萬 蕾,張 妮

(徐州工程學院環(huán)境工程學院，江蘇 徐州 221018)

前 言

隨著污水排放量的增加和對污染物排放濃度的限制的提高，越來越多的組合工藝應用于污水處理中[1～4]。人工濕地作為一種高效、節(jié)能的新型污水處理技術，在世界各地被廣泛應用于地表水、生活污水甚至工業(yè)廢水和垃圾滲濾液的處理中[5～8]，但是其也存在工藝不穩(wěn)定、受季節(jié)影響大及占地面積大等缺點。因此，為了最大程度發(fā)揮其優(yōu)點，人工濕地常常與其它工藝組成組合工藝來凈化污水，例如生物濾池-人工濕地組合工藝、接觸氧化池-人工濕地組合工藝、SBBR-人工濕地組合系統(tǒng)[9～12]，這些組合工藝都有成功運行的實例。目前這些組合工藝都是采用的串聯(lián)的形式，存在占地面積大，管理維護復雜等缺點。

本研究通過構建新型生態(tài)接觸床，采用淺層人工濕地和生物接觸池并聯(lián)的形式，研究其對污水中總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)的去除效率，探討了不同季節(jié)及不同濕地植物對污染物的去除率，為新型工藝的工程應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗采用的裝置如圖1所示，主要包括淺層人工濕地、支撐結(jié)構、生物接觸氧化池。淺層人工濕地置于上層，采用鏤空塑料筐裝填礫石，生物接觸氧化池置于下層，立體彈性生物膜填料懸掛于塑料筐底部。其中1、淺層人工濕地植物 2、人工濕地內(nèi)部硬質(zhì)濾料(礫石) 3、進水區(qū) 4、塑料容器 5、穿孔布水板 6、彈性生物填料 7、集水板 8、塑料筐 9、集水區(qū)。整個生態(tài)接觸床采用塑料容器作為外表面(58cm×44cm×35cm)，上層淺層人工濕地深度10cm，硬質(zhì)填料采用粒徑0.6～1cm的礫石。礫石上種植具有凈化能力且根系較發(fā)達的耐寒水生植物。塑料筐作為中間支撐結(jié)構，下層生物接觸氧化池，深度25cm，內(nèi)部懸掛生物膜填料。

圖1 生態(tài)接觸床剖面示意圖Fig.1 Eco-contact bed section diagram

1.2 實驗方案

試驗用水采用C6H12O6、NaNO3、KH2PO4分別作為碳源、氮源和磷源來模擬富營養(yǎng)化污水，并投加少量花園土保證植物生長所需要的微量元素。其中，進水TN濃度為2mg/L左右，TP濃度為0.2mg/L左右，有機物(高錳酸鹽指數(shù))濃度為40mg/L左右。設置4個實驗組，分別種植水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、花葉蘆竹(Arundodonax‘Versicolor’)，還有一組為無植物對照組。設計進水流量10L/d，水力停留時間4d，采樣頻率4天一次，在集水區(qū)下部取樣，每次采集100ml水樣進行檢測。每組各設置一個平行樣，測定出水的TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)，取平均值進行分析，測定方法參考參考國家環(huán)境保護局《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)進行。實驗時間為5～6月及當年10～11月，每天記錄氣溫變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 春夏季污水凈化效果

5月1日將植物種植到生態(tài)接觸床上，1周以后正式進水開始實驗。5月～6月間，最低和最高氣溫分別為24℃和31℃，平均氣溫為27.1℃，氣溫變化如圖2所示。實驗期間TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的濃度變化如圖3～5。由圖3可以看出，春夏季4種生態(tài)接觸床對TN去除效果較好，4種生態(tài)接觸床均在第50天時，去除效果達到最好。第50天時，無植物組生態(tài)接觸床出水TN濃度為0.54mg/L，水芹為0.56mg/L，菖蒲為0.53mg/L，花葉蘆竹為0.63mg/L，去除率分別為73.1%、72.0%、73.6%、68.7%，種植菖蒲的生態(tài)床效果最好。經(jīng)方差分析，在p=0.05水平下，各實驗組差異不顯著(p=0.152)。

圖2 春夏季溫度變化圖Fig.2 Temperature variation in spring and summer

圖3 春夏季TN濃度變化Fig.3 TN concentration changes in spring and summer

由圖4可以看出，在實驗第12天之前，TP濃度下降較快，12天以后TP濃度下降較為平緩，至實驗50天，達到最好的去除效果，4種生態(tài)接觸床對TP的去除率分別為87.5%、84.5%、76.5%、71.5%，無植物床去除率最高，水芹次之。經(jīng)方差分析，各實驗組差異顯著(p<0.001)。

圖4 春夏季TP濃度變化Fig.4 TP concentration changes in spring and summer

圖5為4種生態(tài)接觸床對水體中有機質(zhì)的凈化效果變化圖。由圖中可以看出，春夏季，4種生態(tài)接觸床對有機質(zhì)的去除效果較好，在第50天時，去除率分別為51.8%、59.8%、55.8%、52.0%，水芹生態(tài)床凈化效果最好。經(jīng)方差分析，各實驗組差異顯著(p=0.004)。

圖5 春夏季高錳酸鹽指數(shù)變化Fig.5 Permanganate index changes in spring and summer

2.2 秋冬季污水凈化效果

圖6為秋冬季實驗期間氣溫變化圖，在此期間，最低和最高氣溫分別為-2℃和18℃，平均氣溫為8.8℃。圖7顯示了秋冬季4種生態(tài)接觸床TN濃度的變化。在10月初到11月中旬，4種生態(tài)接觸床對TN有著較好的去除效果。隨著氣溫的降低，植物部分枯萎，11月中旬后，4種生態(tài)接觸床TN出水濃度下降緩慢，隨著植物慢慢適應環(huán)境，到12月中旬出水趨于穩(wěn)定。至實驗結(jié)束時，去除率分別為79.5%、77.0%、77.0%、79.5%，無植物和花葉蘆竹生態(tài)床效果相當好于水芹和菖蒲組。經(jīng)方差分析，各實驗組差異顯著(p=0.017)。

圖6 秋冬季溫度變化圖Fig.6 Temperature variation in autumn and winter

圖7 秋冬季TN濃度變化Fig.7 TN concentration changes in autumn and winter

圖8為秋冬季4種生態(tài)接觸床TP濃度變化。11月中旬由于氣溫相對適宜(平均氣溫為13℃)，TP出水濃度下降較快。后期由于植物生長緩慢，加之氣溫的降低，4種生態(tài)接觸床中的TP濃度呈平穩(wěn)緩慢的趨勢下降。至實驗結(jié)束時，去除率分別為88.5%、73.5%、88.0%、73.5%，無植物組和菖蒲生態(tài)床效果較好。經(jīng)方差分析，各實驗組差異顯著(p<0.001)。

圖8 秋冬季TP濃度變化Fig.8 TP concentration changes in autumn and winter

秋冬季，溫度下降，植物生長緩慢，其供氧氣的能力也隨之下降，微生物活性降低，有機質(zhì)的去除能力也下降。由圖9可以看出，秋冬季，水芹有機質(zhì)出水濃度下降較快，對有機質(zhì)的去除效果較好。同樣在實驗前期，10月初到11月中旬，氣溫適宜，有機質(zhì)大量去除。到實驗后期，隨著氣溫下降，4種生態(tài)接觸床對有機質(zhì)的去除效果緩慢。實驗結(jié)束時，無植物組對水中有機質(zhì)的總體去除率達到65.9%，水芹的總體去除率達到88.8%，菖蒲的總體去除率達到70.2%，花葉蘆竹的總體去除率達到70.1%，水芹效果最好。經(jīng)方差分析，各實驗組差異顯著(p<0.001)。

圖9 秋冬季高錳酸鹽指數(shù)變化Fig.9 Permanganate index changes in autumn and winter

2.3 討論

本實驗采用的是人工濕地和生物接觸池相并聯(lián)的實驗裝置，人工濕地和生物填料對污水的凈化共同起作用。外界因素如溫度等環(huán)境條件，系統(tǒng)本身的結(jié)構、進水方式、處理水質(zhì)、植物組成、水力負荷及停留時間等都會影響系統(tǒng)的凈化效率。

2.3.1 關于組合工藝對污水的凈化效果的研究，谷先坤[13]采用生物接觸氧化和人工濕地組合工藝，研究其對生活污水的凈化效果，結(jié)果表明TN和TP的去除主要通過人工濕地系統(tǒng)，濕地系統(tǒng)對TP去除貢獻率超過了70%，COD的去除主要在接觸氧化池內(nèi)。不同運行方式下，40天對TN、TP和COD的去除率可以達到60%以上。許東陽[14]研究了改進生物滴濾池/人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，通過曝氣等強化措施，得出組合工藝運行4個月對CODCr、TN、TP、的平均去除率分別為92.53%、62.26%、63.82%。本研究采用淺層人工濕地和生物接觸氧化池并聯(lián)的形式，春夏季對TN、TP的去除率可以達到60%以上，對高錳酸鹽指數(shù)的去除率可以達到50%以上；秋冬季對TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的去除率均可以達到60%以上。本研究采用的并聯(lián)組合工藝可以節(jié)省用地，達到與串聯(lián)組合工藝相近的去除效果。

2.3.2 春夏季，人工濕地的植物和微生物生長較快，其輸送氧氣和光合作用釋放氧氣的作用較強，微生物所需的氧氣較充足，微生物活性較高，對污水中氮磷和有機質(zhì)的去除效率較高。即使不種植植物，僅僅依靠濕地濾料和生物填料的作用，對氮磷和有機質(zhì)的去除均能達到50%以上，加上濕地植物的作用對污染物的去除效果更好。趙麗娜等[15]研究了南京地區(qū)常見的植物菖蒲、香蒲、美人蕉和蘆葦幾種濕地植物在春季對生活污水中主要污染物的處理能力，實驗數(shù)據(jù)表明，菖蒲和香蒲的處理能力較好，其對TN、TP和COD的去除率分別達到了72.64%、90.36%、65.05%和69.82%、91.32%、77.15%；蘆葦?shù)奶幚硇Ч源斡谳牌押拖闫?，而美人蕉的處理效果較差。與本研究結(jié)論一致，在春季，菖蒲生態(tài)床的對污水的凈化效果較好，尤其是TN。在濕地系統(tǒng)中，無機磷酸鹽主要通過基質(zhì)的吸附與沉淀作用脫磷，有研究表明，基質(zhì)吸附與沉淀作用去除的磷可達總?cè)コ康?0%以上，在濕地系統(tǒng)中基質(zhì)的選擇對磷的去除很重要，且去除效率受基質(zhì)填料理化性質(zhì)的影響較大。本研究中，在春季，無植物生態(tài)接觸床對TP的去除率較高，主要是由于人工配置的污水主要有無機磷，因此基質(zhì)的作用較為明顯，植物的作用不明顯。

2.3.3 根據(jù)王鳳香[16]的研究，在低溫季節(jié)，人工濕地中植物對污染物去除貢獻微小，對污染物的去除主要是通過人工濕地床體部分得以實現(xiàn)；溫度對濕地中磷及有機物的去除效果影響較小。但是不同植物的耐寒性不同，耐寒植物在低溫季節(jié)正常生長，能對污水的凈化起到促進作用。本研究選用的幾種濕地植物，均為較為耐寒物種，秋冬季實驗期間平均氣溫在10℃以下，幾種植物的凈化效果差異顯著。通過比較春夏季和秋冬季的凈化效果可以看出，TN和TP的處理效果相當，對高錳酸鹽指數(shù)的去除效果秋冬季要高于春夏季，也就是說，選擇耐寒植物，在秋冬季仍然能夠?qū)ξ鬯械腡N、TP和高錳酸鹽指數(shù)保持較高的去除效果。根究張敬申[17]的研究，溫度較低的冬季里，水芹菜生長狀態(tài)良好，沒有病害現(xiàn)象，可以作為一種耐寒越冬植物應用到北方地區(qū)的人工濕地工程中。本研究中無論是春夏季還是秋冬季水芹對高錳酸鹽指數(shù)的去除率均最高?；ㄈ~蘆竹和菖蒲對TN、TP的去除率較高，本研究的三種植物均可以作為低溫季節(jié)人工濕地植物的選擇對象。

3 結(jié) 論

本研究采用淺層人工濕地和生物接觸氧化池并聯(lián)的生態(tài)接觸床凈化污水，上部淺層人工濕地分別種植水芹、菖蒲、花葉蘆竹，并設無植物對照組，主要結(jié)論如下。

3.1 生態(tài)接觸床對污水的凈化效率較高，春夏季TN、TP的去除率可以達到60%以上，對高錳酸鹽指數(shù)的去除率可以達到50%以上；秋冬季對TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)的去除率均可以達到60%以上。

3.2 春夏季，菖蒲生態(tài)床對TN的去除效率最高，無植物床對TP的去除率最高，水芹生態(tài)床對高錳酸鹽指數(shù)的去除率最高；秋冬季無植物和花葉蘆竹生態(tài)床對TN的去除效果好于水芹和菖蒲組，無植物組和菖蒲生態(tài)床對TP的去除率最高，水芹生態(tài)床對高錳酸鹽指數(shù)的去除率最高。除春夏季各實驗組對TN的去除差異不顯著，其它實驗組均差異顯著。

3.3 水芹對高錳酸鹽指數(shù)的去除率均最高，花葉蘆竹和菖蒲對TN、TP的去除率較高，本研究采用的并聯(lián)組合工藝可以節(jié)省用地，達到與串聯(lián)組合工藝相當?shù)娜コЧ?/p>