顏秉斐，彭劍峰，程建光，宋永會(huì)，李斌

1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

溫度對(duì)VFW-DP工藝凈化污染河水的影響

顏秉斐1,2,3，彭劍峰2,3*，程建光1，宋永會(huì)2,3，李斌2,3

1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

垂直流人工濕地；滯留塘；溫度；氮磷污染；城市污染河流凈化

人工濕地系統(tǒng)凈化污水技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，是在自然或半自然凈化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的污水處理技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)污水處理方法相比，具有造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用低和耐沖擊負(fù)荷高，對(duì)氮磷及其他污染物凈化效果好等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。人工濕地雖在近年來得到廣泛應(yīng)用[6]，但也存在諸多問題有待進(jìn)一步研究，如垂直潛流人工濕地(VFW)與滯留塘(DP)串聯(lián)(VFW-DP)的組合方式凈化污染河水時(shí)，上行式垂直流人工濕地(UVFW)與下行式垂直流人工濕地(DVFW)在落空運(yùn)行方式上有著不同的氧轉(zhuǎn)移速率[7-8]，對(duì)污染物指標(biāo)的凈化效果會(huì)受到水溫的影響[9]。DP技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單易行的生物(生態(tài))技術(shù)，所需的管理維護(hù)費(fèi)遠(yuǎn)較其他技術(shù)少，適用于我國污染河流的治理[10]，但在水溫對(duì)滯留塘的凈化效果影響方面卻鮮有探討。筆者采用DVFW-DP和UVFW-DP組合工藝，通過將人工調(diào)配的模擬城市污染河水經(jīng)濕地處理后，流入滯留塘進(jìn)一步凈化，利用水體中菌藻共生的凈化作用、水生植物的吸收作用以及微生物的分解作用[11]對(duì)污染物進(jìn)行降解，以此實(shí)現(xiàn)不同單元組合運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。研究了2組組合工藝在不同水溫下對(duì)模擬城市污染河水的凈化效果，以及組合工藝對(duì)各污染指標(biāo)的凈化率，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析，以期為城市污染河水治理的工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)進(jìn)水方式將試驗(yàn)裝置分為DVFW-DP和UVFW-DP。DVFW-DP水流方向?yàn)橛蒝FW上部進(jìn)入下部再流入DP；而UVFW-DP水流方向?yàn)橛蒝FW的下部進(jìn)入上部再流入DP。VFW-DP組合工藝見圖1。用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水流量。VFW為直徑30 cm、高80 cm的有機(jī)玻璃圓柱體，總體積42 L?；|(zhì)選擇來源廣且價(jià)格低廉，已被廣泛用作人工濕地填料的礫石[12-13]，其整體高度為65 cm(下部為直徑25～50 mm的礫石，厚35 cm；上部為直徑3～12 mm的礫石，厚30 cm)，頂部鋪設(shè)10 cm厚土層。按照0.012 m3/棵的密度種植具有抗逆性強(qiáng)、凈化能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)，具有高觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在潛流濕地中凈化處理效果較好的植物菖蒲和蘆葦[14]。多層填料的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步強(qiáng)化DVFW-DP工藝虹吸排水時(shí)填料內(nèi)部的充氧能力，并可減少污水中的有害氣體，提高水中溶解的氧濃度，有助于硝化作用[15]。DP為長(zhǎng)80 cm、寬40 cm、高35 cm的有機(jī)玻璃長(zhǎng)方體，底部鋪設(shè)取自自然河道的10 cm高底泥，并按照0.016 m3/棵的密度種植菖蒲和蘆葦。

圖1 DVFW-DP組合工藝示意Fig.1 Sketch of DVFW-DP combined process

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行

試驗(yàn)采取連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水的運(yùn)行方式，按照進(jìn)行的時(shí)間選取平均水溫為14 (8.2～19.6)℃、 20(16.4～23.4)℃、25(21.8～27.6)℃ 3個(gè)溫度段分別表示低溫期、中溫期和高溫期[16]。試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為2015年5—10月，裝置啟動(dòng)5周后達(dá)到出水水質(zhì)穩(wěn)定。之后，每周定期采集1次水樣，取樣點(diǎn)分別設(shè)置在進(jìn)水口以及2組工藝的滯留塘出水口處。

1.3 試驗(yàn)方法

1.4 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)進(jìn)水為人工模擬的夏秋季節(jié)東北地區(qū)城市污染河水，按不同溫期水質(zhì)的波動(dòng)范圍由C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4配制，同時(shí)按10.0、1.0、0.5和0.5 mg/L分別投加CaCl2·2H2O、KI、ZnCl2和AlCl3·6H2O。污水水溫跨度為8.2～27.6 ℃，DO濃度為0.41～8.89 mg/L，pH為6.72～7.37，ORP為10.2～215.8 mV，其他主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)CODCr凈化效果

DVFW-DP與UVFW-DP在不同溫期下平均進(jìn)出水CODCr分布以及濃度箱線如圖2所示。

圖2 組合工藝在不同溫期下的CODCr凈化效果與濃度箱線Fig.2 CODCr removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

由圖2可知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水CODCr變化范圍較大，為20.3～150.4 mg/L；DVFW-DP和UVFW-DP出水CODCr平均為44.2和39.6 mg/L，二者平均去除率均大于47.9%。表明VFW-DP組合工藝能夠有效實(shí)現(xiàn)CODCr的去除，試驗(yàn)結(jié)果與龔琴紅等[18]的一致。VFW-DP對(duì)有機(jī)物的去除主要得益于組合工藝中水生植物和微生物作用。其中，水生植物除了通過自身吸收作用降解一部分營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)植物的根系區(qū)能夠形成好氧、兼氧、厭氧環(huán)境，為各類微生物的大量繁殖提供了良好的生存環(huán)境，不僅有利于好氧細(xì)菌氧化降解有機(jī)物，而且有利于反硝化細(xì)菌脫氮。

從不同溫期看，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行初期(中溫期)，CODCr的平均去除率DVFW-DP為61.7%，UVFW-DP為29.5%。表明在運(yùn)行初期，DVFW-DP能快速達(dá)到較高的處理效果，其可能與組合工藝的運(yùn)行方式有關(guān)，DVFW-DP采用下行式進(jìn)水方式能將更多的溶解氧帶入濕地單元，從而促進(jìn)微生物的快速繁殖，形成穩(wěn)定的微生物菌落，使有機(jī)物得到有效降解。高溫期，DVFW-DP和UVFW-DP對(duì)CODCr的平均去除率分別為62.5%和77.2%。低溫期，DVFW-DP和UVFW-DP對(duì)CODCr的平均去除率分別為34.8%和50.4%。結(jié)果表明，UVFW-DP在高溫期由于微生物經(jīng)過一段較長(zhǎng)時(shí)間的繁殖形成了與水質(zhì)相適應(yīng)的菌群，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物較高的去除率，即使在低溫期也有不錯(cuò)的效果。從整個(gè)試驗(yàn)過程看，DVFW-DP能夠快速達(dá)到較高的CODCr去除率，但UVFW-DP比DVFW-DP對(duì)CODCr的去除效果更穩(wěn)定。

人工濕地有機(jī)物的凈化主導(dǎo)者是微生物，溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖以及活性都有顯著影響[19-21]。在不同溫期，2組組合工藝對(duì)CODCr的去除效果有較大的波動(dòng)，溫度對(duì)VFW-DP的影響比較明顯，高溫期的去除效果明顯要好于中溫期和低溫期，較高的溫度不僅可以促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)物的降解，而且有利于組合工藝中植物生長(zhǎng)吸收利用。

圖3 組合工藝在不同溫期下的凈化效果與濃度箱線Fig.3removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

圖4 組合工藝在不同溫期下的凈化效果與濃度箱線Fig.4removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

2.3 對(duì)TP凈化效果

DVFW-DP與UVFW-DP在不同溫期下平均進(jìn)出水TP濃度分布以及濃度箱線如圖5所示。由圖5可知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水TP濃度為0.38～1.22 mg/L，平均濃度為0.75 mg/L。DVFW-DP和UVFW-DP出水TP平均濃度分別為0.79和0.64 mg/L，二者去除率分別為27.5%和40.4%。VFW-DP組合對(duì)TP的去除率不高，磷的去除主要是基質(zhì)的吸附、植物的吸收以及微生物的作用。中溫期，DVFW-DP和UVFW-DP的TP平均去除率分別為19.9%和35.9%；高溫期分別為34.8%和50.0%；低溫期分別為27.8%和35.5%。高溫期VFW-DP對(duì)TP的去除效果明顯好于其他2個(gè)溫期，是由于較高的水溫能夠促進(jìn)水生植物的生長(zhǎng)和微生物的繁殖從而增加對(duì)磷的去除效果。

圖5 組合工藝在不同溫期下的TP凈化效果與濃度箱線Fig.5 TP removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

2.4 組合工藝對(duì)污染物凈化效果對(duì)比

圖6 組合工藝在不同溫期對(duì)各指標(biāo)的凈化效果Fig.6 Removal effect of CODCrand TP in the combined process at different thermophases

3 結(jié)論

(2)溫度高有利于組合系統(tǒng)對(duì)污染物的去除，高溫期組合工藝對(duì)污染物的去除效果明顯高于中溫期和低溫期。

(3)從整個(gè)試驗(yàn)過程看，在系統(tǒng)運(yùn)行初期，下行式垂直流人工濕地-滯留塘對(duì)污染物的去除率高于上行式垂直流人工濕地-滯留塘，而在運(yùn)行后期下行式垂直流人工濕地-滯留塘對(duì)污染物的去除效果差于上行式垂直流人工濕地-滯留塘，因此采用上行式的進(jìn)水方式更有利于污染物的去除。

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Effects of temperature on purification of polluted river water by VFW-DP systems

YAN Bingfei1,2,3, PENG Jianfeng2,3, CHENG Jianguang1, SONG Yonghui2,3, LI Bin2,3

1.College of Chemical and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China2.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

vertical flow constructed wetland; detention pond; temperature; nitrogen and phosphorus pollution; urban river water quality purification

2016-06-27

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07202-005)

顏秉斐(1989—)，女，碩士，主要從事水環(huán)境修復(fù)及風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，ybf201506@163.com

*責(zé)任作者：彭劍峰(1977—)，男，研究員，博士，主要從事水環(huán)境修復(fù)及風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，pjf1995@163.com

X703

1674-991X(2017)02-0146-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.022

顏秉斐，彭劍峰，程建光,等.溫度對(duì)VFW-DP工藝凈化污染河水的影響研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(2):146-151.

YAN B F,PENG J F,CHENG J G,et al.Effects of temperature on purification of polluted river water by VFW-DP systems[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):146-151.