張彩瑩 王 巖 王妍艷

(1.南陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473061；2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

潛流人工濕地中污染物濃度的沿程變化及垂向分布*

張彩瑩1王 巖2王妍艷2

(1.南陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473061；2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

構(gòu)建4個(gè)潛流人工濕地(改進(jìn)波形潛流人工濕地(IW-SFCW)、波形潛流人工濕地(W-SFCW)、傳統(tǒng)潛流人工濕地(SFCW)及不栽種植物的對照濕地(CK-CW))處理厭氧消化后的豬場廢水，考察各濕地單元中污染物的沿程變化及垂向分布。結(jié)果表明：(1)總體上，污染物濃度在栽種植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中沿程逐漸降低，栽培植物、改變濕地結(jié)構(gòu)對廢水中污染物的去除效果有顯著性差異；(2)廢水中的污染物主要集中在濕地的進(jìn)水端被去除，這種現(xiàn)象在CK-CW中尤為突出，因此后期在設(shè)計(jì)濕地時(shí)可調(diào)整合適的長寬比以提高濕地對廢水中污染物的凈化效果；(3)4個(gè)濕地對氮污染物的去除效果有待提高，后期應(yīng)著重解決濕地后端碳源不足的問題以提高氮污染物的去除效果。

潛流人工濕地 豬場廢水 垂向分布 沿程變化

人工濕地作為新興的污水處理工藝，具有建造、運(yùn)行、管理費(fèi)用低，操作簡便，處理效果好，對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、暴雨徑流、養(yǎng)殖業(yè)廢水等不同類型廢水的二級、三級處理中[1-3]。人工濕地是基質(zhì)、植物、微生物共存的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，主要有表面流人工濕地、潛流人工濕地兩種類型[4]。潛流人工濕地中污水在地表以下的基質(zhì)中流動，具有衛(wèi)生條件好、能承受較大水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷等特點(diǎn)，可用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢水的處理[5]。

通常認(rèn)為，人工濕地系統(tǒng)中污染物的凈化主要通過系統(tǒng)內(nèi)各要素間的物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)[6]。由于人工濕地凈化機(jī)理較復(fù)雜，目前被稱為水質(zhì)凈化的“黑箱效應(yīng)”[7]，有關(guān)人工濕地的研究多集中在污染物凈化效果上，對污染物在濕地系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)化規(guī)律、濕地沿程變化和空間分布研究較少[8]。水平潛流人工濕地對COD、BOD和總懸浮顆粒物(TSS)去除效果好，對氮、磷的去除效果不理想[9]，為改進(jìn)水平潛流人工濕地的處理效果，本研究構(gòu)建了內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的4個(gè)潛流人工濕地單元處理厭氧消化后的豬場廢水[10-11]，對4個(gè)濕地單元中污染物的沿程變化和垂向分布進(jìn)行研究，為探討潛流人工濕地中污染物去除機(jī)制及人工濕地的設(shè)計(jì)、管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 潛流人工濕地的構(gòu)建

構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的4個(gè)潛流人工濕地單元(見圖1)，人工濕地試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃加工制成，裝置長、寬、高分別為1.60、0.40、0.60 m，濕地進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)長度均為0.10 m。為方便采集濕地中的水樣，在每個(gè)濕地中沿程設(shè)置4個(gè)取樣點(diǎn)(1#～4#)，各取樣點(diǎn)豎向插入取樣管4根，距進(jìn)水口位置分別為0.38、0.66、0.94、1.22 m，取樣管內(nèi)徑4 cm。濕地單元1為改進(jìn)波形潛流人工濕地(IW-SFCW)，濕地內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流墻，導(dǎo)流墻與濕地同寬，厚、高均為0.25 m。濕地單元2為波形潛流人工濕地(W-SFCW)，濕地內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流板，3個(gè)導(dǎo)流板與濕地同寬，導(dǎo)流板a、c均高0.30 m，導(dǎo)流板b高0.50 m，距濕地底部0.10 m。濕地單元3是傳統(tǒng)潛流人工濕地(SFCW)。濕地單元4結(jié)構(gòu)與濕地單元3一樣，但不栽培植物，為對照濕地(CK-CW)。4個(gè)濕地單元裝填材料一致，共分為3層：最下層為直徑30～40 mm碎石和粉碎加氣塊(體積比1∶1)混合填料，裝填高度25 cm；中間層為直徑20～30 mm碎石和粉碎加氣塊(體積比1∶1)混合填料，裝填高度20 cm；最上層鋪設(shè)厚度10 cm的基質(zhì)層，由直徑5～8 mm的陶粒、珍珠巖和砂礫(體積比1∶1∶1)組成，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土壤層栽培植物[12]，進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)填料為直徑50 mm左右的鵝卵石。

1.2 濕地進(jìn)水水質(zhì)及濕地單元的運(yùn)行方式

試驗(yàn)用水為某養(yǎng)豬場經(jīng)預(yù)處理及厭氧消化后的豬場廢水，根據(jù)濕地中栽培植物對廢水氮、磷的耐受濃度，用自來水對實(shí)際豬場廢水進(jìn)行稀釋，根據(jù)需要分別用蔗糖、硫酸銨、磷酸二氫鉀調(diào)整進(jìn)水COD、TN、氨氮、TP，濕地進(jìn)水水質(zhì)見表1。

濕地采用連續(xù)進(jìn)水方式，流速由進(jìn)水閥控制，濕地水位控制在0.45 m。本研究在濕地穩(wěn)定運(yùn)行1年后的夏季進(jìn)行，栽培植物為大狼把草，植物種植密度約為25～30棵/m2。試驗(yàn)期間植物長勢良好，濕地水力停留時(shí)間(HRT)為4 d，每個(gè)濕地單元處理水量約為0.032 m3/d。

1.3 水樣采集與水質(zhì)指標(biāo)測定方法

1.3.1 水樣采集及水質(zhì)指標(biāo)測定

濕地單元沿程水樣由取樣管采集，其中上層、中層及下層取樣位置分別為水位下0.05、0.20、0.35 m。每天固定時(shí)段取樣，及時(shí)測定水質(zhì)指標(biāo)。其中，COD采用重鉻酸鉀消解—硫酸亞鐵銨滴定法測定；TP采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑可見分光光度法測定；TN采用過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定，具體分析方法主要參照文獻(xiàn)[13],所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

圖1 4種潛流人工濕地單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of 4 types of subsurface flow constructed wetland

項(xiàng)目COD/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)氨氮/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)pH范圍470～550110～140100～1368～137.0～8.0

1.3.2 研究方法

首先對4個(gè)濕地單元污染物濃度沿程變化及垂向分布分別進(jìn)行分析。由于4個(gè)濕地單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)和有無植物的不同，濕地上層和下層結(jié)構(gòu)對水樣污染物濃度影響較大，因此取中層水樣為代表，對4個(gè)濕地單元之間的污染物濃度沿程變化進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD沿程變化及垂向分布

4個(gè)濕地單元COD的沿程變化及垂向分布比較見表2。由表2可見，CK-CW中COD濃度沿程變化規(guī)律不明顯，栽培植物的3個(gè)濕地單元(IW-SFCW、W-SFCW、SFCW)COD濃度沿程逐漸降低，4個(gè)取樣點(diǎn)COD濃度差異顯著(P<0.05)，這可能是由于波形潛流人工濕地中加有導(dǎo)流墻或?qū)Я靼迨刮鬯什ㄐ瘟鲬B(tài)，延長了污水的流程，SFCW中污水和植物根系能充分接觸，有利于植物根系把溶解氧擴(kuò)散到濕地中，使?jié)竦刂械挠袡C(jī)物有效降解。4個(gè)濕地單元中，接近進(jìn)水端的1#取樣點(diǎn)COD濃度在垂向分布上均差異顯著(P<0.05)，IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中COD濃度從上至下依次遞減，而CK-CW中COD垂向變化規(guī)律不明顯；在接近出水端的4#取樣點(diǎn)，SFCW分層現(xiàn)象不明顯，這可能與水流流動方式和植物的吸收有關(guān)，具體原因還有待于進(jìn)一步研究，而CK-CW的中、下層COD濃度相對較高，這可能是CK-CW中的水流以推流式沿著濕地的下層向出水口流動[14]。濕地進(jìn)水COD約在520 mg/L，CK-CW中80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右的COD在1#取樣點(diǎn)前段被去除，隨后COD去除效果大幅下降，2#取樣點(diǎn)后COD幾乎不發(fā)生變化，而栽培植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW，雖然COD去除也集中在濕地前端，但COD的去除效果一直延續(xù)到整個(gè)濕地處理過程。

對4個(gè)濕地中層水樣的COD沿程變化進(jìn)行比較，1#取樣點(diǎn)IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中層COD濃度差異不顯著(P>0.05)，隨著水流進(jìn)程，IW-SFCW與W-SFCW、SFCW中層COD濃度差距逐漸增大，說明IW-SFCW內(nèi)部增加導(dǎo)流墻對有機(jī)物的去除有顯著作用。CK-CW中層COD濃度沿程逐漸增加，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是廢水中的有機(jī)物首先被吸附在可沉淀顆粒表面及濕地基質(zhì)中，然后被濕地中的微生物逐漸降解，隨著水流進(jìn)程，水中的溶解氧逐漸被消耗，易被降解的有機(jī)物濃度降低，在濕地后端基質(zhì)上吸附的不易被降解的有機(jī)物可能釋放到水體中，導(dǎo)致COD的去除效果沒有提高反而略有下降，而栽有植物濕地中由于植物根系能傳輸溶解氧，所以濕地沿程COD的濃度呈逐漸降低趨勢。

2.2 TP的沿程變化及垂向分布

4個(gè)濕地單元TP的沿程變化及垂向分布比較見表3。由表3可見，4個(gè)濕地單元TP濃度均沿程逐漸降低，栽種植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中TP濃度沿程變化相對更明顯。研究認(rèn)為，濕地基質(zhì)對磷的吸附是濕地除磷的主要因素，本試驗(yàn)中所用濕地基質(zhì)對磷的吸附效果較好,因此隨著水流進(jìn)程，濕地水樣TP濃度逐漸降低。雖然植物吸收對磷的去除作用相對有限，但由于植物根系和濕地基質(zhì)能形成一種特殊的生物膜，因此濕地植物對廢水的凈化過程中仍具有相當(dāng)重要的作用[15]。IW-SFCW、W-SFCW、SFCW的TP濃度垂向分布不規(guī)律，而CK-CW下層TP濃度明顯高于上層和中層。濕地單元進(jìn)水TP在10 mg/L左右，4個(gè)濕地單元中約70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TP集中在1#取樣點(diǎn)前端被去除，CK-CW前端對TP的去除效果更加明顯，因此后期的濕地設(shè)計(jì)中應(yīng)調(diào)整合適的長寬比以提高濕地對廢水中污染物的凈化效果。

表2 4個(gè)濕地單元中COD的沿程變化及垂向分布

表3 4個(gè)濕地單元中TP的沿程變化及垂向分布

表4 4個(gè)濕地單元中氨氮的沿程變化及垂向分布

從4個(gè)濕地中層水樣中TP濃度沿程變化可以看出，3個(gè)栽種植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW在相同取樣點(diǎn)的TP濃度總體差別不大，可見濕地結(jié)構(gòu)的變化對TP去除效果影響較小。IW-SFCW、W-SFCW、SFCW與CK-CW的中層TP濃度在1#、4#取樣點(diǎn)處有顯著性差異(P<0.05)，可見植物影響濕地中TP的沿程分布，但濕地在去除TP時(shí)是濕地填料及填料表面生物膜發(fā)揮著重要作用[16]。

2.3 氨氮的沿程變化及垂向分布

4個(gè)濕地單元氨氮的沿程變化及垂向分布比較見表4。由表4可見，栽種植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW氨氮濃度沿程逐漸降低，沿程變化有顯著性差異(P<0.05)；IW-SFCW各采樣點(diǎn)氨氮濃度垂向分布差異顯著(P<0.05)，W-SFCE、SFCW與CK-CW氨氮濃度垂向分布差異不顯著(P>0.05)。CK-CW中層氨氮濃度略高，原因可能是濕地下層硝化作用較強(qiáng)，對氨氮的轉(zhuǎn)化作用更強(qiáng)，而揮發(fā)作用使上層氨氮濃度小于中層。研究認(rèn)為，人工濕地主要通過植物吸收、填料吸附及微生物的硝化、反硝化作用對廢水的氮污染物進(jìn)行去除和轉(zhuǎn)化[17]，從表4可以看出，濕地植物、濕地結(jié)構(gòu)變化對氨氮的去除都有貢獻(xiàn)，CK-CW的氨氮去除主要集中在濕地進(jìn)水端。盡管植物在濕地污染物的去除中不能占主要作用，但植物根系在生長、腐爛、死亡過程中均能提高濕地基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性能[18]，因此在人工濕地中栽培植物有利于延緩濕地的堵塞現(xiàn)象。

表5 4個(gè)濕地單元中TN的沿程變化及垂向分布

從4個(gè)濕地中層水樣氨氮濃度沿程變化可以看出，IW-SFCW、W-SFCW、SFCW在1#取樣點(diǎn)氨氮濃度差異顯著(P<0.05)，但在4#取樣點(diǎn)氨氮濃度差異不顯著(P>0.05)，原因可能是沿水流進(jìn)程水體中有機(jī)物濃度逐漸降低，造成濕地中碳源不足，導(dǎo)致氨氮去除率降低，因此濕地后端濕地結(jié)構(gòu)的變化對氨氮濃度影響不顯著，但與CK-CW中層氨氮濃度比較，仍有顯著性差異(P<0.05)，應(yīng)該是濕地中植物的吸收利用導(dǎo)致。污染物降解要消耗溶解氧，溶解氧濃度在一般潛流濕地中較低，氨氮的去除率由于硝化作用的限制也較低，但在夏季由于氣溫較高，植物生長代謝速度加快，根系泌氧能力增強(qiáng)，濕地中氨氮的去除率因根系周圍硝化作用增強(qiáng)而提高，濕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變使硝化作用也受影響。

2.4 TN的沿程變化及垂向分布

4個(gè)濕地單元TN的沿程變化及垂向分布比較見表5。由表5可見，栽種植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW沿程TN濃度逐漸降低，各取樣點(diǎn)TN濃度差異顯著(P<0.05)，而CK-CW的TN濃度沿程及垂向比較均差異不顯著(P>0.05)，氮污染物在CK-CW中主要集中在進(jìn)水端去除。在濕地運(yùn)行穩(wěn)定后，氮污染物的去除途徑主要是濕地中微生物的硝化作用、反硝化作用[19]。本研究中IW-SFCW、W-SFCW的特殊設(shè)計(jì)，使?jié)竦卮搀w更易于出現(xiàn)局部好氧、厭氧交替環(huán)境，有利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌發(fā)揮作用，因此提高了濕地中TN去除率。一般情況下水平潛流濕地是基于推流原理設(shè)計(jì)，但大多潛流濕地的水流呈現(xiàn)非完全推流運(yùn)動而是在運(yùn)行過程中出現(xiàn)斜向下運(yùn)動[20]，因此4個(gè)濕地TN垂向分層現(xiàn)象總體不明顯。

從4個(gè)濕地中層水樣TN濃度沿程變化可以看出,IW-SFCW、W-SFCW、SFCW在1#、3#、4#取樣點(diǎn)的TN濃度與CK-CW相比差異顯著(P<0.05)，說明植物在TN去除過程中具有一定作用。此外，IW-SFCW、W-SFCW中由于導(dǎo)流墻或?qū)Я靼宓淖饔檬怪参锔蹬c廢水充分接觸，對氮污染物的去除效果優(yōu)于SFCW。

此外，4個(gè)濕地對TN去除率總體在50%左右，說明濕地對氮污染物去除效果較差。濕地對氮污染物的去除主要受濕地中溶解氧濃度、碳源及pH等多種因素的影響[21]，改變濕地結(jié)構(gòu)和栽培植物雖然能調(diào)整濕地溶解氧的濃度，但濕地后端可能碳源不足，導(dǎo)致濕地中C/N較低，因此濕地對氮污染物的去除率較低。

3 結(jié) 論

(1) 總體看來，污染物濃度在栽種植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中沿程逐漸降低，與CK-CW相比，栽培植物、改變濕地結(jié)構(gòu)對廢水中污染物的去除效果有顯著性差異。

(2) 廢水中的污染物主要集中在濕地的進(jìn)水端被去除，這種現(xiàn)象在CK-CW中尤為突出，因此后期的濕地設(shè)計(jì)中應(yīng)調(diào)整合適的長寬比以提高濕地對廢水中污染物的凈化效果。

(3) 4個(gè)濕地對氮污染物的去除效果有待提高，改變濕地結(jié)構(gòu)和栽培植物雖然能調(diào)整濕地溶解氧濃度，但濕地后端碳源不足，導(dǎo)致濕地中C/N較低，使?jié)竦氐腡N去除效果較差。后期應(yīng)著重解決濕地后端碳源不足的問題以提高濕地對氮污染物的去除效果。

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Studyonpollutantson-wayvariationandverticaldistributioninsubsurfaceflowconstructedwetland

ZHANGCaiying1，WANGYan2,WANGYanyan2.

(1.SchoolofLifeScienceandTechnology,NanyangNormalUniversity,NanyangHenan473061；2.SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,ZhengzhouHenan450001)

Four subsurface flow constructed wetlands (improved wavy subsurface flow constructed wetland (IW-SFCW),wavy subsurface flow constructed wetland (W-SFCW),subsurface flow constructed wetland (SFCW),control check constructed wetland with no plant (CK-CW)) were constructed to treat anaerobic digester effluent from swine wastewater. The pollutants on-way variation and vertical distribution in wetland units were investigated. The results showed that：(1) the pollutants on-way variation as a whole were gradually decreased in the wetlands cultivated plants including IW-SFCW,W-SFCW,SFCW. There were significant differences in the pollutants removal efficiency caused by cultivating plants and changing the wetland structure. (2) The removal of pollutants in four wetland units was mainly concentrated in the inlet part of wetlands. This phenomenon was particularly prominent in the CK-CW,so it was necessary to improve the purification efficiency by determining the appropriate aspect ratio in the future design of wetlands. (3) The nitrogen removal efficiency of the four wetlands was unsatisfied， the insufficient carbon source in the end of wetland should be focused to improve the removal efficiency of nitrogen pollutants.

subsurface flow constructed wetland; livestock wastewater; vertical distribution; on-way variation

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.014

張彩瑩，女，1970年生，博士，副教授，主要從事養(yǎng)殖廢水處理方面的研究。

*河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(No.152102310109)。

2017-08-01)