污染物負(fù)荷對水平流人工濕地凈化效果的影響機(jī)制

楊世博 ，鄭于聰 ，Mawuli Dzakpasu，王曉昌 ，王文東

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710055；2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西西安710049）

隨著我國鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的不斷推進(jìn)，提高鄉(xiāng)村污水的收集和處理率迫在眉睫。鄉(xiāng)村污水主要來源于洗滌、沖廁和禽畜養(yǎng)殖用水，分布較為分散且單位水量小，水量、水質(zhì)波動(dòng)大，但可生化性強(qiáng)〔1-2〕。因此，分散式污水處理是適合在鄉(xiāng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的一種污水處理模式，而水平潛流人工濕地則因具有投入少、運(yùn)行維護(hù)簡單、效果好且具有景觀功能等優(yōu)點(diǎn)逐漸在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用〔3〕。

人工濕地對污水中的各類污染物均具有較好的處理效果，但污水組成會(huì)對人工濕地的凈化效果產(chǎn)生影響。如溶解氧水平的高低會(huì)影響人工濕地中硝化反應(yīng)的進(jìn)行，而進(jìn)水有機(jī)物的高低則會(huì)顯著影響反硝化過程，并會(huì)因?yàn)楦偁幦芙庋醵拗葡趸磻?yīng)的進(jìn)行。因此，針對鄉(xiāng)村污水特性，如何優(yōu)化人工濕地的抗負(fù)荷波動(dòng)能力，是實(shí)現(xiàn)人工濕地技術(shù)在鄉(xiāng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的重要保障。

為了提高人工濕地在鄉(xiāng)村污水處理中的適用性，本研究通過構(gòu)建17組對照實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了鄉(xiāng)村污水污染物負(fù)荷的波動(dòng)對人工濕地污水處理效率的影響，并使用冗余分析方法對進(jìn)水負(fù)荷與污染物去除效果間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，以期為人工濕地技術(shù)在鄉(xiāng)村地區(qū)的推廣提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 人工濕地的構(gòu)建與運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)人工濕地科研區(qū)內(nèi)構(gòu)建了17組水平潛流人工濕地小試裝置，裝置均以聚丙烯為材料，尺寸均為40 cm長、20 cm寬和20 cm深。各人工濕地中均使用粒徑為3～5 mm的陶瓷濾料作為基質(zhì)，并于人工濕地進(jìn)、出水區(qū)填充碎石（粒徑10～20 mm），優(yōu)化人工濕地的配水和集水，且均以25株/m2的密度種植具有相同長勢的菖蒲。各人工濕地均采用連續(xù)進(jìn)水方式，進(jìn)水負(fù)荷均為 0.06 m3/（m2·d），對應(yīng)的水力停留時(shí)間均為36 h。實(shí)驗(yàn)開始前1個(gè)月使用稀釋后的生活污水進(jìn)行微生物接種及培養(yǎng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)條件

實(shí)驗(yàn)采用人工配水方式，其主要污染物由葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀和磷酸二氫鉀等配制。人工濕地進(jìn)水水質(zhì):COD 150 mg/L，NH4+-N 30 mg/L，NO3--N 8 mg/L，TP8 mg/L。通過改變17組人工濕地的單一進(jìn)水指標(biāo)濃度，進(jìn)行了不同進(jìn)水條件下的小試實(shí)驗(yàn)。其單因素指標(biāo)改變情況見表1。

表1 人工濕地進(jìn)水污染物濃度

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)期間，每隔3 d對各人工濕地的進(jìn)出水水樣進(jìn)行取樣分析。pH采用HACH-HQ30d測定儀進(jìn)行測定，TP、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N 的測定方法參照參考文獻(xiàn)〔4〕。使用Excel 2010和Canoco4.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，當(dāng)p<0.05時(shí)認(rèn)為差異性顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同進(jìn)水負(fù)荷下人工濕地對污染物的去除效果

通過改變不同污染物的進(jìn)水濃度，考察水平流人工濕地對各污染物負(fù)荷波動(dòng)的抵抗能力，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同進(jìn)水負(fù)荷下人工濕地對污染物的去除效果

從圖1（a）可以看出，當(dāng)進(jìn)水TP負(fù)荷在0.1～0.5 g/（m2·d）的范圍內(nèi)增加時(shí)，人工濕地對TP的單位去除量呈線性增加趨勢。人工濕地對磷的去除主要依賴于填料吸附、沉淀、植物吸收、微生物降解等，而填料吸附是人工濕地中磷的主要去向。實(shí)驗(yàn)選用的陶粒具有多孔、比表面積大和磷吸附能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)〔5〕，具有較好的磷去除能力。但是，當(dāng)進(jìn)水TP負(fù)荷＞0.3 g/（m2·d）時(shí)，人工濕地對TP單位去除量的增長趨勢變得略微平緩，說明人工濕地對磷的去除需要一定的接觸時(shí)間來完成，過高的負(fù)荷不利于磷的去除。從圖1（b）可以看出，當(dāng)進(jìn)水 COD負(fù)荷在 2.1～12.8 g/（m2·d）的范圍內(nèi)增加時(shí)，人工濕地對 COD 的單位去除量呈線性增加趨勢，說明實(shí)驗(yàn)條件下，人工濕地能夠很好地實(shí)現(xiàn)對COD的去除。水平流人工濕地內(nèi)較好的基質(zhì)作用和微生物豐度均有助于實(shí)現(xiàn)較好的COD 去除效果〔6〕。

從圖1（c）可以看出，當(dāng)進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷在0.2～1.7 g/（m2·d）的范圍內(nèi)增加時(shí)，人工濕地對 NH4+-N的單位去除量呈線性增加趨勢。說明在水平潛流人工濕地溶解氧濃度較低的情況下，采用具有較好NH4+-N吸附能力的基質(zhì)填料，能夠有效提高人工濕地對 NH4+-N 的去除效果〔7〕。 從圖 1（d）可以看出，當(dāng)進(jìn)水 TN 負(fù)荷在 0.6～1.2 g/（m2·d）的范圍內(nèi)增加時(shí)，人工濕地對TN的單位去除量呈增加趨勢；繼續(xù)增加進(jìn)水TN負(fù)荷，人工濕地對TN的單位去除量并不能顯著增加。人工濕地對TN的去除效果較差的原因可能是由于人工濕地中的碳源不足，使得反硝化過程受到限制。張榮社等〔8〕也通過研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水TN負(fù)荷顯著影響著人工濕地的氮去除能力，進(jìn)水TN濃度越高，人工濕地的氮去除率越低。

2.2 人工濕地對污染物去除的多因素分析

上述研究表明，水平潛流人工濕地對污水中TP、COD、NH4+-N的單位去除量能夠隨著進(jìn)水污染負(fù)荷的增加而呈線性增加，對TN的去除則并未呈線性增加。為了系統(tǒng)研究進(jìn)水污染物組成及其負(fù)荷對人工濕地中污染物去除過程的影響規(guī)律，在相同的進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷條件下，對影響人工濕地脫氮除磷效果的多因素參數(shù)進(jìn)行了冗余分析，如圖2所示。其 中，RrTP、RrTN、RrNH4+-N、RrNO3--N 分 別 代 表TP去除率、TN去除率、NH4+-N去除率、NO3--N去除率；RaTP、RaTN、RaNH4+-N、RaNO3--N 分別代表 TP單位去除量、TN單位去除量、NH4+-N單位去除量、NO3--N單位去除量。

圖2 水平潛流人工濕地脫氮除磷效果影響因素冗余分析

由圖2可以看出，人工濕地的TP去除率和TP單位去除量均與進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，而與進(jìn)水NO3--N負(fù)荷、C/N以及TP負(fù)荷呈正相關(guān)，且相關(guān)性依次增強(qiáng)。人工濕地對磷的主要去除途徑是陶粒吸附〔5〕，在進(jìn)水 COD 相同的條件下，C/N 越大，進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷就越低，NH4+-N的競爭吸附速率也越低〔8〕，因此增強(qiáng)了人工濕地對磷的吸附去除能力。人工濕地的TN去除率、NO3--N去除率、NH4+-N去除率均與進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷、NO3--N負(fù)荷、TN負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，而與C/N呈正相關(guān)。人工濕地中氮的去除受其進(jìn)水負(fù)荷的影響較大，進(jìn)水濃度越高，氮去除率越低〔8〕；而隨著進(jìn)水C/N的增加，濕地內(nèi)的反硝化作用增強(qiáng)，進(jìn)而提高了人工濕地的脫氮效率。然而，人工濕地的TN單位去除量卻與進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷、TN負(fù)荷、NO3--N負(fù)荷呈正相關(guān)，而與TP負(fù)荷、C/N呈負(fù)相關(guān)。隨著進(jìn)水氮濃度的增加，人工濕地對氮的去除效率雖然受到抑制，但其單位去除量卻能增加，而且根據(jù)相關(guān)性可知，碳源是抑制人工濕地氮去除效率的關(guān)鍵問題。此外，由于NH4+-N與TP存在競爭吸附關(guān)系，使得TN單位去除量與TP負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)進(jìn)水 TP、COD、NH4+-N 負(fù)荷分別在 0.1～0.5、2.1～12.8 、0.2～1.7 g/（m2·d）的范圍內(nèi)增加時(shí)，人工濕地對TP、COD、NH4+-N的單位去除量均呈線性增加趨勢；但人工濕地對TN的單位去除量卻不能很好地隨著進(jìn)水TN負(fù)荷的增加而線性增加。

（2）水平潛流人工濕地的TP去除率和TP單位去除量均與進(jìn)水NO3--N負(fù)荷、C/N以及TP負(fù)荷呈正相關(guān)，與進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)；TN去除率、NO3--N去除率、NH4+-N去除率均與進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷、NO3--N負(fù)荷、TN負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，與C/N呈正相關(guān)；而TN單位去除量則與進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷、TN負(fù)荷、NO3--N負(fù)荷呈正相關(guān)，與TP負(fù)荷、C/N呈負(fù)相關(guān)。