垂直流人工濕地中污染物晝夜及沿程變化規(guī)律

高 敏,朱 偉,2,董 嬋,趙聯(lián)芳

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京 210098)

垂直流人工濕地中污染物晝夜及沿程變化規(guī)律

高 敏1,朱 偉1,2,董 嬋1,趙聯(lián)芳1

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京 210098)

利用垂直潛流人工濕地單元模型探討COD、TN和NH+4-N質(zhì)量濃度在一晝夜之中隨時(shí)間及深度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:垂直潛流人工濕地中污染物去除率的變化呈一定的周期性,晝夜差距較大。COD、NH+4-N和TN的去除率在15:00達(dá)到最大,夜間最小。COD和NH+4-N質(zhì)量濃度在表層(距濕地底部60～90cm段)迅速降低,底部變化幅度較小。TN濃度沿程的降低趨勢很明顯。濕地中COD、NH+4-N和TN質(zhì)量濃度的變化趨勢與DO顯著相關(guān),DO質(zhì)量濃度越高,越有利于有機(jī)物和氮的去除。

垂直流人工濕地;日變化;沿程變化;有機(jī)物;氮;DO

人工濕地因具有獨(dú)特的土壤-植物-微生物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1],污水處理效果好,并具有生態(tài)景觀美學(xué)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn),近年來在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用[2]。其中,植物在污染物凈化過程中起著重要作用[3],而光合及蒸騰特性是其生長和凈化污水的主要能量[4]和動(dòng)力來源[5]。光合作用影響植物根部泌氧,從而間接影響濕地中NH+4-N的硝化反應(yīng)[6-7];蒸騰作用使根系周圍的水分蒸發(fā)釋放到大氣中,促進(jìn)污染物在根圍的遷移[8]。由于受到光強(qiáng)和溫度的影響,植物光合作用和蒸騰作用具有明顯的晝夜變化規(guī)律,進(jìn)而導(dǎo)致濕地對污染物的去除率也具有一定的日變化規(guī)律?？梢?人工濕地在一定的運(yùn)行工況下,污染物的去除率不是一個(gè)定值。因此,了解污染物去除率的日變化規(guī)律可以為人工濕地的運(yùn)行提供理論依據(jù)。

人工濕地中有機(jī)物、氮的去除都離不開氧的供應(yīng)[9]。濕地不同位置DO質(zhì)量濃度差距較大,致使污染物的去除也具有空間差異。鄢璐等[10]通過試驗(yàn)分析了潛流型蘆葦濕地中DO和各類污染物的沿程凈化效果,發(fā)現(xiàn)濕地前部DO質(zhì)量濃度下降趨勢明顯,中部略有回升,有機(jī)物降解主要發(fā)生在濕地前部,NH+4-N去除效果在濕地中部較明顯?？梢姖竦刂形廴疚飼?huì)隨時(shí)間及濕地沿程變化。筆者利用垂直潛流人工濕地單元模型探討COD、TN和NH+4-N質(zhì)量濃度晝夜變化規(guī)律及隨深度的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

筆者采用下行流人工濕地,小試試驗(yàn)裝置如圖1所示。有機(jī)玻璃柱柱體尺寸為?0.15m×1.00m,填料為粒徑2～5mm的火山渣,處理區(qū)總?cè)莘e為0.0176m3,孔隙率為0.46。采用連續(xù)流的運(yùn)行方式,由恒流泵控制進(jìn)水,進(jìn)水流量為2.88 L/d,水力負(fù)荷為0.16m3/(m2?d)。濕地植物選用香蒲。

圖1 下行流人工濕地試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 進(jìn)水水質(zhì)及分析方法

考慮到人工濕地常用于污水處理廠尾水深度處理,本試驗(yàn)原水以污水處理廠二級處理后的出水進(jìn)行配制。水質(zhì)如下:有機(jī)物(以COD計(jì))用葡萄糖配水,質(zhì)量濃度為50mg/L;氮(以TN計(jì))用氯化銨配水,質(zhì)量濃度為15mg/L;磷(以TP計(jì))用磷酸二氫鉀配水,質(zhì)量濃度為0.5mg/L。

一個(gè)晝夜(24h)為一個(gè)周期,每隔2h,取進(jìn)水、出水和沿程(距濕地底部20cm、45 cm、60cm、75 cm處)的水樣 ,監(jiān)測指標(biāo)為 :DO、COD、NH+4-N 、TN,各指標(biāo)測定方法均按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物的晝夜變化規(guī)律

試驗(yàn)在2009年春天進(jìn)行,在濕地運(yùn)行了一個(gè)階段且趨于穩(wěn)定后,于4月22日、25日和26日進(jìn)行了晝夜連續(xù)監(jiān)測。圖2(a)為4月25日和26日濕地進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度及其去除率2晝夜的變化曲線。從圖2(a)中看出,COD出水質(zhì)量濃度及去除率隨時(shí)間而變化,且有2個(gè)峰值出現(xiàn)。白天出水COD質(zhì)量濃度明顯降低,到15:00出現(xiàn)最低值,分別為6.95 mg/L和7.00mg/L,去除效果在此時(shí)最好,去除率達(dá)到87.6%和87.3%。隨后出水COD質(zhì)量濃度逐漸升高,且無明顯波動(dòng),凌晨3:00去除效果較差,出水COD質(zhì)量濃度分別為15.04mg/L和14.05mg/L,去除率分別為72.5%和75.3%。上午9:00,COD的去除效果在1 d之中呈平均狀態(tài),可分別去除78.0%和76.7%的COD。故9:00、15:00和 3:00可作為濕地有機(jī)物降解的特征時(shí)間點(diǎn)。

圖2 進(jìn)出水 COD、NH+4-N、TN質(zhì)量濃度及其去除率隨時(shí)間變化曲線

圖2(b)為NH+4-N進(jìn)出水質(zhì)量濃度及其去除率隨時(shí)間變化情況,與COD相同,也出現(xiàn)明顯的波動(dòng)和峰值。白天出水NH+4-N質(zhì)量濃度顯著降低,到15:00出現(xiàn)最低值,分別為3.18mg/L和1.2mg/L,并達(dá)到最佳的去除效果,去除率分別為76.5%和90.7%。隨后出水NH+4-N質(zhì)量濃度逐漸升高,變化幅度明顯,在23:00去除效果較差,出水NH+4-N質(zhì)量濃度分別為7.20mg/L和4.51mg/L,相應(yīng)的去除率僅為49.8%和66.0%。NH+4-N質(zhì)量濃度在1d內(nèi)達(dá)到平均去除效果的時(shí)間點(diǎn)為9:00,去除率分別為53.4%和74.9%。故NH+4-N的特征時(shí)間點(diǎn)為9:00、15:00和23:00。

圖2(c)為濕地進(jìn)出水TN質(zhì)量濃度及其去除率隨時(shí)間的變化情況。由于進(jìn)水中TN質(zhì)量濃度未能被很好地控制,所以數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的離散性。由此得到的TN在晝夜間的變化規(guī)律沒有COD和NH+4-N那么明顯,但白天去除率高、夜間去除率低的趨勢仍然能夠看到。從去除效果看,在15:00濕地對TN的去除效果最好,相應(yīng)的去除率分別為52.8%和55.8%。

在晝夜試驗(yàn)中COD、TN、NH+4-N所體現(xiàn)出的波動(dòng)變化與植物光合作用及泌氧規(guī)律有直接關(guān)系。在1d之內(nèi)濕地DO質(zhì)量濃度呈先升高再降低的變化趨勢,且在11:00～15:00之間達(dá)到最大值[12],故濕地中相應(yīng)時(shí)段內(nèi)COD和NH+4-N的去除率均隨時(shí)間延長而增大,且在15:00達(dá)到最佳去除效果后,隨DO質(zhì)量濃度的降低去除率減小。從圖 2(a)和圖2(b)可以看出,NH+4-N出水質(zhì)量濃度及去除率的波動(dòng)幅度比COD大,這是因?yàn)橛袡C(jī)物的降解除了好氧微生物發(fā)揮作用外,在厭氧環(huán)境下,兼性厭氧微生物也積極參與反應(yīng)[3],因此降解COD對DO的依賴程度小于NH+4-N。圖2(b)中第2個(gè)晝夜NH+4-N的去除效果比前1個(gè)晝夜好,可能是因?yàn)榈?天光照強(qiáng)度較第1天大,植物光合作用更強(qiáng),可通過根系向濕地中釋放更多的氧[13],滿足硝化菌進(jìn)行硝化作用的需氧量,有利于NH+4-N的去除。在硝化反硝化過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物NO-3-N和NO-2-N,需要在兼氧和厭氧的環(huán)境中轉(zhuǎn)化,故TN的去除對濕地DO質(zhì)量濃度的依賴性小于NH+4-N,其晝夜變化特性不如NH+4-N明顯。COD、NH+4-N和TN各自的特征時(shí)間點(diǎn)也有差異,NH+4-N去除效果最差的時(shí)間點(diǎn)早于TN和COD,這可能是因?yàn)榈?1:00以后,光照強(qiáng)度幾乎為零,植物光合作用很微弱,難以通過根系向濕地釋氧,硝化反應(yīng)迅速受到抑制,而TN的去除包含了硝化和反硝化兩個(gè)過程,有機(jī)物的降解也有兼性厭氧微生物的積極參與,故3種污染物去除效果最差的時(shí)間點(diǎn)為NH+4-N早于TN,TN早于COD。

2.2 污染物的沿程變化規(guī)律

在特征時(shí)間點(diǎn)處COD和NH+4-N質(zhì)量濃度在濕地中垂向沿程變化如圖3所示。由圖3(a)和圖3(b)可見進(jìn)水COD和NH+4-N質(zhì)量濃度迅速消耗,在濕地表層(距底部60～90cm段),大約70%的COD得以去除,60%～70%的NH+4-N被去除,之后兩者的沿程質(zhì)量濃度變化均很小?？梢哉J(rèn)為,微生物的活動(dòng)在濕地表層以及植物泌氧部非?；钴S,白晝之間去除率的差異基本上出現(xiàn)在這些部位。在本次試驗(yàn)的下行流情況下,表層30cm以下的白晝差異并不明顯。

圖3(c)為TN質(zhì)量濃度在特征時(shí)間點(diǎn)時(shí)濕地中垂向沿程變化。濕地沿程TN質(zhì)量濃度的降低趨勢均很明顯,在濕地表層(距底部60～90cm段),TN的去除率只達(dá)到了40%左右,濕地中、下部仍然可去除15%左右,這種全剖面都表現(xiàn)出下降的趨勢,與COD和NH+4-N的有所差異。

圖3 COD、NH+4-N、TN、DO 質(zhì)量濃度垂向沿程變化規(guī)律

下行流人工濕地中,DO的來源主要是污水中原來帶有的部分、表面復(fù)氧的部分和植物泌氧的部分。這些DO都集中于濕地床的表層,因此,床層自上而下依次呈現(xiàn)好氧、兼氧、厭氧的微環(huán)境。這些DO質(zhì)量濃度不同的區(qū)域,分別有利于污水中不同污染物的降解、轉(zhuǎn)化和去除[14]。在濕地表層(距底部60～90cm段),發(fā)達(dá)的香蒲根系可以將光合作用產(chǎn)生的氧傳遞釋放到濕地基質(zhì)中,加之進(jìn)水?dāng)y帶少量DO,有利于好氧微生物的生長繁殖,故COD和NH+4-N質(zhì)量濃度迅速降低。由于COD降解和硝化作用消耗了濕地中大量的DO,在濕地中、下部,兼性菌和厭氧菌占優(yōu)勢,COD和NH+4-N在這一部位不能被大量去除,但卻利于反硝化的進(jìn)行,故TN在中、下部的降低趨勢明顯。

鑒于這些晝夜變化與植物的泌氧有很大的關(guān)系,因此對濕地DO質(zhì)量濃度各特征點(diǎn)的沿程變化規(guī)律進(jìn)行考察,如圖3(d)所示?？梢钥闯霾煌瑫r(shí)間DO在剖面上存在明顯的差異。COD和NH+4-N去除率高的15:00,所有的深度上DO的質(zhì)量濃度明顯偏高,而COD和NH+4-N去除率低的3:00,所有的深度上DO的質(zhì)量濃度明顯偏低。證實(shí)DO是造成晝夜水質(zhì)變化的主要因素。而DO在剖面上的變化,無論是白天還是夜間,80%～90%的DO迅速消耗在表層30cm區(qū)間。殘余的10%～20%在中、下部被逐漸消耗。根據(jù)DO的這一變化,可以把濕地床分為上部30cm的好氧段和中下部30～90cm的缺氧、厭氧段,這種分區(qū)在晝夜間都存在,但白天的好氧段和缺氧、厭氧段之間的差距更為明顯。

3 結(jié) 論

a.垂直潛流人工濕地污染物去除率的變化呈一定的周期性,晝夜差距較大。1個(gè)周期內(nèi),從凌晨開始,COD、NH+4-N和TN的去除率隨時(shí)間逐漸增大,15:00達(dá)到最大值,隨后逐漸減少,夜間出現(xiàn)最小值。晝夜間去除率的差距COD在15%左右,NH+4-N為25%～30%,TN僅為10%左右。

b.垂直潛流人工濕地污染物質(zhì)量濃度沿程變化較為明顯。在濕地表層(距濕地底部60～90cm)的好氧段,COD和NH+4-N質(zhì)量濃度迅速降低,底部變化幅度較小。而濕地中、下部的兼氧和厭氧環(huán)境段有利于反硝化作用進(jìn)行,故TN質(zhì)量濃度仍然會(huì)在沿程有一定的降低。

c.濕地中COD、NH+4-N和TN質(zhì)量濃度的變化趨勢與DO顯著相關(guān)。下行流濕地中的DO在剖面上分為2個(gè)區(qū),表層30cm為好氧區(qū),中、下層為兼氧和厭氧區(qū)。

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Diurnal and spatial variations of pollutants in vertical flow constructed wetland

GAO Min1,ZHU Wei1,2,DONG Chan1,ZHAO Lian-fang1
(1.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The patterns of variations of COD,TN and NH+4-N concentrations with time and space during one day and night were studied in a laboratory-scale vertical flow constructed wetland.The results showed that the removal rate of pollutants had a certain periodicity,and that there was a large difference between day and night.The highest removal rate of COD,NH+4-N and TN appeared at 15:00,and the lowest appeared at night.COD and NH+4-N decreased rapidly in the upper part of the wetland(60～90cm above the bottom),and varied slightly in the middle and lower part.TN decreased significantly along the course of the wetland.The changing trend of COD,TN and NH+4-N concentrations was significantly correlated with DO:the higher the DO concentration was in the wetland,the more beneficial DO was to the removal rates of organics and nitrogen.

vertical flow constructed wetland;diurnal variation;space variation;organics;nitrogen;dissolved oxygen

X703

A

1004-6933(2010)02-0049-04

國家自然科學(xué)基金(50979028);水利部公益項(xiàng)目(200801065)

高敏(1984—),女,河北涿鹿人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗h(huán)境與水生態(tài)。E-mail:well.gm@163.com

(收稿日期:2009-09-10 編輯:徐 娟)