梁家成， 王福浩， 趙林婷， 佘宗蓮

(1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.青島水務環(huán)境公司，山東 青島 266021)

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水位對復合基質垂直流人工濕地凈化效果的影響*

梁家成1， 王福浩2， 趙林婷1， 佘宗蓮1**

(1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.青島水務環(huán)境公司，山東 青島 266021)

垂直流人工濕地；水位；復合基質；飽和區(qū)

引用格式：梁家成，王福浩，趙林婷,等.水位對復合基質垂直流人工濕地凈化效果的影響[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2016, 46(8): 116-121.

LIANGJia-Cheng,WANGFu-Hao,ZHAOLin-Ting,etal.Effectofwaterlevelontheperformanceofverticalflowconstructedwetlandsfilledwithcompositesubstrate[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina, 2016, 46(8): 116-121.

人工濕地內溶解氧含量和分布對氮的硝化、反硝化及生物的吸收同化有較大的影響[6]，因而，改善濕地內溶解氧的分布，創(chuàng)造硝化、反硝化反應各自所需要的環(huán)境條件是提高濕地脫氮效果的有效手段。部分飽和垂直流人工濕地包括下層飽和區(qū)(水位界面至濕地床床底的區(qū)域)和上層非飽和區(qū)(填料表面至水位界面的區(qū)域)，通常非飽和區(qū)為好氧環(huán)境，飽和區(qū)為缺氧或厭氧環(huán)境，這為在一個濕地單元內實現連續(xù)硝化反應和反硝化反應提供了有利條件[7]；針對進水水質特征，通過改變水位可以控制飽和區(qū)和非飽和區(qū)的深度，調整好氧區(qū)和厭氧區(qū)的分布[8]，從而實現高效硝化和反硝化。到目前為止，關于水位變化對垂直流濕地處理功能影響的研究尚未見報道，因此，本研究利用實驗室規(guī)模的垂直流人工濕地，采用連續(xù)進水的方式，研究水位變化對有機物和氮去除效果的影響，探討濕地內污染物和環(huán)境參數的空間分布。

1　材料和方法

1.1 實驗裝置

本研究采用2個實驗室規(guī)模的垂直流人工濕地，結構如圖1所示。濕地床體為聚氯乙烯圓柱體，內徑30cm、高度100cm；2個濕地均填充85cm厚的基質，上層均為厚度35cm、粒徑5～10mm的爐渣；中層填充厚度相同(35cm)、粒徑不同的礫石，濕地1的粒徑為10～20mm，濕地2的粒徑為5～10mm；底層均鋪設厚度15cm的粗礫石(粒徑50～100mm)作為支撐層。用蠕動泵將進水連續(xù)送到濕地表面，水流垂直流經基質，出水通過與底部出水口連接的出水軟管排出，通過改變出水軟管的高度來調節(jié)濕地內的水位。沿濕地床高度設置6個水樣取樣口，與床底距離分別為85、66、51、36、19和2cm。2個濕地內均種植黃花鳶尾。

圖1　垂直流人工濕地試驗裝置

1.2 實驗條件

1.3 樣品采集及分析方法

2　結果與討論

2.1 不同運行水位時環(huán)境參數的變化

圖2為各水位條件下濕地1中DO和ORP在水位界面以下的沿程變化。方差分析顯示，水位對2個濕地內DO和ORP有顯著影響(P < 0.05)。高水位(51～85cm)時，飽和區(qū)上層(水位界面至界面以下17～20cm區(qū)域)DO濃度較高，為1.2～2.5mg/L，溶解氧來源為進水(4.4～5.2mg/L)、大氣復氧和植物根系泌氧；飽和區(qū)底層(床體底部至底部以上2～17cm區(qū)域)處于缺氧狀態(tài)，DO低于0.5mg/L；飽和區(qū)中層(飽和區(qū)底層上界面至飽和區(qū)上層下界面的區(qū)域)溶解氧低于1.2mg/L。中、低水位(2～51cm)時幾乎整個填料床均處于好氧狀態(tài)，只在床體底部至底部以上2cm的區(qū)域出現缺氧環(huán)境。陶敏等[10]研究表明，氧是硝化過程中的電子受體，濕地內溶解氧會影響硝化反應的進程，提高濕地內氧含量可提高硝化效率。ORP能夠綜合溶解氧、有機物質以及微生物活性等指標來反映系統(tǒng)中的生態(tài)環(huán)境[11]。由圖2(b)可知，濕地進水ORP值高于90mV，在飽和區(qū)界面以下各取樣口的ORP值均下降至-90mV以下。據Ong等人[12]報道，濕地ORP在100mV以下有利于反硝化過程的進行，可知本實驗在飽和區(qū)界面以下形成了有利于反硝化的還原環(huán)境。由于濕地本身具有一定的保溫作用，2個濕地出水溫度(17.6～28.4 ℃)基本高于進水溫度(17.8～24.3 ℃)，此溫度范圍對硝化/反硝化是適宜的[13]。此外，濕地出水pH值(7.72～8.03)略高于進水(7.67～7.90)，在硝化細菌和反硝化細菌生長繁殖適宜的pH值范圍內[14-15]。

圖2　濕地1中DO(a)和ORP(b)分布圖

2.2 水位對凈化效果的影響

圖3　濕地系統(tǒng)中污染物去除率

圖4　濕地1中和 COD的沿程分布

2.2.2 磷的凈化效果人工濕地對磷的去除是通過微生物累積、植物吸收和填料的物理化學作用協同完成的。大量研究表明，人工濕地填料吸附磷是除磷的主要途徑[20]。填料對磷的吸附主要是化學吸附，即可溶性磷被填料中的Ca、Al、Fe等吸附及絡合形成難溶性沉淀被去除。人工濕地使用的基質包括天然礦物(礫石、石灰石、泥煤等)和工業(yè)副產物(爐渣、粉煤灰等[21])。爐渣含有大量的Ca、Al、Fe物質[22]，爐渣的最大吸附量(1 449mg/kg)高于礫石(494mg/kg)，并且最大吸附量與基質粒徑顯著相關[23]。本研究為獲得較好的磷去除率，濕地上層選用吸附效果較好的爐渣，濕地對磷的凈化效果見圖3(d)，濕地1(中層礫石粒徑為10～20mm)和濕地2(中層礫石粒徑為5～10mm)對TP的去除率分別為33.3%～56.0%和61.0%～84.8%，濕地2對磷的去除效果顯著高于濕地1(P <0.05)，原因可能是基質粒徑越小比表面積越大，使基質表面磷吸附點位越多，對磷的吸附去除效率越高，Seo等[24]也發(fā)現基質粒徑減小會使磷吸附量增加。本研究中較高的TP去除率主要是反應器處于運行初期，基質對磷吸附量尚未飽和。但填料對磷的吸附容量是有限的。Vohla等[25]的研究表明，運行5年后，由于磷在系統(tǒng)內的積累使磷去除率急劇下降，甚至會發(fā)生磷的解吸。因此，下一步需要深入研究濕地長期運行后基質對磷的去除作用。

2.2.3COD的凈化效果人工濕地中有機物的去除主要通過微生物的代謝作用來完成的。由圖3(e)可知，除85cm運行水位外，2個濕地COD的去除率均大于67%。低水位(2～19cm)時，COD去除率達到75.5%～81.1%，高于高水位(66～85cm)時的去除率(50.5%～68.6%)。這主要是因為溶解氧是影響有機物去除的重要因素，高水位時濕地內溶解氧含量較低，使有機物去除率較低。由4(d)可知，2個濕地在85cm水位時COD在飽和區(qū)上層降解明顯，呈現較高的去除率，而在飽和區(qū)底層幾乎無變化；51和66cm水位時，在非飽和區(qū)和飽和區(qū)上層COD去除迅速，去除率為40.5%～61.5%；在2、19和36cm水位時，COD的去除主要發(fā)生在非飽和區(qū)。結合圖2(a)溶解氧的沿程變化可知，隨著硝化作用和有機物氧化作用對溶解氧的消耗，在濕地飽和區(qū)底層，由于缺乏有效的溶解氧補給，好氧環(huán)境明顯不如飽和區(qū)上層及非飽和區(qū)，因此有機物降解作用下降。

3　結語

水位對TP的去除無顯著影響(P > 0.05)，基質粒徑對TP去除率有顯著影響(P < 0.05)。相同水位條件下，填充小粒徑礫石的濕地(濕地1)中TP去除率(49.1%～54.5%)高于填充大粒徑礫石的濕地(濕地2)(59.3%～71.3%)。

[1]曹笑笑， 呂憲國， 張仲勝， 等. 人工濕地設計研究進展[J]. 濕地科學， 2013， 11(1): 121-128.

CaoXX，LuXG，ZhangZS，etal.Researchprogressonthedesignofconstructedwetlands[J].WetlandScience， 2013， 11(1): 121-128.

[2]MengP，PeiH，HuW，etal.Howtoincreasemicrobialdegradationinconstructedwetlands:Influencingfactorsandimprovementmeasures[J].BioresourceTechnology， 2014， 157: 316-326.

[3]黃錦樓， 陳琴， 許連煌. 人工濕地在應用中存在的問題及解決措施[J]. 環(huán)境科學， 2013(1): 401-408.

HuangJL，ChenQ，XuLH.Problemsandcountermeasuresintheapplicationofconstructedwetlands[J].EnvironmentalScience， 2013(1): 401-408.

[4]劉洋. 不同運行方式對人工濕地強化除磷的影響研究[J]. 環(huán)境工程， 2012， 30(3): 15-18.

LiuY.Researchontheinfluenceofconstructedwetlandsforintensifyingphosphorusremovalundervariousoperationconditions[J].EnvironmentalEngineering， 2012， 30(3): 15-18.

[5]BrixH，AriasCA.Theuseofverticalflowconstructedwetlandsforon-sitetreatmentofdomesticwastewater:NewDanishguidelines[J].EcologicalEngineering， 2005， 25(5): 491-500.

[6]龔琴紅， 田光明. 垂直流人工濕地中污染物的沿程變化[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報， 2008， 26(6): 2139-2143.

GongQH，TianGM.Changesofpollutantsconcentrationatvariousdepthsinverticalflowconstructedwetland[J].JournalofAgro-EnvironmentScience， 2007， 26(6): 2139-2143.

[7]KimB，GautierM，Prost-BoucleS，etal.Performanceevaluationofpartiallysaturatedvertical-flowconstructedwetlandwithtricklingfilterandchemicalprecipitationfordomesticandwinerywastewaterstreatment[J].EcologicalEngineering， 2014， 71: 41-47.

[8]秦愛國， 蹇興超， 馮慶革， 等. 出水口位置對垂直潛流人工濕地凈化的影響[J]. 環(huán)境污染與防治， 2010(3): 64-66.

QinAG，JianXC，QinQG，etal.Effectoftheoutletpositiononthepurificationefficiencyofverticalsubsurface-flowconstructedwetlands[J].EnvironmentalPollution&Control， 2010(3): 64-66.

[9]國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)[M]. 北京: 中國環(huán)境科學出版社， 2002.

NEPAChinese.WaterandWastewaterMonitoringMethods[M].Beijing:ChineseEnvironmentalSciencePublishingHouse， 2002.

[10]陶敏， 賀鋒， 王敏， 等. 人工濕地強化脫氮研究進展[J]. 工業(yè)水處理， 2014， 34(3): 6-10.

TaoM，HeF，WangM，etal.Researchprogressintheenhancementofnitrogenremovingbyconstructedwetlands[J].IndustrialWaterTreatment， 2014， 34(3): 6-10.

[11]TanwarP，NandyT，UkeyP，etal.Correlatingon-linemonitoringparameters，pH，DOandORPwithnutrientremovalinanintermittentcyclicprocessbioreactorsystem[J].BioresourceTechnology， 2008， 99(16): 7630-7635.

[12]OngSA，UchiyamaK，InadamaD，etal.Performanceevaluationoflaboratoryscaleup-flowconstructedwetlandswithdifferentdesignsandemergentplants[J].BioresourceTechnology， 2010， 101(19): 7239-7244.

[13]ChangJ，WuS，DaiY，etal.Nitrogenremovalfromnitrate-ladenwastewaterbyintegratedvertical-flowconstructedwetlandsystems[J].EcologicalEngineering， 2013， 58: 192-201.

[14]SaeedT，SunG.Areviewonnitrogenandorganicsremovalmechanismsinsubsurfaceflowconstructedwetlands:Dependencyonenvironmentalparameters，operatingconditionsandsupportingmedia[J].JournalofEnvironmentalManagement， 2012， 112: 429-448.

[15]Al-OmariA，FayyadM.TreatmentofdomesticwastewaterbysubsurfaceflowconstructedwetlandsinJordan[J].Desalination， 2003， 155(1): 27-39.

[16]DongZ，SunT.Apotentialnewprocessforimprovingnitrogenremovalinconstructedwetlands—Promotingcoexistenceofpartial-nitrificationandANAMMOX[J].EcologicalEngineering， 2007， 31(2): 69-78.

[17]LiL，LiY，BiswasDK，etal.Potentialofconstructedwetlandsintreatingtheeutrophicwater:EvidencefromTaihuLakeofChina[J].BioresourceTechnology， 2008， 99(6): 1656-1663.

[19]AkratosCS，TsihrintzisVA.Effectoftemperature，HRT，vegetationandporousmediaonremovalefficiencyofpilot-scalehorizontalsubsurfaceflowconstructedwetlands[J].EcologicalEngineering， 2007， 29(2): 173-191.

[20]劉志寅， 尤朝陽， 肖曉強， 等. 人工濕地填料除磷影響因素研究[J]. 水處理技術， 2011， 37(10): 50-54.

LiuZY，YouZY，XiaoXQ，etal.Currentreasearchesoninfluencingfactorsofphosphorusremovalbysubstratesinconstructedwetland[J].TechnologyofWaterTreatment， 2011， 37(10): 50-54.

[22]ChanSY，TsangYF，ChuaH，etal.Performancestudyofvegetatedsequencingbatchcoalslagbedtreatingdomesticwastewaterinsuburbanarea[J].BioresourceTechnology， 2008， 99(9): 3774-3781.

[23]CuiL，ZhuX，MaM，etal.Phosphorussorptioncapacitiesandphysicochemicalpropertiesofninesubstratematerialsforconstructedwetland[J].ArchivesofEnvironmentalContaminationandToxicology， 2008， 55(2): 210-217.

[24]SeoDC，ChoJS，LeeHJ，etal.Phosphorusretentioncapacityoffiltermediaforestimatingthelongevityofconstructedwetland[J].WaterResearch， 2005， 39(11): 2445-2457.

責任編輯龐旻

EffectofWaterLevelonthePerformanceofVerticalFlowConstructedWetlandsFilledwithCompositeSubstrate

LIANGJia-Cheng1,WANGFu-Hao2,ZHAOLin-Ting1,SHEZong-Lian1

(1.TheKeyLaboratoryofMarineEnvironmentandEcology,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.QingdaoWaterEnvironmentalCompany,Qingdao266021,China)

verticalflowconstructedwetlands;waterlevel;compositesubstrate;saturatedzone

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07203-008)資助

2015-11-02；

2015-12-22

梁家成(1989-),男，碩士生。研究方向為水污染控制。E-mail:liangjiacheng2010@163.com

**通訊作者：E-mail:szlszl@ouc.edu.cn

X523

A

1672-5174(2016)08-116-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150378

SupportedbytheSpecialGrandNationalScience&TechnologyProjectofChinaforWaterPollutionControlandTreatment(2014ZX07203-008)