宋柯崢，胡昀

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的逐漸提升，我國(guó)廢水排放量逐漸增加，2016年全國(guó)廢污水排放總量765億噸，廢污水經(jīng)處理后，最終直接排入江河、湖、海域和水庫(kù)等水環(huán)境[1].污水處理廠處理后的尾水具有排放量大、氮磷濃度高、有機(jī)物濃度低、組成成分龐雜等特點(diǎn)，多數(shù)尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中最嚴(yán)格的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)后排入地表水體，而一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，處理后的尾水若直接排放仍會(huì)對(duì)受納水體造成二次污染，因此常需要根據(jù)排放或回收利用要求有針對(duì)性地對(duì)尾水進(jìn)行處理，如何深度處理尾水成為水污染控制技術(shù)的關(guān)鍵[2-4].

目前，污水處理廠尾水深度凈化主要采用膜技術(shù)、高級(jí)氧化技術(shù)與人工濕地生態(tài)技術(shù)[5].膜處理技術(shù)可以去除細(xì)菌、病毒、營(yíng)養(yǎng)鹽、腐殖酸和總?cè)芙庑怨腆w等，但其強(qiáng)度差、壽命短、抗污能力差，具有極高的運(yùn)行成本[6].高級(jí)氧化技術(shù)對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果不好[7].人工濕地作為一種污水生態(tài)處理技術(shù)利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化，使水質(zhì)得到改善，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的生態(tài)化處理，并廣泛應(yīng)用于面源污染控制、雨水處理和污水處理等領(lǐng)域，具有投資及維護(hù)費(fèi)用低、出水水質(zhì)好、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)[8-9].濕地植物作為人工濕地重要組成部分之一，也起著至關(guān)重要的作用，有學(xué)者研究不同濕地植物對(duì)生活污水的凈化效果，結(jié)果表明種植美人蕉(Cannaindica)的人工濕地對(duì)污水中氮的凈化效果較種植其他植物的濕地好[10].岑璐瑤等[11]研究種植不同植物的人工濕地深度處理尾水的的凈化效果，研究表明美人蕉濕地對(duì)氨氮和總磷去除效果最好，平均去除率分別為76.33%和79.43%，總體來(lái)說(shuō)美人蕉在吸氮納磷方面相對(duì)較好.本文中選擇美人蕉作為濕地植物，通過(guò)研究不同構(gòu)型人工濕地對(duì)尾水的處理效果，探討溫度、pH、進(jìn)水因素等對(duì)濕地系統(tǒng)凈化能力的影響，以期為更高效運(yùn)用人工濕地處理污水處理廠尾水提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 水平流人工濕地 3套水平流人工濕地系統(tǒng)尺寸均為70 cm×50 cm×50 cm(L×W×H)，有效容積為0.05 m3.裝置用兩塊篩板隔開成3部分：布水區(qū)、主體區(qū)域和集水區(qū)域，其中布水區(qū)與集水區(qū)域使用碎石作為填料，碎石粒徑5～8 mm，主體區(qū)域使用河沙作為填料，河沙粒徑0～4 mm，3個(gè)區(qū)域填料填充高度均為40 cm，基質(zhì)上種植密度為40株/m2的美人蕉.水平流裝置進(jìn)水從布水區(qū)流向集水區(qū).

1.1.2 垂直流人工濕地 3套垂直流人工濕地系統(tǒng)尺寸均為25 cm×100 cm(D×H)，有效容積為0.05 m3.垂直流的下層填充5 cm高、粒徑5～8 mm的礫石，上層填充75 cm高、粒徑在0～4 mm的河沙，基質(zhì)上種植密度為40株/m2的美人蕉.垂直流濕地系統(tǒng)水流方式為從上向下.

1.2儀器與試劑紫外/可見分光光度計(jì)(UV-754 上海精密儀器廠)，電子分析天平(PT-A-20 福州華志科學(xué)儀器廠)，消解用高壓滅菌鍋(GF36DX 美國(guó)致微)，電熱恒溫水浴鍋(BSG-24 上海一恒)，化學(xué)需氧量恒溫加熱器(JC-101 青島聚創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司)，精密pH計(jì)(PHS3-3C 上海雷磁儀器廠)；氫氧化鈉、過(guò)硫酸鉀、酒石酸鉀鈉、碘化鉀、氨基磺酸、重鉻酸鉀、硫酸銀、鉬酸鹽、葡萄糖、硝酸鉀、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、七水硫酸鎂、五水硫酸銅、四水氯化錳均為分析純并購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.人工配水：葡萄糖56.6 mg/L，硝酸鉀86.57 mg/L，氯化銨30.56 mg/L，磷酸二氫鉀136.09 mg/L，氯化鈣2.5 mg/L，七水硫酸鎂27.5 mg/L，七水硫酸鋅30 mg/L，五水硫酸銅7.5 mg/L，四水氯化錳30 mg/L.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)總時(shí)間為1-5月，采用間歇式人工配水的方式進(jìn)水.試運(yùn)行階段為1-3月，進(jìn)水為自來(lái)水，水力停留時(shí)間為6 d，待植物、生物膜生長(zhǎng)好后，即系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)階段為3-5月，模擬《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)出水作為濕地進(jìn)水條件.每個(gè)系統(tǒng)每次進(jìn)水量為25 L，水力停留時(shí)間為6 d.每次現(xiàn)場(chǎng)取樣均對(duì)進(jìn)出水的氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)和pH進(jìn)行測(cè)定.進(jìn)水水質(zhì)平均值NH4+-N為(7.95±0.47)mg/L、NO3--N為(12.37±0.68)mg/L、TN為(21.13±1.11)mg/L、TP為(1.02±0.11)mg/L、COD為(65.23±5.71)mg/L、pH為(7.65±0.19)mg/L；最低氣溫平均值為(19.00±3.12)℃；最高氣溫平均值為(28.80±3.22)℃.

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及分析方法

1.3.2 水質(zhì)測(cè)定方法 水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括pH、COD、TN、NO3--N、NH4+-N、TP，各項(xiàng)指標(biāo)分析方法見表1.

1.3.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 垂直流人工濕地和水平流人工濕地凈化效果數(shù)據(jù)差異顯著性采用SPASS23.0軟件Student T檢驗(yàn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05視為差異性顯著；Pearson相關(guān)系數(shù)用來(lái)分析各水質(zhì)指標(biāo)與去除率之間的關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)需氧量的去除效果COD是評(píng)價(jià)污染水體中有機(jī)污染的重要指標(biāo).如圖1所示，濕地進(jìn)水COD濃度為58.92～74.67 mg/L，經(jīng)過(guò)水平流和垂直流人工濕地系統(tǒng)處理后，出水COD濃度明顯降低，水平流人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除率為47%～66%，垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除率為41%～52%，水平流濕地系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率53.5%明顯高于垂直流人工濕地系統(tǒng)47.3%(P<0.05).在人工濕地中COD的去除主要由基質(zhì)攔截、植物吸收以及微生物降解，微生物好氧降解COD與周圍環(huán)境含氧量相關(guān)[10].本實(shí)驗(yàn)中水平流和垂直流濕地系統(tǒng)中基質(zhì)和植物種植密度相同，水平流濕地系統(tǒng)基質(zhì)相對(duì)較淺、處于有氧環(huán)境，而垂直流濕地系統(tǒng)較深，水隨重力的作用下使全部聚集在裝置底部的缺氧環(huán)境之中，在該情況下有機(jī)物厭氧降解速度比好氧代謝慢，因此垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除率比水平流濕地系統(tǒng)低.

圖1 COD進(jìn)出水濃度及其去除率

圖2 氨氮進(jìn)出水濃度及其去除率

2.2 氨氮的去除效果如圖2所示，濕地進(jìn)水濃度氨氮平均濃度在7.95 mg/L左右，經(jīng)水平流人工濕地處理后出水濃度可降至0.13 mg/L，經(jīng)垂直流人工濕地處理后出水濃度可降至0.05 mg/L，均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的I級(jí)標(biāo)準(zhǔn).垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的平均去除率為90.2%,略高于水平流人工濕地(83.6%)，這與Yalcuk等人研究結(jié)果相似[11].隨著濕地系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，氨氮的去除率逐漸上升直至趨于穩(wěn)定，這與Hu等的研究結(jié)果類似，進(jìn)水中氨氮的去除主要是基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)、植物吸收和根系微生物的硝化作用，氨氮去除率的逐漸上升可能是因?yàn)闈竦叵到y(tǒng)中植物和微生物膜逐漸長(zhǎng)好，大部分氨氮通過(guò)植物吸收以及微生物的硝化作用得以去除[12].

圖3 硝態(tài)氮進(jìn)出水濃度及其去除率

2.3 硝態(tài)氮的去除效果硝態(tài)氮是氮元素穩(wěn)定存在的形式，為濕地系統(tǒng)進(jìn)、出水中氮元素的主要組成部分，硝態(tài)氮的去除主要是靠微生物的反硝化作用，氧氣會(huì)抑制微生物反硝化酶類的活性，因此在缺氧環(huán)境微生物更容易降解硝態(tài)氮.如圖3所示，進(jìn)水硝態(tài)氮平均濃度在12.37 mg/L，經(jīng)垂直流和水平流人工濕地系統(tǒng)處理后可降低到4.9 mg/L，去除率可高達(dá)62%,與先前一些學(xué)者報(bào)道的去除率98.5%仍有一定差距[13].尾水一般呈現(xiàn)氮素高度硝化且碳源不足的水質(zhì)特點(diǎn)，因此人工濕地系統(tǒng)一定要解決碳源不足抑制反硝化而導(dǎo)致硝態(tài)氮去除率低的問(wèn)題.

2.4 總氮的去除效果起初進(jìn)水總氮平均濃度為21.13 mg/L，由于進(jìn)水總氮的組成中硝態(tài)氮占了3/5左右，不同人工濕地總氮的去除率曲線和硝態(tài)氮的去除率曲線相似，從圖4中可以看出，水平流和垂直流濕地系統(tǒng)出水總氮濃度分別可降至5.22 mg/L和4.66 mg/L，垂直流人工濕地系統(tǒng)平均總氮去除率60.6%顯著高于水平流人工濕地系統(tǒng)56.3%(P<0.05)，說(shuō)明垂直流人工濕地系統(tǒng)去除總氮的能力強(qiáng)于水平流人工濕地系統(tǒng)，可能是因?yàn)榇怪绷鳚竦叵到y(tǒng)下部的飽和水層，形成了系統(tǒng)底部的厭氧環(huán)境，而上部由于植物根系的輸氧和表層復(fù)氧處于缺氧或好氧狀態(tài)，這種好氧與厭氧條件的共存與交替當(dāng)于若干個(gè)微小的A/O工藝串聯(lián)，為根系好氧、兼性厭氧和厭氧微生物提供了不同的微生境有利于微生物脫氮過(guò)程中的硝化、反硝化作用[14].

2.5 總磷的去除效果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)初期進(jìn)水總磷平均濃度為1.02 mg/L，垂直流濕地系統(tǒng)去除總磷效果優(yōu)于水平流濕地系統(tǒng)，可能是因?yàn)榇怪绷鳚竦乇人搅鳚竦厮鞲鼊×摇⒊两稻嚯x更長(zhǎng)，污水在流動(dòng)過(guò)程中與基質(zhì)和植物接觸更充分，基質(zhì)吸附和截留效果更好.后續(xù)隨著時(shí)間的推移，出水總磷濃度逐漸增加并高于進(jìn)水濃度，降解率明顯降低.濕地系統(tǒng)對(duì)總磷的去除可通過(guò)基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物降解，其中基質(zhì)的吸附沉淀占主導(dǎo)作用[15].本實(shí)驗(yàn)基質(zhì)使用的是河沙，自身對(duì)磷的吸附能力很差，當(dāng)基質(zhì)吸附磷達(dá)到飽和時(shí)磷便難以被除去；此外，水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致微生物厭氧釋磷，因而濕地系統(tǒng)整體去除磷的能力比較差.

圖4 總氮進(jìn)出水濃度及其去除率

圖5 總磷進(jìn)出水濃度及其去除率

2.6 水質(zhì)指標(biāo)與去除率相關(guān)性研究為探究各指標(biāo)去除率之間的關(guān)系，我們用Pearson對(duì)每個(gè)變量做了相關(guān)性分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表2和3.從表中可以看出，垂直流和水平流濕地系統(tǒng)中進(jìn)水氨氮濃度分別與總氮、硝態(tài)氮和氨氮去除率顯著相關(guān)，說(shuō)明進(jìn)水氨氮濃度很大程度上影響著濕地對(duì)氮的去除，同時(shí)氣溫與總氮、硝態(tài)氮和氨氮去除率具有顯著相關(guān)性，說(shuō)明氣溫是影響人工濕地系統(tǒng)脫氮的一個(gè)關(guān)鍵因素.在水平流濕地系統(tǒng)中進(jìn)水pH值與總氮和氨氮去除率有顯著相關(guān)性，在垂直流濕地系統(tǒng)中進(jìn)水pH值與硝態(tài)氮去除率顯著相關(guān)，表明進(jìn)水pH值一定程度上與濕地脫氮相關(guān).在垂直流人工濕地系統(tǒng)中COD與各種形態(tài)氮的去除率顯著相關(guān)，說(shuō)明進(jìn)水COD的值影響著濕地系統(tǒng)脫氮的效率.

表2 水平流各指標(biāo)去除率間的相關(guān)性系數(shù)

* 表示在 0.05 相關(guān)性顯著；** 表示在 0.01 相關(guān)性顯著；— 表示非顯著性相關(guān)

表3 垂直流各指標(biāo)去除率間的相關(guān)性系數(shù)

* 表示在 0.05 相關(guān)性顯著；** 表示在 0.01 相關(guān)性顯著；- 表示非顯著性相關(guān)

3 結(jié)論

人工濕地運(yùn)行初期凈化效果不理想，隨著植物、生物膜長(zhǎng)好，濕地運(yùn)行逐漸穩(wěn)定，凈化效果明顯上升，COD、氨氮、硝態(tài)氮、總氮去除率可分別高達(dá)66%、98%、62%、79%，其中氨氮經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn).總氮、氨氮、總磷在垂直流濕地系統(tǒng)中的去除率均高于水平流濕地系統(tǒng)，COD在水平流濕地系統(tǒng)中的去除率(53.5%)卻高于垂直流濕地系統(tǒng)(47.3%)，通過(guò)對(duì)水平流和垂直流濕地凈化尾水效果的分析比較,表明構(gòu)型的不同會(huì)產(chǎn)生不同的水力學(xué)特征，處理過(guò)程中水流狀態(tài)和路徑不同，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)境影響因素如微生物、溶解氧等分布不同，垂直流濕地系統(tǒng)比水平流人在污水與基質(zhì)、植物接觸和沉降、微生物多樣性分布方面更具優(yōu)勢(shì).Pearson相關(guān)性分析表明人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)水氨氮濃度和氣溫對(duì)總氮、氨氮、硝態(tài)氮的去除具有顯著影響.