人工湿地处理富营养化水体实验性研究

人工湿地处理富营养化水体实验性研究
蔡俊涛王祥赖运东
摘要:在各种人工湿地处理技术中，潜流型人工湿地由于其水力负荷大、污染负荷高、净化效果好等优点，已成为人工湿地应用中最主要的类型。潜流型人工湿地在植物根系周围形成的好氧区、缺氧区和厌氧区，为人工湿地中污染物的去除提供了良好的条件。
从实验分析所得，利用潜流型人工湿地处理富营养化水体，在低、较高水力负荷下，采用连续进水运行方式，系统对COD、TP及氨氮的去除效果较好。在高水力负荷下，由于停留时间短，宜采用间歇式运行方式。
添加铁屑和牡蛎壳的人工湿地处理系统对各污染物的去除效果优于添加优势菌的木屑和无特殊填料的人工湿地处理系统。在不同水力负荷条件下，不同植物人工湿地对污染物的综合去除能力依次为：芦苇≥象草>香根草>再力花。
不同级配填料的人工湿地处理系统中，粒径小的河砂及海砂对各污染物的去除效果优于粗粒径的填料。

关键词：潜流型人工湿地；富营养化；去除率

人工湿地作为一种独特的生态系统，以其特有的生态功能和存在形式及特点，能够在湖泊点源和面源污染控制方面发挥巨大的优势。人工湿地技术的研究和应用在我国仍处于起步发展阶段，目前在人工湿地研究方面，还是集中在植物、填料的去除机理和效果探讨，如人工湿地脱氮植物的选择、人工湿地不同填料除磷效果的探讨等。而人工湿地运行操作方面的各项参数的研究，还远远不能满足于实际应用需要。
在各种人工湿地处理技术中，潜流型人工湿地由于其水力负荷大、污染负荷高、净化效果好等优点，已成为人工湿地应用中最主要的类型。潜流型人工湿地在植物根系周围形成的好氧区、缺氧区和厌氧区，为人工湿地中污染物的去除提供了良好的条件。
一、实验装置及流程
1.装置及流程
实验选择潜流型人工湿地处理系统，采用不同填料、不同植物的试验系统，每个人工湿地处理系统由一个PVC塑料箱制成，尺寸为40×40×50cm，底部铺设30cm厚的净化层，中部为10cm厚的碎石过渡层，顶部为10㎝高的表层土壤。实验用富营养化水体主要污染物指标为COD30～50mg/L、TP2～6 mg/L、NH4＋－N 5～12 mg/L，进水通过表层的布水装置均匀流入，最后从系统底层铺有碎石的出水口流出。湿地进水方式采用连续进水，进水流量通过转子流量计控制；出水通过阀门控制，保证污水在人工湿地有足够的停留时间。在高水力负荷情况下，进水间隔时间平均分配（间歇进水时，前一次出水完到下一次进水，系统有1小时的大气复氧时间），以满足湿地中各种微生物的需氧要求。
2.分析方法
本实验研究过程中COD用快速消解分光光度法测定，氨氮用电极法测定，总磷用钼酸铵分光光度法测定。
二、结果与分析
1.低水力负荷下对污染物的去除效果
实验在水力负荷为1.0m3/m2d下进行，进水流量为16L/hr，采用连续运行方式，每天运行10小时。研究在低水力负荷下，影响人工湿地处理系统处理效果的因素。实验结果如下：

COD去除率 TP去除率氨氮去除率
不同填料种类牡蛎壳：75～85%
铁屑：70～90%
木屑：58～70% 牡蛎壳：48～55%
铁屑：60～70%
木屑：41～45% 牡蛎壳：47～60%
铁屑：50～63%
木屑：46～58%
不同植物种类芦苇：80～90%
象草：70～80%
香根草：72～79%
再力花：60～68% 芦苇：61～66%
象草：60～65%
香根草：44～52%
再力花：45～53% 芦苇：62～78%
象草：62～77%
香根草：55～60%
再力花：46～52%
不同填料级配粗河砂：67～72%
细河砂：72～81%
粗海砂：62～68%
细海砂：70～77% 粗河砂：41～52%
细河砂：54～73%
粗海砂：47～60%
细海砂：56～75% 粗河砂：41～59%
细河砂：62～70%
粗海砂：55～60%
细海砂：60～68%
表1：低水力负荷下各污染物去除效率
1.1对COD的去除效果
从表1数据可以得出，不同填料种类、不同植物种类及不同填料级配的人工湿地处理系统，在低水力负荷下，效果差异较大。在不同填料人工湿地处理系统中，以牡蛎壳、铁屑为填料的芦苇人工湿地处理系统的COD去除效果最好，COD去除率在70～90%之间，随着系统中微生物量的增加、植物的成熟，其去除效率呈上升趋势。在不同植物种类的人工湿地中，象草及香根草的COD去除效率相当，其COD去除率也可以达到80%左右，但稍差于芦苇人工湿地；而再力花人工湿地处理效果最差，只有60～68%。而对于不同填料级配的人工湿地处理系统来说，细的砂质填料更利于去除COD污染物，其中以细的河砂处理效果最好，保持在72～81%之间。
1.2对TP的去除效果
对于TP的去除，铁屑填料的芦苇人工湿地处理系统有较好的效果，去除率保持在60～70%之间；而牡蛎壳填料人工湿地稍差于铁屑填料湿地，只达到55%左右；木屑填料人工湿地的TP去除效果最差，平均只有43%。芦苇人工湿地及象草人工湿地的TP去除率相当，保持在60%以上；而再力花和香根草较差，只有44～53%之间。不同填料级配的人工湿地中，以细的海砂填料去除TP污染物最好，因为其表面积大并富含钙物质，其TP去除率可达75%左右，而粗的河砂最差。
1.3对氨氮的去除效果
在低水力负荷下，芦苇和象草人工湿地的氨氮去除率保持在62%以上，而再力花及香根草的净化效果稍差。添加了牡蛎壳和铁屑填料的人工湿地处理系统对氨氮的去除率比添加木屑的系统效果较佳。小粒径的填料对有机物及氨氮的去除率比大粒径的要高出10%左右，细河砂与细海砂的氨氮去除率基本相当。
2.较高水力负荷下对污染物的去除效果
进水流量为32L/hr，水力负荷为2.0m3/m2d，采取连续运行模式，每天连续运行10小时。研究在较高水力负荷下，影响各人工湿地处理系统处理效果的因素。实验结果如下：
COD去除率 TP去除率氨氮去除率
不同填料种类牡蛎壳：77～87%
铁屑：80～90%
木屑：60～62% 牡蛎壳：50～65%
铁屑：55～73%
木屑：38～46% 牡蛎壳：48～60%
铁屑：51～62%
木屑：33～45%
不同植物种类芦苇：80～90%
象草：70～80%
香根草：70～79%
再力花：58～65% 芦苇：50～65%
象草：53～63%
香根草：45～48%
再力花：45～50% 芦苇：61～75%
象草：61～77%
香根草：53～60%
再力花：45～50%
不同填料级配粗河砂：65～70%
细河砂：72～82%
粗海砂：60～65%
细海砂：65～72% 粗河砂：42～50%
细河砂：55～72%
粗海砂：47～61%
细海砂：57～77% 粗河砂：40～55%
细河砂：61～72%
粗海砂：50～58%
细海砂：60～68%
表2：较高水力负荷下各污染物去除效率
2.1对COD的去除效果
在不同填料种植相同植物的人工湿地处理系统中，添加了牡蛎壳、铁屑的系统对COD去除率优于其他系统，去除率可达到80%以上；添加了经过特殊处理的木屑系统对COD的去除效果较差，只有60%左右。不同植物品种对COD去除率的影响则体现为生长速度快、植物量大、根系发达的植物品种有利于提高湿地系统对有机物的吸收和降解，如芦苇、象草和香根草系统均有较好的去除效果，但再力花系统去除效果稍差。在粒径不同的填料系统中，粒径较小的细河砂、细海砂有较好的COD去除效果。
2.2对TP的去除效果
添加了不同填料的系统对TP的去除效果同样表现出较大的区别，添加了铁屑和牡蛎壳的系统对TP的去除率平均达到55～60%以上，特别添加了铁屑的人工湿地处理系统净化效果更佳，而添加了木屑的人工湿地处理系统其TP去除率最差。芦苇和象草人工湿地处理系统的TP去除率高于香根草、再力花人工湿地处理系统的15%，达到65%左右。细河砂与细海砂的TP去除率优于粗河砂、粗海砂约10%以上，达到75%左右。
2.3对氨氮的去除效果
随着水力负荷的提高，各个人工湿地处理系统对各污染物的去除率有所下降，但趋势不明显，仍然保持较理想的处理效果。在不同填料的人工湿地中，添加了铁屑或者牡蛎壳的芦苇人工湿地对氨氮还保持较好的处理效果，去除率保持在50%以上；而添加了特殊处理的木屑填料，其氨氮处理效果与其他处理系统相差较大，只有33～45%左右。芦苇与象草对氨氮的去除率要好于香根草和再力花人工湿地；细河砂和细海砂系统的氨氮去除效果优于粗粒径填料的人工湿地处理系统。
3.高水力负荷下对污染物的去除效果
处理系统进水流量为48 L/hr，水力负荷为3.0m3/m2d，采取间歇进水模式，保证每次进水前都有一段大气复氧的时间，全天运行。研究在高水力负荷下，影响各人工湿地处理系统处理效果的因素。实验结果如下：

COD去除率 TP去除率氨氮去除率
不同填料种类牡蛎壳：65～72%
铁屑：66～73%
木屑：48～53% 牡蛎壳：38～47%
铁屑：45～56%
木屑：35～40% 牡蛎壳：40～52%
铁屑：41～54%
木屑：25～35%
不同植物种类芦苇：66～73%
象草：65～70%
香根草：58～63%
再力花：48～57% 芦苇：40～55%
象草：43～58%
香根草：35～40%
再力花：35～42% 芦苇：52～65%
象草：52～63%
香根草：45～50%
再力花：35～42%
不同填料级配粗河砂：55～60%
细河砂：63～67%
粗海砂：50～57%
细海砂：55～62% 粗河砂：31～40%
细河砂：45～62%
粗海砂：37～48%
细海砂：46～63% 粗河砂：30～47%
细河砂：50～60%
粗海砂：40～47%
细海砂：48～58%
表3：高水力负荷下各污染物去除效率
3.1对COD的去除效果
在高水力负荷下，各人工湿地处理系统对COD的去除效果下降很快。虽然实验采用间歇式运行方式，保证每次进水前有1小时左右的大气复氧时间，但是由于水力停留时间短，有机物来不及被充分降解就直接被排出人工湿地处理系统，导致出水COD仍然很高。添加了铁屑和牡蛎壳人工湿地处理系统的COD去除率只有70%左右，而木屑人工湿地更只有50%左右。不同植物人工湿地净化系统也因水力负荷的增加，其COD去除率下降很快，芦苇与象草人工湿地的COD去除率只达到73%，再力花和香根草更差。不同填料级配的人工湿地也呈现出以上规律，COD去除率平均也只有60%左右。
3.2对TP的去除效果
水力负荷的进一步增大，对各人工湿地处理系统的TP去除效果影响并不很大，但是也随着实验时间的延长，各人工湿地处理系统的TP去除率呈现下降趋势，这与填料化学吸附达到饱和程度有关。添加了铁屑填料的人工湿地TP去除率仍然有56%左右，优于其他系统的10%左右。芦苇和象草人工湿地的TP去除率也有55%，但再力花与香根草的TP去除率只有40%。细粒径的河砂和海砂人工湿地处理系统的TP去除率仍保持在60%左右，这就反映了，人工湿地处理系统中磷的去除主要依赖于填料成分，含钙物质丰富的填料更有利于磷污染物的去除。
3.3对氨氮的去除效果
在高水力负荷下，氨氮的净化特性与COD净化特性相一致，由于系统的复氧时间段，氧气成分低而且水力停留时间短，导致氨氮没有充分硝化反硝化就直接被带出人工湿地处理系统。添加了特殊填料的人工湿地处理系统中，铁屑和牡蛎壳人工湿地的氨氮去除率优于其他系统，仍然有50%的去除效果。芦苇及象草人工湿地优于香根草和再力花人工湿地，其氨氮去除率还可以达到63%左右。细粒径填料的湿地氨氮去除效果优于粗粒径填料系统。生长速度快、生物量大、根系发达的植物品种有利于提高湿地系统对污染物吸收和降解，这反映了，人工湿地中氨氮的去除主要依靠生物降解作用。
三、结论
1.利用潜流型人工湿地处理富营养化水体，在低、较高水力负荷下（1.0m3/m2d 、2.0m3/m2d），采用连续进水运行方式，系统对COD、TP及氨氮去除率分别达到70～90%、60～70%、50～80%，去除效果较好，且低水力负荷由于水力停留时间长、净化效果更好，最佳的水力负荷在2.0 m3/m2d以下。随着水力负荷的增大，各污染物的去除率有所下降，在高水力负荷下（3.0 m3/m2d），由于停留时间短，宜采用间歇式运行方式。
2.分别添加铁屑和牡蛎壳的人工湿地处理系统对各污染物的去除效果优于添加优势菌的木屑填料的人工湿地处理系统，处理效果依次为铁屑>牡蛎壳>木屑。添加了铁屑和牡蛎壳人工湿地处理系统的COD、氨氮去除率可提高10%左右，TP的去除率可提高20%左右；但添加优势菌种的木屑填料反而相对降低了人工湿地处理系统对污染物的去除率。
3.在低、较高和高水力负荷条件下，分别种植芦苇、象草的人工湿地处理系统对污染物去除效果明显优于种植再力花及香根草的人工湿地，各植物人工湿地对污染物的综合去除能力依次为：芦苇≥象草>香根草>再力花。种植芦苇及象草的人工湿地对污染物去除效果较好，COD达65～90%、TP达40～66%、氨氮达52～78%。再力花对污染物的去除效率不高，但具有较高观赏性，可以考虑作为辅助性植物与芦苇、象草共同栽种，增加人工湿地观赏价值。
4.不同级配填料的人工湿地处理系统中，粒径小的河砂及海砂对各污染物的去除效果优于粗粒径填料。细粒径填料人工湿地处理系统各污染物去除率COD达55～82%、TP保持在50～70%、氨氮也有50～70%左右，均高于粗粒径填料人工湿地10%以上，特别对于TP的去除来说，在不同水力负荷下仍保持较高的去除率。

参考文献
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