàn)人工濕地啟動階段對污染的去除率比穩(wěn)定階段高。國內對濕地的啟動階段和穩(wěn)定階段去除率特點研究比較少，對啟動階段和穩(wěn)定階段特點的研究，可以深入了解人工濕地在不同階段運行情況，全面掌握人工濕地性能。

試驗地點位于重慶市某水庫補給河流，由于河流所在區(qū)域屬于農(nóng)耕區(qū)，種植大棚水果和蔬菜，耕作季節(jié)施有大量化肥，當降雨較大時，有機物、氮、磷隨著地表徑流流入河流，通過2010年至2011年對河流入庫段進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)河水中污染物范圍如下：COD 2.33～5.64 mg/L、TN-N 0.044～2.087 mg/L、TP-P 0.035～0.162 mg/L，超出《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準的要求，威脅高峰水庫安全。構建人工濕地對河水進行旁路修復，考察不同構造類型的潛流人工濕地工藝性能。

1 材料與方法

1.1 人工濕地概況

人工濕地基本情況如表1所示，其覆土均為0.1 m，大碎石∶廢磚塊∶小碎石及卵石∶土壤的體積比為20∶25∶25∶10。種植的植物均為5株/m2，植物種植的時間是2010年5月，人工濕地啟動階段為2010年9月至2011年2月，穩(wěn)定階段為2011年5月至2012年1月。期間水力停留時間為2 d(水力負荷0.6 g·m-2·d-1)。

表1 人工濕地基本情況表

1.2 水樣采集及其數(shù)據(jù)測定方法

由于野外試驗裝置運行的不穩(wěn)定性，每月采樣三次以上，數(shù)據(jù)取平均值進行分析。數(shù)據(jù)測定方法為：COD采用高錳酸鉀滴定法、TN-N采用紫外分光光度法、TP-P采用鉬酸鹽分光光度法[18]。

2 結果與討論

2.1 COD去除特征

COD的進水濃度為1.35～5.64 mg/L，在啟動階段除4#外，各個濕地之間差異不大，均為20%左右，4#去除率僅為8.7%，如表2所示。穩(wěn)定運行階段，1#、2#對COD的去除率相差不大，均為26%左右，3#對COD的去除率為16.8%，4#去除率最低，僅為11.46%。由表3可知，1#的啟動階段和穩(wěn)定階段存在顯著差異，2#的啟動階段和穩(wěn)定階段差異性極為顯著，而3#、4#去除負荷差異卻不大。

表2 人工濕地對COD去除情況/%

表3 人工濕地啟動階段和穩(wěn)定階段差異性分析(T-test)

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

圖1為COD啟動階段和穩(wěn)定階段進水負荷和出水濃度相關性。結果顯示，兩者呈正相關性，但是啟動階段復相關系數(shù)分別為0.21、0.74、0.25，穩(wěn)定階段兩者的相關性比較顯著，其復相關系數(shù)分別為0.748、0.837、0.757，由于啟動階段進水負荷為2.1～3.3 g·m-2·d-1，在此負荷范圍下，對于蘆竹和美人蕉濕地，當進水負荷小于2.4 g·m-2·d-1時，啟動階段去除率較穩(wěn)定階段低，當進水負荷大于2.4 g·m-2·d-1時，啟動階段去除率較穩(wěn)定階段高。

圖1 COD啟動、穩(wěn)定階段進水負荷和出水濃度相關性Fig.1 COD removal at initialing phase and stable phase in different plant wetland

人工濕地啟動階段，由于根系的攔截作用，種植有植物的濕地較空白濕地去除率高；穩(wěn)定階段，美人蕉和蘆竹的根系及其周圍的微生物都已經(jīng)相對穩(wěn)定，但由于美人蕉會在寒季枯萎，其穩(wěn)定程度不及其他人工濕地，所以在穩(wěn)定階段，其對COD的去除率相對較低。分析發(fā)現(xiàn)，蘆竹和美人蕉濕地去除率在啟動階段相差不大，空白濕地去除率最小，運行初期主要靠填料和植物的根系對水體中顆粒物進行攔截，空白濕地沒有植物，所以去除率較小。從進水負荷和出水濃度相關性可以看出，穩(wěn)定階段相關系數(shù)比啟動階段相關系數(shù)大，穩(wěn)定階段植物根系及其根圍的微生物穩(wěn)定，有機物的負荷變大，營養(yǎng)豐富，其根圍微生物生長也快，對COD的去除率也隨之變大。表3揭示了蘆竹濕地在啟動階段和穩(wěn)定階段差異性顯著，而美人蕉濕地啟動階段和穩(wěn)定階段差異性不顯著，分析認為美人蕉在啟動階段根系生長很快，微生物繁殖也較快，短時間內達到穩(wěn)定階段，所以啟動階段、穩(wěn)定階段差異性不顯著。

2.2 氮素去除特征

啟動階段各個人工濕地對TN的去除率差異性比較顯著，其中3#最高，平均去除率為48.51%，4#最低，平均去除率為11.12%，穩(wěn)定階段2#濕地對TN的去除率最大，去除率高達83.41%，3#和4#平均去除率較啟動階段略變小，但是變化不大，4#平均去除率為10.10%。啟動階段和穩(wěn)定階段的差異性分析發(fā)現(xiàn)，1#和2#啟動階段和穩(wěn)定階段都存在顯著差異(表3)，3#和4#差異性不顯著。

圖2為TN啟動階段和穩(wěn)定階段濕地進水負荷和出水濃度相關性?？梢钥闯?，TN進水負荷和出水濃度均呈正相關，啟動階段復相關系數(shù)為0.507、0.32、0.346，穩(wěn)定階段復相關系數(shù)分別為0.359、0.49、0.139。由于進水負荷范圍僅為0.03～2.1 g·m-2·d-1，在該負荷條件下，蘆竹濕地進水負荷小于0.75 g·m-2·d-1時，啟動階段去除率小于穩(wěn)定階段，進水負荷大于0.75 g·m-2·d-1時，啟動階段去除負荷大于穩(wěn)定階段；美人蕉濕地進水負荷小于0.6 g·m-2·d-1時，啟動階段去除率小于穩(wěn)定階段，進水負荷大于0.6 g·m-2·d-1時，啟動階段去除率大于穩(wěn)定階段；空白濕地的相交點為0.52 g·m-2·d-1。

表4 人工濕地對TN去除情況/%

圖2 TN啟動、穩(wěn)定階段進水負荷和出水濃度相關性Fig.2 TN removal at initialing phase and stable phase in different plant wetland

人工濕地的氮去除機理主要包括揮發(fā)、氨化、硝化、反硝化、植物攝取以及基質吸附[16]。啟動階段，美人蕉濕地對TN去除率最高，主要因為美人蕉在啟動階段根部生長快，對氮素的攝取也較快，龐大的根系可以為微生物提供生存場所，微生物繁殖比較快，所以對TN的去除率比較高。但是，穩(wěn)定階段去除率卻有所下降。根據(jù)Jordan[19]等人的研究，啟動階段人工濕地對TN的去除率達59%，穩(wěn)定階段卻顯著下降。美人蕉濕地對TN的去除情況和Jordan等人的研究結果一致。穩(wěn)定階段，蘆竹建筑垃圾濕地對TN的去除率最高，并且蘆竹濕地在啟動階段和穩(wěn)定階段存在極為顯著的差異，是因為蘆竹生長周期比較慢，在啟動階段，其根系在濕地中的作用還沒有完全體現(xiàn)，到了穩(wěn)定階段，其根部的攔截作用增強，對氮的吸收也相應增強，根圍的微生物種群結構成熟，對TN的去除作用就顯著增加。

2.3 磷素的去除特征

表5所示為人工濕地對TP去除平均值情況， 1#、2#和3#平均去除率比較高，均為40%左右，4#平均去除率低于20%；穩(wěn)定階段各個濕地對磷的去除率均變大，其中2#最高，平均去除率為80.33%，4#去除率最低，為33.61%。通過進行啟動和穩(wěn)定階段的差異性分析發(fā)現(xiàn)，1#和2#啟動階段和穩(wěn)定階段都存在顯著差異(表3)，3#和4#差異性不顯著。

表5 人工濕地對TP去除情況/%

圖3為TP啟動階段和穩(wěn)定階段濕地進水負荷和出水濃度相關性。由圖3可以看出，TP進水負荷和出水濃度均呈正相關，啟動階段復相關系數(shù)分別為0.918、0.711、0.786，穩(wěn)定階段復相關系數(shù)分別為0.055、0.019、0.037；啟動階段進水負荷大于0.04 g·m-2·d-1，在此進水負荷下，蘆竹和美人蕉濕地穩(wěn)定階段去除率小于啟動階段，空白濕地穩(wěn)定階段去除率則大于啟動階段。

圖3 TP啟動、穩(wěn)定階段進水負荷和出水濃度相關性Fig.3 TP removal at initialing phase and stable phase in different plant wetland

在人工濕地中磷的去除主要通過3個過程實現(xiàn)：填料的吸附沉淀、微生物同化作用以及聚磷菌的過量攝P作用、植物的吸收。1#和2#均栽種的蘆竹，通過一年的生長，生長周期較長的蘆竹趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定生長的蘆竹枝干茂密、根系發(fā)達，對磷的吸收能力強于美人蕉，因此蘆竹濕地對TP-P的去除率大于美人蕉濕地。而兩種種蘆竹濕地中，2#的填料為廢磚，3#的填料為碎石、卵石和廢磚的組合填料，從表5可以發(fā)現(xiàn)，2#對TP-P的去除率都高于其他人工濕地，說明建筑垃圾對磷的吸附較其他填料更強。從復相關系數(shù)看，啟動階段相關系數(shù)較大說明填料對磷素在啟動階段以物理吸附為主，穩(wěn)定階段相關性不強，說明填料對磷素逐漸產(chǎn)生化學沉淀，物理吸附達到一定量時，出現(xiàn)吸附平衡的突變，重新達到下一個平衡。

3 結論

在處理微污染水時，人工濕地出水各污染物均達到《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類標準要求，從而保證了水庫供水安全。啟動階段和穩(wěn)定階段人工濕地對污染物的去除規(guī)律有一定差異。

濕地中種植不同植物，穩(wěn)定階段和啟動階段情況不一樣，種植蘆竹和美人蕉的人工濕地相比較，種植蘆竹的濕地是隨著時間逐漸穩(wěn)定，對污染物的去除率逐漸升高，啟動時間較長，種植美人蕉的人工濕地，啟動時間較短，很快達到穩(wěn)定階段，因此人工濕地中選用蘆竹對污染物去除比較穩(wěn)定。對于填料不同的濕地，填料為建筑垃圾的濕地啟動階段時間較長，穩(wěn)定后對污染物的去除率較高。濕地中填料不同對磷素的去除影響最大，建筑垃圾填料濕地經(jīng)過一年運行磷素去除率依然較好，可以判定用當?shù)貜U棄的建筑垃圾來作為填料，處理微污染水既經(jīng)濟又實用。

啟動階段和穩(wěn)定階段COD、TN進水負荷和出水濃度相關性規(guī)律都呈正相關，TP進水負荷和出水濃度相關性啟動階段較顯著，穩(wěn)定階段不顯著，分析認為濕地對磷素的去除主要靠填料，填料對磷素的吸附平衡在吸附量達到一定值發(fā)生變化。

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Research on Efficiencies of Subsurface Flow Constructed Wetlands for Purifying Micro-polluted Water

HU Shuang1, HUANG Qing-qing2

(1.Banan Environmental Monitoring Station, Chongqing 401320, China;2.Academy of Metrology and Quality Inspection, Chongqing 401123, China)

Four types of subsurface flow wetlands were constructed to purify micro-polluted water. The conclusion is that the effluent pollutants meet the requirements of Class Ⅲ standard inEnvironmentalQualityStandardsforSurfaceWater; the average pollutants removal rate ofArundodonaxL. wetlands is relatively high; the difference in pollutant removal between the startup stage and stable stage of usingArundodonaxL. wetlands is significant, and the difference in pollutant removal rates betweenCannaindicaL. wetlands and blank wetlands is insignificant; Phosphorus removal rate is greatly influenced by filler types, and different fillers will not affect the startup time. In the startup stage and stable stage, COD, TN, TP influent load and effluent concentration are positively correlated. However, the multiple correlation coefficient of COD in startup stage is less than that in stable stage, whereas TP is on the contrary. The difference in multiple correlation coefficients of TN between the two stages is insignificant.

constructed wetlands; micro-polluted water; startup stage; stable stage

2015-01-06

胡爽(1983—)，女，重慶人，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作，E-mail: 184547809@qq.com

10.14068/j.ceia.2015.02.025

X522

A

2095-6444(2015)02-0092-04