多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對微污染水體污染物去除效果的實驗研究

胡 松，占 鵬，孫 微，戚曉波

(1.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省灌溉排水發(fā)展中心，江西 南昌 330013；3.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展與城市化進(jìn)程加快，水生態(tài)面臨著嚴(yán)峻的考驗。據(jù)環(huán)保部調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國主要的河流中，微污染原水比例高達(dá)36.9%[1]。微污染水原水是指因受到排入的工業(yè)廢水和生活污水影響，其部分水質(zhì)指標(biāo)超過飲用水源衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的源水。作為飲用水主要水源的庫區(qū)河流的污染加重會加劇淡水資源危機，使耕地灌溉得不到有效保障，最終危害到人畜的生存發(fā)展[2，3]。故研究和開發(fā)適用于微污染原水的高效治理技術(shù)，顯得尤為迫切。生態(tài)法處理技術(shù)因具有無二次污染、美化壞境等優(yōu)點一直廣泛的受到研究者們的關(guān)注與重視，其中人工濕地與塘工藝最引人矚目。單獨人工濕地工藝存在濕地基質(zhì)對污染物的吸附飽和、基質(zhì)容易堵塞、人工濕地生態(tài)服務(wù)功能單一等缺陷在一定程度上限制了人工濕地的推廣與應(yīng)用。然而穩(wěn)定塘和人工濕地的組合系統(tǒng)可以很好的解決上述問題，不少研究發(fā)現(xiàn)僅僅采用單級人工濕地-塘二級組合系統(tǒng)仍然對水體中污染物質(zhì)控制效果不理想[4]。

采用多種形式的生態(tài)單元組合不同種類水環(huán)境提升生態(tài)系統(tǒng)凈污能力，成為當(dāng)前的研究熱點區(qū)域[5]。本實驗采用多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)處理微污染原水，通過對污染水體中磷、氨氮、COD等污染物去除的研究，為處理微污染水體提供新思路。

1 試驗部分

1.1 實驗裝置

多級人工濕地/塘組合系統(tǒng)試驗裝置，裝置包括6個處理單元如圖1所示。流程為高位水箱→好氧塘→表面流人工濕地1→表面流人工濕地2→水平潛流人工濕地→沉水植物氧化塘。表1為各處理單位尺寸和栽種植物種類。

1.2 試驗水質(zhì)

考慮到自然水體水質(zhì)隨季節(jié)變化大，本試驗水樣采用人工配水模擬位于華東交通大學(xué)中的孔目湖微污染水體。模擬水樣水質(zhì)如下：COD為50.00～60.00 mg/L、TP為0.50～1.40 mg/L、濁度為4.80～9.60 NTU、氨氮為3.50～5.00 mg/L。

表1 各處理單元尺寸和栽種植物種類

圖1 多級人工濕地/塘組合系統(tǒng)裝置示意圖

1.3 試驗方法

COD采用重鉻酸鉀法測定，TP 采用過硫酸鉀消解法預(yù)處理，采用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測定；無機磷酸鹽(DIP)經(jīng)過 0.45 μm 醋酸纖維膜過濾，采用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測定；濁度采用濁度儀測定；氨氮采用鈉氏試劑分光光度法。 水力停留時間：HRT=V/Q(h)即水力停留時間等于反應(yīng)器有效容積與進(jìn)水流量之比。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 水力停留時間對COD的去除效果分析

實驗水樣采用COD濃度為50.00～60.00 mg/L，屬于微污染水體，利用圖1試驗裝置，實驗定期對進(jìn)出裝置水樣COD進(jìn)行檢測。多級人工濕地/塘組合對COD去除效果的如圖2所示。

圖2 水力停留時間對多級人工濕地塘組合系統(tǒng)COD去除效果的影響

由圖2可以看出，在水力停留時間<5 d時，COD的去除率急劇上升，COD濃度由58.00 mg/L下降到22.00 mg/L，去除率高到62%。繼續(xù)延長停留時間，COD去除率趨于穩(wěn)定，不再大幅度增加。這是因為在人工濕地中COD的去除主要是水樣中不溶性有機物被基質(zhì)和植物根系截留，與溶解性有機物被植物根系和基質(zhì)表面的生物膜所吸收分解；而在植物塘中有機物主要被沉水植物的根系截留、生物膜的吸附和生物代謝及有機物顆粒的沉降去除。在實驗初期，基質(zhì)和植物根系對基質(zhì)有很強的截留和吸附作用，生物活性良好；表現(xiàn)出COD去除效果理想，過了5 d后基質(zhì)與根系截留趨于飽和，COD去除率不再大幅度升高。實驗得出，多級人工濕地/塘組合系統(tǒng)對COD去除水力停留時間為5 d最為經(jīng)濟與高效。

2.2 水力停留時間對TP的去除效果分析

實驗水樣采用TP濃度為0.50～1.40 mg/L，水樣水質(zhì)劣于屬地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)屬于微污染水體，利用圖1試驗裝置，實驗定期對進(jìn)出裝置水樣TP進(jìn)行檢測。多級人工濕地/塘組合對TP去除效果如圖3所示。

由圖3可以看出在水力停留時間為5 d后，水體中TP濃度下降到0.18 mg/L，水質(zhì)可以達(dá)到Ⅴ類(0.20 mg/L)，水力停留時間超過6 d，水體中出水TP濃度下降到0.095 mg/L，水質(zhì)可以達(dá)到 Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(0.10 mg/L)。在水力停留時間<5 d，TP的去除率急劇上升，繼續(xù)延長水力停留時間TP去除率趨于穩(wěn)定。這是因為TP的去除同樣基本依靠生物膜中微生物的硝化反硝化作用以及基質(zhì)對磷的吸附沉淀作用而去除，后期趨于飽和不再上升?？紤]到實際水質(zhì)的波動性，在凈水水質(zhì)為TP濃度為0.50～1.40 mg/L時，水力停留時間考慮以5 d為宜[6]。

圖3 水力停留時間對多級人工濕地塘組合系統(tǒng)TP去除效果的影響

2.3 水力停留時間對濁度的去除效果分析

實驗水樣濁度為4.80～9.60 NTU，采用上述裝置進(jìn)行試驗，實驗定期對進(jìn)出裝置水樣濁度進(jìn)行檢測。多級人工濕地/塘組合對濁度去除效果的如圖4所示。

圖4 水力停留時間對多級人工濕地塘組合系統(tǒng)濁度去除效果的影響

由于影響水體濁度的因素主要是懸浮物，濁度大小是水質(zhì)好壞的最直觀表現(xiàn)，所以對濁度去除顯得尤為重要[7]。由圖4可以看出，在水力停留時間<3 d時，濁度由8.00 NTU直接下降到2.00 NTU，去除率達(dá)到75%，隨后繼續(xù)延長水力停留時間，濁度去除率趨于穩(wěn)定。這主要是因為濁度的攔截機制在水流停留前期表現(xiàn)最為顯著，體現(xiàn)在濁度下降速度快。隨著水力停留時間的延長，去除率不再升高，可能是因為后期在水體中導(dǎo)致水體主要是微小直徑污染物，基質(zhì)和根莖很難進(jìn)一步截留，濁度去除效果不再明顯提升。

2.4 水力停留時間對氮的去除效果分析

實驗水樣NH4+-N濃度為3.50～5.00 mg/L，采用上述裝置進(jìn)行試驗，定期對進(jìn)出裝置水樣氨氮進(jìn)行檢測，多級人工濕地/塘組合對氨氮去除效果的如圖5所示。

圖5 水力停留時間對多級人工濕地塘組合系統(tǒng)氨氮去除效果的影響

NH4+-N去除主要依賴于硝化反應(yīng)，根系與基質(zhì)的截留對于氨氮去除效果不夠理想[8]，不少研究發(fā)現(xiàn)NH4+-N去除方式主要液態(tài)氨的揮發(fā)、生物硝化/反硝化和生物同化作用協(xié)同去除。在穩(wěn)定塘中氨氮的去除方式主要是揮發(fā)和硝化與反硝化，而在人工濕地對氨氮的去除途徑為硝化與反硝化和生物同化。由圖5可以看出，在水力停留時間<3d時，NH4+-N去除速率較慢，主要是因為在初期硝化與反硝化作用需要一個時間準(zhǔn)備時期；當(dāng)3 d<水力停留時間<5 d時，氨氮去除速率最快，此時NH4+-N去除率高達(dá)58%，隨著水力停留時間的推移，氨氮去除率趨于平緩。

3 結(jié) 論

(1)COD隨著水力停留時間的增加去除率逐步提高，最后趨于平衡，選取水力停留時間為5 d，出水水質(zhì)22.00 mg /L，已經(jīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這說明兼顧時間有效利用原則，水力停留時間為5 d時處理COD的效果好。

(2)TP，NH4+-N、濁度的去除，在一定范圍內(nèi)，水力停留時間越長，去除效果越好，但是到達(dá)一個臨界時間點之后會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。本試驗得出NH4+-N在水力停留時間為 5 d 時，出水水質(zhì)最好，但在水力停留時間為 4 d 時出水水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到 V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這說明兼顧時間有效利用原則，選取 4 d 停留時間在工程上可以更好地實施。TP 的去除由于溫度的限制，無法達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，同時由于是低濃度污水，在處理方面有一定的難度，在去除率方面能達(dá)到 75%，屬于較好的處理效果。