人工濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水中氮素污染物的凈化效果

人工濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水中氮素污染物的凈化效果

隨著濕地在水質(zhì)和生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，根據(jù)環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益和工程管理的綜合要求，優(yōu)化和研究人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)，已成為一個(gè)必然的問(wèn)題。人工濕地的最優(yōu)化包括配水優(yōu)化、植物優(yōu)化、基質(zhì)層優(yōu)化、流態(tài)優(yōu)化、負(fù)荷率優(yōu)化、運(yùn)行管護(hù)優(yōu)化等等[5,6,7,8,9,10,11,12,13],其中重點(diǎn)的研究集中在基質(zhì)層的優(yōu)化方面。基質(zhì)層優(yōu)化的研究主要包括基質(zhì)層厚度的選擇、基質(zhì)類(lèi)型及組合對(duì)脫氮效果的影響,基質(zhì)微生物生長(zhǎng)變化規(guī)律等幾個(gè)方面。作為構(gòu)造人工濕地的重要組成部分,基質(zhì)不但為植物提供生長(zhǎng)所必需的環(huán)境條件,為微生物提供附著場(chǎng)所以利于其降解污染物,同時(shí)對(duì)廢水中的懸浮固體和顆粒物質(zhì)進(jìn)行截留,有效地降低了廢水中的TSS,最重要的是基質(zhì)表面可以附著大量的生物膜,直接影響著基質(zhì)層中微生物的硝化-反硝化過(guò)程,近年來(lái)的大量研究均證明:影響人工濕地系統(tǒng)脫氮能力的關(guān)鍵是基質(zhì)層中微生物的硝化-反硝化作用。關(guān)于基質(zhì)層及流態(tài)對(duì)氮素污染物凈化效果的影響研究國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者做了大量的工作:K.Sakadevan(1998)等通過(guò)試驗(yàn)得出爐渣、土壤和沸石對(duì)磷的吸附容量分別為44g/kg、4.4g/kg和2.2g/kg;朱夕珍(2003)等選取石英砂、煤灰渣和高爐渣作為介質(zhì),按適當(dāng)?shù)谋壤湟杂袡C(jī)質(zhì)和土壤組成人工土填料處理柱,進(jìn)行了不同基質(zhì)垂直流人工濕地對(duì)城市污水的凈化效果研究,考察了它們對(duì)COD、TN、TP及濕地導(dǎo)水性能的影響情況;何小娟(2004)等的試驗(yàn)結(jié)果表明,在濕地中沸石是一種生物沸石,它可以依靠微生物硝化作用恢復(fù)其對(duì)氨氮的吸附能力,從而實(shí)現(xiàn)沸石的生物再生;K.D.White(1995)等的研究認(rèn)為,人工濕地的脫氮效率不高主要原因是硝化作用不強(qiáng),因此采用二級(jí)處理、人工曝氣、出水回流等措施可以提高濕地的脫氮功能;華濤(2004)、劉真(2003)、雷明(2004)等根據(jù)工作實(shí)踐就人工濕地的野生動(dòng)物管理、蚊蠅控制、基質(zhì)層堵塞、工藝流程布置等進(jìn)行了詳細(xì)分析。本文以太湖863項(xiàng)目中試基地為依托,通過(guò)試驗(yàn)考察基質(zhì)層及流態(tài)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河水中氮素污染物的凈化效果影響情況。1人工濕地中試系統(tǒng)本研究是針對(duì)太湖水質(zhì)氮、磷污染較嚴(yán)重而有機(jī)污染水平較低的特點(diǎn)而采用人工濕地技術(shù)對(duì)河湖污染水體進(jìn)行處理,削減入湖河流及湖泊水體N、P含量。通過(guò)建立人工濕地中試處理系統(tǒng),對(duì)氮、磷含量較高的水體進(jìn)行凈化。工程位于東五里湖大橋東側(cè)湖岸邊,占地面積約為600m2,12個(gè)池(包括垂直流、潛流、自由表面流和復(fù)合流態(tài),編號(hào)1～12池),單池20m×1.5m,池與池中間通過(guò)池埂隔開(kāi),池埂寬1m。池底挖深80cm(1號(hào)池挖深120cm,12號(hào)池挖深40cm),池梗高于地平面50cm。池底及池埂用粘土夯實(shí),再鋪防水布防止?jié)B漏。人工濕地中試系統(tǒng)包括12個(gè)池,各池流態(tài)、基質(zhì)、植物配置均不相同,以便在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行對(duì)比分析,研究人工濕地除污機(jī)理、基質(zhì)選擇、植物選擇、分層布置、流態(tài)組合等問(wèn)題,找到脫氮除磷的最佳方案。試驗(yàn)期間平均水力負(fù)荷率為1.0m3/m2.d,各濕地池基質(zhì)層、流態(tài)設(shè)計(jì)及植物配置以及其他“材料和方法”參見(jiàn)《人工濕地凈化富營(yíng)養(yǎng)化河水試驗(yàn)研究(一)——植物對(duì)氮磷污染物的凈化作用》一文中所描述。2結(jié)果與分析2.1濕地對(duì)氮素污染物的凈化效果1號(hào)池與2號(hào)池均為種植香蒲的垂直流濕地池,但1號(hào)池基質(zhì)層總厚度為120cm、2號(hào)池基質(zhì)層總厚度為80cm。從圖1～圖2分析可知:(1)1號(hào)池和2號(hào)池對(duì)氮素污染物的凈化效果沒(méi)有顯著差異,說(shuō)明礫石層厚度從80cm增加到120cm后對(duì)濕地池的氮素凈化效果沒(méi)有明顯影響;(2)2004年9月30日1號(hào)池和2號(hào)池的出水NH3-N濃度均明顯高于進(jìn)水,這可能是NH3-N在基質(zhì)層中逐漸累積、集中釋放的結(jié)果。2.2基質(zhì)類(lèi)型及其組合對(duì)濕地的處理效果的影響2.2.1沸石凈化氮素的效果沸石是一種天然的硅鋁鹽礦,其分子式為Men+xAlmxSiyO2(nx+y);其中Men+代表K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Fe3+和NH4+。它對(duì)各種陽(yáng)離子的選擇吸附存在以下優(yōu)先順序:K+>NH4+>Ag+≥Pb2+Na+>Cu2+>Ca2+>Li+>Mg2+。因此,它對(duì)銨根離子(NH4+)有著很強(qiáng)的選擇吸附功能,吸附容量最高可達(dá)11.2mg/g左右。另外,沸石內(nèi)部具有發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)為微生物的生長(zhǎng)提供了良好的場(chǎng)所,進(jìn)而可以促進(jìn)氨氮的生物硝化。本研究選擇2004年8月24日和8月30日各濕地池對(duì)TN、NH3-N和NO3-N的凈化效果作為分析對(duì)象,考察以沸石為上層基質(zhì)的濕地池(4號(hào)池、6號(hào)池、10號(hào)池)對(duì)氮素污染物的凈化效果,并與未加沸石的其他濕地池進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖3、圖4分析可知:(1)上層為沸石的4號(hào)池、6號(hào)池、10號(hào)池對(duì)TN、NH3-N的凈化效果顯著好于其他各池,沸石對(duì)NH3-N的選擇性吸附是其中的主要機(jī)制;(2)上層為沸石的4號(hào)池、6號(hào)池、10號(hào)池對(duì)NO3-N的凈化效果與其他各池基本相似,這是因?yàn)榉惺瘜?duì)NO3-N不具有選擇吸附功能;(3)1號(hào)池、8號(hào)池、9池對(duì)TN、NH3-N的凈化效果最差,其中NH3N的去除率為負(fù)值,這是流態(tài)選擇、基質(zhì)層設(shè)計(jì)、植物配置綜合作用的結(jié)果,即:香蒲、爐渣、土壤、表面流條件下濕地池對(duì)TN、NH3-N的凈化效果很差。2.2.2凈化效果的季節(jié)及大小6號(hào)池與7號(hào)池均為種植美人蕉和茭草的復(fù)合流濕地池(垂直流+潛流),所不同的是6號(hào)池后半部分上層基質(zhì)為礫石,7號(hào)池后半部分上層基質(zhì)為爐渣。從圖5～圖6分析可知:(1)6號(hào)池和7號(hào)池對(duì)TN的凈化效果有一定差異,且這種差異隨季節(jié)變化而變化,氣溫較高的植物生長(zhǎng)季節(jié)(2004年8月～9月)6號(hào)池的TN凈化效果只是稍好于7號(hào)池,且差距不明顯。在氣溫低的植物枯萎季節(jié)(2004年10月底～2005年1月初)6號(hào)池TN凈化效果卻劣于7號(hào)池;而在秋、春季節(jié)(2004年10月以及2005年1月后),6號(hào)池TN凈化效果卻大大強(qiáng)于7號(hào)池。(2)6號(hào)池和7號(hào)池對(duì)NH3-N的凈化效果的差異在秋季并不明顯,但進(jìn)入9月之后,7號(hào)池的去除效果開(kāi)始大幅度下降,從此時(shí)到次年春季,6號(hào)池的去除效率基本高于7號(hào)池,另外去除效果的總體趨勢(shì)兩池皆隨氣溫下降而降低;(3)6號(hào)池對(duì)NO3-N的凈化效果總體上好于7號(hào)池,且隨氣溫下降它們對(duì)NO3-N的凈化效果也下降;(4)6號(hào)池和7號(hào)池都種植了生長(zhǎng)快、生物量高的美人蕉,其對(duì)河水中氮素污染物具有良好的凈化作用,在氣溫較高的植物生長(zhǎng)季節(jié)6號(hào)池和7號(hào)池對(duì)TN、NH3-N、NO3-N的去除率都達(dá)到90%以上。2.3tn的去除效果該中試系統(tǒng)濕地池共有4種流態(tài):自由表面流(12號(hào)池)、潛流(11號(hào)池)、垂直流(1號(hào)～5號(hào)池)和復(fù)合流態(tài)(垂直流+潛流,6號(hào)池～10號(hào)池)。不同的濕地流態(tài)對(duì)復(fù)氧、植物生長(zhǎng)、污染物的凈化效果等都可能造成影響。本研究分別以氣溫較高的植物生長(zhǎng)季節(jié)、氣溫低的植物枯萎季節(jié)為例,考察濕地流態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)TN凈化效果的影響,結(jié)果如圖7所示。從圖7分析可知:(1)垂直流和復(fù)合流濕地池(1號(hào)池～5號(hào)池、6號(hào)～7號(hào)池)TN的去除率相對(duì)較高,表面流濕地池(12號(hào)池)TN的去除率最低;(2)氣溫較高季節(jié)(2004年8月30日)時(shí),6號(hào)池和7號(hào)池(均為復(fù)合流)的TN去除率最高,這與植物(美人蕉)及其生長(zhǎng)期(旺季)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。推斷這也很有可能是流態(tài)通過(guò)改變DO、水溫等影響了基質(zhì)層中微生物的生長(zhǎng),其中主要是影響了基質(zhì)層中的DO含量:垂直流對(duì)基質(zhì)中的供氧能力要強(qiáng)于自由表面流,自由表面流濕地的基質(zhì)中DO基本來(lái)自進(jìn)水和植物根部泌氧,而垂直流則可以利用一部分大氣復(fù)氧。DO的差異將直接影響到微生物的硝化作用,最終使脫氮效果出現(xiàn)了差異。本研究還對(duì)2004年8月30日各濕地池對(duì)TN、NH3-N、NO3-N的凈化效果進(jìn)行了深入的歸類(lèi)比較,結(jié)果如表1所示。由表1分析可知:復(fù)合流態(tài)濕地池對(duì)TN、NH3-N、NO3-N的去除率相對(duì)最高,且與潛流-垂直流相前后次序沒(méi)有顯著相關(guān)性;潛流、垂直流濕地池對(duì)TN、NH3-N、NO3-N的去除率介于復(fù)合流、表面流之間;表面流對(duì)TN、NH3-N、NO3-N的去除率最低。3沸石池的凈化效果(1)礫石基質(zhì)層厚度從80cm增加到120cm對(duì)濕地池凈化氮素污染物的效果沒(méi)有明顯影響。(2)沸石濕地池對(duì)NH3-N的凈化效果比較高,TN的凈化效果也有一定增強(qiáng),但NO3-N的凈化效果幾乎沒(méi)有變化。發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)和對(duì)NH4+具有很強(qiáng)的選擇性吸附作用是沸石池對(duì)NH3-N具有良好凈化效果的主要原因。(3)復(fù)合流態(tài)(垂直流+潛流)濕地池對(duì)TN、NH3-N、NO3-N的去除率相對(duì)較高,