沈林亞，吳 娟，鐘 非，向東方，成水平

(同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

分級(jí)進(jìn)水對(duì)階梯垂直流人工濕地污水處理效果的影響

沈林亞，吳 娟，鐘 非，向東方，成水平

(同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

本文研究了分級(jí)進(jìn)水對(duì)階梯垂直流人工濕地處理生活污水效果的影響. 在保持總水力負(fù)荷為100 mm/d的情況下，分別將總進(jìn)水量的0%、10%、20%和30%用于濕地第2級(jí)階梯的進(jìn)水，分析了系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量(COD)和氮、磷的總?cè)コ屎脱爻套兓? 結(jié)果表明，不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下人工濕地對(duì)COD和總磷(TP)的去除率差異不明顯，COD和TP的最高去除率分別為87.80%和81.17%，COD的去除主要集中在第1級(jí)，其貢獻(xiàn)率平均為82.18%，TP的去除主要集中在第3級(jí)，貢獻(xiàn)率平均為54.37%. 分級(jí)進(jìn)水對(duì)總氮(TN)去除率影響顯著(P<0.05)，當(dāng)2級(jí)進(jìn)水比例為20%時(shí)，TN去除率最高，為61.70%±4.48%，且3個(gè)梯級(jí)對(duì)TN的去除貢獻(xiàn)率分別為36.52%、42.11%和21.37%. 相同組合形式的垂直流人工濕地處理生活污水的工程應(yīng)用中，可根據(jù)需求設(shè)置20%左右的2級(jí)進(jìn)水比例，以提高人工濕地對(duì)污染物的去除效果.

階梯垂直流人工濕地；分級(jí)進(jìn)水；脫氮除磷

人工濕地能有效凈化污染水體，被廣泛應(yīng)用于點(diǎn)源和面源污染的治理. 垂直流人工濕地系統(tǒng)氧轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)[1-2]，硝化作用明顯[3]，但反硝化作用往往受到限制，而且碳源不足也是制約反硝化過(guò)程的重要因素之一，因此碳源補(bǔ)充是提高濕地系統(tǒng)反硝化能力、增強(qiáng)脫氮效率的有效途徑之一. Zhang等[4]使用植物發(fā)酵液作為人工濕地的反硝化碳源，發(fā)現(xiàn)隨著植物發(fā)酵液投加量的增加，系統(tǒng)中硝酸鹽的去除率顯著增加. Sikora等[5]以低分子碳水化合物乙酸為外加碳源，系統(tǒng)中硝酸鹽的去除效率最高可達(dá)70%，可見(jiàn)低分子碳水化合物可有效促進(jìn)人工濕地的反硝化進(jìn)程. 同時(shí)，因?yàn)閱我粷竦仡愋筒荒芡瑫r(shí)提供充分的好氧和厭氧條件，限制了污染物的去除效率[6-7]，人工濕地應(yīng)用已不再局限于單一的水流方式，研究者們開(kāi)始將不同類型的人工濕地進(jìn)行組合[8]. 本研究提出了一種階梯垂直流人工濕地工藝，采用下行流-上行流-下行流的組合形式，強(qiáng)化了污染物的去除效果[9].

為了提高階梯垂直流人工濕地的氮去除效率，本研究將分級(jí)進(jìn)水應(yīng)用于階梯垂直流人工濕地，一方面可以適應(yīng)不同地形地勢(shì)，用以維持水體在系統(tǒng)內(nèi)部的重力流形式；另一方面通過(guò)分級(jí)進(jìn)水為系統(tǒng)內(nèi)反硝化過(guò)程提供碳源，加強(qiáng)脫氮效果. 本文通過(guò)分析比較不同進(jìn)水配比下污染物的去除效果，從而得出最優(yōu)的進(jìn)水方式，為階梯組合式垂直流人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供合理參數(shù).

1 材料與方法

1.1 階梯垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

共構(gòu)建4套階梯垂直流人工濕地小試系統(tǒng). 每套人工濕地系統(tǒng)由3級(jí)垂直流人工濕地單元組合而成(圖1)，分別填充0.45 m高度的沸石、頁(yè)巖和陶粒. 3種填料的基本物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1. 濕地的3級(jí)單元均種植西伯利亞鳶尾(Irissibirica)，種植密度為20株/m2.

圖1 階梯垂直流人工濕地小試系統(tǒng)Fig.1 Lab-scale multi-stage vertical flow constructed wetland

每級(jí)濕地頂部和底部均設(shè)有直徑為20 mm的穿孔PVC管用于布水或集水. 第3級(jí)濕地出水口設(shè)置虹吸管，虹吸管出口位于25 cm處.

表1 填料物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4套系統(tǒng)總進(jìn)水負(fù)荷均為100 mm/d，設(shè)置0%、10%、20%和30% 4個(gè)不同的2級(jí)進(jìn)水份額的處理方式：0%的第1級(jí)進(jìn)水份額為100%；10%的第1級(jí)進(jìn)水份額為90%，第2級(jí)為10%； 20%的第1級(jí)進(jìn)水份額為80%，第2級(jí)為20%；30%的第1級(jí)進(jìn)水份額為70%，第2級(jí)為30%.

1.3 樣品采集與測(cè)試

1.4 數(shù)據(jù)處理

污染物的去除率(%)計(jì)算公式為：

去除率=(1-Cout/Cin)×100%

(1)

污染物質(zhì)量去除速率(g/(m2·d))計(jì)算公式為：

質(zhì)量去除速率=(Cin·Vin-Cout·Vout)/(S·HRT)

(2)

式中，Cin和Cout分別為進(jìn)、出水濃度(mg/L)；Vin和Vout分別為進(jìn)、出水體積(m3)；S為人工濕地面積(m2)；HRT為水力停留時(shí)間(d).

去除貢獻(xiàn)率(%)計(jì)算公式為：

系統(tǒng)第1級(jí)去除貢獻(xiàn)率=(1級(jí)Cin-1級(jí)Cout)/(1級(jí)Cin-3級(jí)Cout) ×100%

(3)

系統(tǒng)第2級(jí)去除貢獻(xiàn)率=(1級(jí)Cout-2級(jí)Cout)/(1級(jí)Cin-3級(jí)Cout) ×100%

(4)

系統(tǒng)第3級(jí)去除貢獻(xiàn)率=(2級(jí)Cout-3級(jí)Cout)/(1級(jí)Cin-3級(jí)Cout) ×100%

(5)

使用IBM SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法分析不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下處理效果的差異性，P<0.05表明具有顯著性差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果

圖2 不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下階梯垂直流人工濕地對(duì)COD的去除效果Fig.2 COD removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

4種分級(jí)進(jìn)水條件下人工濕地對(duì)COD的去除效果差異不顯著(圖2)，其去除率為86.66%～87.80%，質(zhì)量去除速率為12.36～12.53 g/(m2·d)，說(shuō)明階梯垂直流人工濕地能有效適應(yīng)本實(shí)驗(yàn)中4種分級(jí)進(jìn)水方式，普遍具有較好的COD去除效果. 濕地系統(tǒng)的有機(jī)物主要通過(guò)附著于基質(zhì)上的生物膜和微生物的代謝去除[11]，垂直流人工濕地系統(tǒng)充氧能力較好，為微生物分解污染物提供了有利條件. Vymazal等[3]研究不同進(jìn)水方式下復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)COD的去除效果差異，發(fā)現(xiàn)COD的去除效率均能穩(wěn)定達(dá)到80%，且當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷增大時(shí)，COD的去除效果也沒(méi)有顯著變化.

4個(gè)分級(jí)進(jìn)水條件下濕地系統(tǒng)進(jìn)水和各級(jí)出水COD濃度如圖3所示. 在進(jìn)水濃度為142.3±24.5 mg/L時(shí)，4套系統(tǒng)3級(jí)出水COD濃度平均值為17.5 mg/L，處理組間差異不顯著. 出水COD濃度遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn). 4套系統(tǒng)的第1級(jí)對(duì)COD去除的貢獻(xiàn)率平均為82.18%，進(jìn)水中大部分有機(jī)物在第1級(jí)得以去除，這是因?yàn)槲鬯畯奈挥谔盍仙喜康牟妓芫鶆蛄魅?，與空氣接觸后進(jìn)入第1級(jí)，系統(tǒng)的好氧狀況為COD的去除提供了有利條件. 4套系統(tǒng)第2級(jí)對(duì)COD去除的平均貢獻(xiàn)率僅為1.29%. 研究表明，厭氧或缺氧條件下，有機(jī)物可被厭氧自養(yǎng)細(xì)菌降解去除[12]，但其新陳代謝速率遠(yuǎn)小于異養(yǎng)微生物，對(duì)有機(jī)物的降解作用也較弱[13]. 系統(tǒng)第3級(jí)出水COD濃度較第2級(jí)有明顯降低，對(duì)COD去除的貢獻(xiàn)率平均為16.53%. 因此本實(shí)驗(yàn)中COD的去除過(guò)程主要發(fā)生在濕地系統(tǒng)的第1級(jí). 李劍波[14]研究了組合人工濕地對(duì)COD的去除效果，并計(jì)算得到第1級(jí)垂直流人工濕地對(duì)COD去除的貢獻(xiàn)率高達(dá)92.6%，垂直流人工濕地COD去除主要集中在第1級(jí).

圖3 不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下階梯垂直流人工濕地中COD的沿程變化(1、2和3表示濕地的第1、2和3梯級(jí)，不同字母表示差異顯著，下同)Fig.3 COD changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

圖4 不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下階梯垂直流人工濕地對(duì)總氮的去除效果 Fig.4 Total nitrogen removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

2.2 氮去除效果

4個(gè)進(jìn)水條件下TN去除效果較為穩(wěn)定， 去除率分別為45.03%±7.74%、48.74%±6.05%、61.70%±4.48%和46.98%±10.34%，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量去除速率分別為1.67±0.38、1.81±0.39、2.28±0.35和1.75±0.53 g/(m2·d) (圖4). 分級(jí)進(jìn)水比例為20%時(shí)TN去除效果最好，去除率和質(zhì)量去除速率明顯高于其他3種進(jìn)水方式(P<0.05)，這與濕地中氮的去除機(jī)制有關(guān). Li等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，采用分級(jí)進(jìn)水方式后垂直流人工濕地對(duì)TN的去除率可達(dá)60.6%. 人工濕地中通過(guò)植物吸收和填料吸附去除的氮含量?jī)H占總?cè)コ康?%左右，微生物降解是氮素去除的最主要路徑[14].

圖5 不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下階梯垂直流人工濕地中氮元素的沿程變化Fig.5 Nitrogen changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

圖6 不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下階梯垂直流人工濕地對(duì)總磷的去除效果Fig.6 Total phosphorus removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

圖7 不同分級(jí)進(jìn)水比例條件下階梯垂直流人工濕地中磷元素的沿程變化 Fig.7 Phosphorus changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

2.3 磷去除效果

4個(gè)分級(jí)進(jìn)水比例條件下，TP去除率為72.14%～81.17%，質(zhì)量去除速率為0.32～0.36 g/(m2·d)(圖6). 同COD相似，各處理間TP去除效果不存在顯著性差異，說(shuō)明進(jìn)水方式對(duì)磷的去除影響不大. 實(shí)際上，人工濕地中主要通過(guò)填料吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)磷的去除[19-20]. 本實(shí)驗(yàn)出水TP濃度基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn).

污水經(jīng)濕地第1和第2級(jí)處理后TP濃度并未顯著降低，但經(jīng)第3級(jí)后其濃度明顯減少，4套系統(tǒng)第1、2級(jí)對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)率平均分別為30.66%和14.97%，第3級(jí)對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)率平均為54.37%，表明該濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除主要在第3級(jí)完成. 第3級(jí)填料陶粒中富含的氧化鈣在基質(zhì)與磷溶液的混合體系中，與水分子結(jié)合形成氫氧化鈣，進(jìn)而電離出鈣離子，溶液中的磷酸根離子最終通過(guò)非晶體的磷酸鈣沉淀去除[21-22]. 我們?cè)谔盍蠈?duì)KH2PO4溶液等溫吸附的前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，陶粒對(duì)TP的吸附效果遠(yuǎn)優(yōu)于頁(yè)巖和沸石，陶粒對(duì)磷的最大吸附量可達(dá)714.29 mg/kg，與蔣麗等[23]的研究結(jié)果相當(dāng).

沸石、頁(yè)巖、陶粒都是常見(jiàn)的人工濕地基質(zhì)，張迎穎等[24]以靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究濕地填料凈化磷的性能，發(fā)現(xiàn)單一種類填料對(duì)TP的去除效果不太理想，通常需要多級(jí)連用以達(dá)到較好的效果. 本研究利用沸石、頁(yè)巖、陶粒填料，采用3級(jí)串聯(lián)的配置方式，總體上達(dá)到了較高的磷去除效率.

3 小結(jié)

1)階梯垂直流人工濕地對(duì)COD具有穩(wěn)定的去除效果，未受到不同分級(jí)進(jìn)水方式的影響，大部分的COD在系統(tǒng)第1級(jí)去除，各系統(tǒng)3級(jí)出水濃度均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

2)階梯垂直流人工濕地對(duì)TP去除效果明顯，各級(jí)均具有一定的TP去除能力，其中第3級(jí)TP去除貢獻(xiàn)最為明顯，陶粒有利于污水除磷. 系統(tǒng)TP出水濃度基本能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)適宜基質(zhì)的配置進(jìn)一步降低TP出水濃度.

3)分級(jí)進(jìn)水比例對(duì)系統(tǒng)的氮去除效果影響顯著. 當(dāng)該比例為20%時(shí)，TN去除效率最高，達(dá)61.70%，質(zhì)量去除速率為2.28 g/(m2·d). 該結(jié)果可以為階梯垂直流人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù). 分級(jí)進(jìn)水能有效提高氮的去除效率，后續(xù)可通過(guò)研究反硝化速率以及功能基因豐度等闡明分級(jí)進(jìn)水對(duì)系統(tǒng)脫氮的影響及其機(jī)制.

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Effect of step feeding on the performance of multi-stage vertical flow constructed wetland for municipal wastewater treatment

SHEN Linya, WU Juan, ZHONG Fei, XIANG Dongfang & CHENG Shuiping**

(KeyLaboratoryofYangtzeRiverWaterEnvironment,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,P.R.China)

To investigate the effect of step feeding on the performance of multi-stage vertical flow constructed wetland (MS-VFCW) for municipal wastewater treatment, raw wastewater with four step feeding ratios (0%, 10%, 20% and 30%) were dosed to the second stage of the MS-VFCW plots at a total hydraulic load of 100 mm/d. The results showed no significant differences in removal of chemical oxygen demand (COD) and total phosphorus (TP) among the four step feeding ratios, and the highest removal rates of COD and TP reached up to 87.80% and 81.17%, respectively. Most COD was removed in the first stage, with an average contribution of 82.18%. While the most TP was removed in the third stage, with an average contribution of 54.37%. In contrast, the differences in total nitrogen (TN) removal rates among the four step feeding ratios were significant, with the highest TN removal rates (61.70%±4.48%) under the ratio of 20%, in which the average removal contribution of each stage was 36.52%, 42.11% and 21.37%, respectively. The step feeding ratio was recommended as 20% in application of the hybrid VFCWs so as to achieve sound pollutant removal performance.

Multi-stage vertical flow constructed wetland; step feeding; removal of nitrogen and phosphorus

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578395)和上海市創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(16DZ1204803)聯(lián)合資助. 2017-04-18收稿; 2017-05-27收修改稿. 沈林亞(1993～)，女，碩士研究生；E-mail：lyshen2015@#edu.cn.

; E-mail：shpcheng@#edu.cn.

DOI 10.18307/2017.0506