人工濕地是指通過(guò)模擬天然濕地結(jié)構(gòu)與功能,選擇一定的地理位置與地形,根據(jù)人們的需要人為設(shè)計(jì)與建造的濕地.它由水體、基質(zhì)、水生植物和微生物四大基本要素構(gòu)成.基質(zhì)是人工濕地中水生植物和微生物的生長(zhǎng)載體,一般由不同級(jí)配、比例的單一或混合填料構(gòu)成.選擇合適的基質(zhì)材料,可以為污水在濕地系統(tǒng)中的滲流提供良好的水力條件,為植物和微生物的生長(zhǎng)提供良好的載體.基質(zhì)是人工濕地系統(tǒng)中重要的營(yíng)養(yǎng)聚集場(chǎng)所,它本身還可以通過(guò)物理化學(xué)吸附、沉降絡(luò)合等作用有效去除污水中的氮、磷、難降解有機(jī)物等污染物質(zhì).因此,選擇合適的基質(zhì)材料,是構(gòu)建人工濕地、提高人工濕地凈化污水能力的關(guān)鍵措施.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基質(zhì)除污性能上已作了大量研究,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖、鋼渣、無(wú)煙煤等基質(zhì)能有效去除污水中的磷,煤灰渣、砂子、無(wú)煙煤、生物陶粒等基質(zhì)對(duì)有機(jī)物的去除效果較好,沸石、陶瓷濾料、高爐渣等基質(zhì)對(duì)氮素有較高的去除率.但是,不同的基質(zhì)材料在粒徑上往往難以統(tǒng)一,甚至存在較大差異,過(guò)去在比較不同基質(zhì)類型對(duì)污染物質(zhì)的去除效率時(shí)往往忽略了基質(zhì)粒徑的影響.比較不同基質(zhì)類型的除污效能時(shí),必須要考慮粒徑的作用,確保粒徑統(tǒng)一的情況下對(duì)不同基質(zhì)進(jìn)行比較.目前對(duì)基質(zhì)粒徑的研究主要集中在濕地堵塞方面,基質(zhì)粒徑對(duì)污水中污染物質(zhì)的凈化效果的影響尚沒(méi)有一個(gè)明確的參考值.

因此,本文就不同粒徑下(2~4、4~8mm)對(duì)3種常用人工濕地基質(zhì)(無(wú)煙煤、沸石、礫石)的除污性能作了研究,并比較了相同基質(zhì)類型下不同粒徑對(duì)COD、TN、TP去除率的影響,分析了基質(zhì)粒徑和基質(zhì)類型對(duì)COD、TN、TP這3種典型污染物質(zhì)去除效能的貢獻(xiàn),以期為人工濕地基質(zhì)的選擇提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)一步提高人工濕地的水質(zhì)凈化效率.

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與基質(zhì)

如圖1,實(shí)驗(yàn)裝置為人工實(shí)驗(yàn)柱,柱體采用有機(jī)玻璃材料,直徑10cm,高60cm,柱體中鋪設(shè)50cm高的基質(zhì)層(在實(shí)驗(yàn)柱底部填充大粒徑的實(shí)驗(yàn)基質(zhì)以防止堵塞),下方設(shè)置錐形排水口.實(shí)驗(yàn)選用了沸石、礫石和無(wú)煙煤這3種常用的人工濕地基質(zhì),每種基質(zhì)分別選取了3種常見(jiàn)的粒徑,分別為1~2、2~4、4~8mm粒徑的沸石,2~4、4~8、8~16mm粒徑的礫石、以及2~4、3~5、6~8mm粒徑的無(wú)煙煤.共9組處理,每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù).

圖1人工實(shí)驗(yàn)柱系統(tǒng)

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與進(jìn)水

實(shí)驗(yàn)前期(4月中旬),用實(shí)際生活污水培養(yǎng)人工實(shí)驗(yàn)柱系統(tǒng),以模擬真實(shí)的微生物環(huán)境.5月初,人工實(shí)驗(yàn)柱排出實(shí)際生活污水后,注入人工配置的污水,開(kāi)展水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn).配置污水所用底水為亞熱帶林業(yè)研究所內(nèi)的池塘水,參考馮華軍等對(duì)浙江省生活污水的水質(zhì)調(diào)查結(jié)果模擬生活污水水質(zhì),分別用蔗糖、硝酸鈣、硫酸銨、磷酸二氫鉀調(diào)整了化學(xué)需氧量、總氮、銨態(tài)氮和總磷的濃度,使進(jìn)水污染物濃度保持在較高水平,進(jìn)水pH為7(表1).

表1實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)期長(zhǎng)兩個(gè)月,采取間歇進(jìn)水方式,一次性注入配置污水2L,使污水恰好沒(méi)過(guò)基質(zhì)層2~5cm,研究水力停留時(shí)間(hydraulicretentiontime,HRT)為7d時(shí),3種基質(zhì)和粒徑大小對(duì)污水中COD、TN和TP的去除效果.本研究采取了較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間,目的在于使污水與基質(zhì)充分接觸,既延長(zhǎng)污水中污染物質(zhì)與基質(zhì)表面微生物的作用時(shí)間,也為基質(zhì)的吸附、沉淀等物理化學(xué)反應(yīng)提供充足的反應(yīng)時(shí)間,有助于體現(xiàn)基質(zhì)之間的差異性.

1.3指標(biāo)測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析

水樣測(cè)試指標(biāo)為化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN),分別采用重鉻酸鉀法、過(guò)硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法和過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定.

使用MicrosoftExcel2010和SPSS20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖：對(duì)相同粒徑不同基質(zhì)類型的數(shù)據(jù)、相同類型不同基質(zhì)粒徑的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行LSD法顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)和Duncana,b,c多重比較(α=0.05);對(duì)總樣本進(jìn)行主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)(P<0.05),得到基質(zhì)粒徑和基質(zhì)類型對(duì)污染物去除率變異的貢獻(xiàn)值.

2結(jié)果與分析

2.1COD的去除

從圖2可以看出,不同粒徑沸石和無(wú)煙煤基質(zhì)對(duì)COD的去除率均表現(xiàn)為大粒徑優(yōu)于小粒徑：4~8mm>2~4mm>1~2mm(沸石),6~8mm>3~5mm>2~4mm(無(wú)煙煤),且不同粒徑之間在0.05水平上差異顯著,4~8mm沸石和6~8mm無(wú)煙煤對(duì)COD的平均去除率分別達(dá)到了53.74%和62.93%.不同粒徑礫石對(duì)COD的去除效果表現(xiàn)為：4~8mm>8~16mm>2~4mm,且3種粒徑之間存在顯著性差異(P<0.05).

圖2

以3~5、6~8mm無(wú)煙煤對(duì)COD(TN、TP)去除率的均值為4~8mm無(wú)煙煤的COD(TN、TP)去除率;小寫(xiě)英文字母為Duncana,b,c多重比較結(jié)果,不同字母之間表示COD去除率存在顯著性差異(P<0.05),下同圖2不同基質(zhì)和粒徑對(duì)COD的平均去除率

在2~4、4~8mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)COD的去除效果均表現(xiàn)為礫石最好,分別為44.45%、60.76%.方差分析結(jié)果顯示,在4~8mm粒徑下,無(wú)煙煤和礫石對(duì)COD的去除效果要顯著優(yōu)于沸石(P<0.05),但在2~4mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)COD的去除率之間無(wú)顯著性差異(P>0.05).

2.2TN的去除

圖3結(jié)果顯示,3種基質(zhì)對(duì)TN均有較高的去除率.沸石對(duì)TN的平均去除率最高,1~2mm沸石對(duì)TN的平均去除率達(dá)到了88.64%;其次是無(wú)煙煤,平均去除率在60%以上;礫石基質(zhì)對(duì)TN的去除效果相對(duì)差一些,但2~4mm礫石對(duì)TN的平均去除率也高達(dá)68.49%.方差分析結(jié)果顯示,不同粒徑的沸石之間、礫石之間以及無(wú)煙煤之間對(duì)TN的去除率均存在顯著性差異(P<0.05),總體上表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑.在2~4、4~8mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)TN的去除效果均表現(xiàn)為：沸石>無(wú)煙煤>礫石.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖3

圖3不同基質(zhì)和粒徑對(duì)TN的平均去除率

2.3TP的去除

從圖4可以看出,無(wú)煙煤對(duì)TP的去除效果最好,平均去除率在60%以上,其次是礫石,去除率在20%~40%之間,沸石對(duì)TP的去除效果最差,平均去除率僅在15%以上.表2結(jié)果顯示,不同粒徑的沸石之間、礫石之間和無(wú)煙煤之間對(duì)TP的去除效果在0.05水平上均存在顯著性差異;其中,礫石和無(wú)煙煤表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑,沸石基質(zhì)則表現(xiàn)出與此相反的趨勢(shì)：4~8mm沸石對(duì)TP的去除效果顯著優(yōu)于1~2、2~4mm(P<0.05).

圖4

圖4不同基質(zhì)和粒徑對(duì)TP的平均去除率

表2基質(zhì)類型和基質(zhì)粒徑對(duì)COD、TN、TP去除影響的統(tǒng)計(jì)分析1)

在2~4mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)TP的去除效果表現(xiàn)為：無(wú)煙煤>礫石>沸石,且方差分析結(jié)果顯示,3種基質(zhì)對(duì)TP的去除效果之間均存在顯著性差異(P<0.05);在4~8mm粒徑下,無(wú)煙煤基質(zhì)對(duì)TP的去除率(62.68%)也顯著高于沸石(27.29%)和礫石(27.98%).

3討論

3.1基質(zhì)類型和粒徑對(duì)COD去除效果的影響

在本實(shí)驗(yàn)中,沸石、礫石、無(wú)煙煤對(duì)COD均有較高的去除率.4~8mm粒徑沸石、礫石和無(wú)煙煤對(duì)COD的平均去除率分別達(dá)到了53.74%、60.76%、62.93%.以往的研究結(jié)果也顯示,這3種基質(zhì)對(duì)COD的去除率是較高的.劉灝等的研究發(fā)現(xiàn),6.25~6.5mm礫石對(duì)北京市生活污水中COD的去除率在60%以上;李懷正等研究了礫石對(duì)上海市莘莊污水廠初沉池出水的去污效果發(fā)現(xiàn),礫石的COD去除率在60%以上.但是本實(shí)驗(yàn)中3種基質(zhì)對(duì)COD的平均去除率均高于文獻(xiàn)的研究結(jié)果.張翔凌比較了沸石、礫石和無(wú)煙煤對(duì)東湖湖水與化糞池出水的混合原污水污染物的凈化效果發(fā)現(xiàn),沸石對(duì)COD的平均去除率在30%~40%之間,礫石和無(wú)煙煤對(duì)COD的平均去除率在40%以上.孔令華等的研究發(fā)現(xiàn),沸石對(duì)COD的去除率僅為36.7%.這可能是由于實(shí)驗(yàn)中充足的碳源和較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間為微生物的降解提供了充足的反應(yīng)底物和反應(yīng)時(shí)間,從而提高了實(shí)驗(yàn)柱中有機(jī)物的去除效率.

人工濕地主要依賴微生物代謝活動(dòng)分解去除有機(jī)物,基質(zhì)作為微生物的生長(zhǎng)載體,直接的吸附作用對(duì)有機(jī)物去除影響較小,主要通過(guò)間接影響微生物從而影響COD去除率.本研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)水中COD的濃度較高(525.60mg˙L),在有機(jī)物含量充足的條件下,溶解氧是限制人工實(shí)驗(yàn)柱系統(tǒng)好氧降解最主要的因子.實(shí)驗(yàn)柱中的溶解氧主要來(lái)自于大氣復(fù)氧,基質(zhì)間孔隙度的大小會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)柱的復(fù)氧能力.表2結(jié)果顯示,沸石和無(wú)煙煤基質(zhì)對(duì)COD的去除均表現(xiàn)為大粒徑優(yōu)于小粒徑：4~8mm>2~4mm>1~2mm(沸石),6~8mm>3~5mm>2~4mm(無(wú)煙煤),可以判斷出,在2~4mm和3~5mm粒徑下,溶解氧仍是限制沸石和無(wú)煙煤實(shí)驗(yàn)柱中有機(jī)物去除效率的重要因子.填充4~8mm粒徑礫石的人工實(shí)驗(yàn)柱對(duì)COD的去除效果則要優(yōu)于2~4mm和8~16mm,說(shuō)明在4~8mm粒徑下,礫石既能為微生物的降解作用提供更多與有機(jī)污染物反應(yīng)的位點(diǎn),又不會(huì)受到溶解氧供應(yīng)量的限制.

效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示(表2),在COD的去除過(guò)程中,基質(zhì)粒徑對(duì)COD去除率變異的解釋度為62.3%,遠(yuǎn)高于基質(zhì)類型的解釋度7.2%,可以判斷出,基質(zhì)粒徑在COD的去除中起了更關(guān)鍵的作用,也說(shuō)明在人工實(shí)驗(yàn)柱中,基質(zhì)對(duì)微生物的影響主要表現(xiàn)為基質(zhì)粒徑對(duì)微生物的影響.

3.2基質(zhì)類型和粒徑對(duì)TN去除效果的影響

圖3顯示,TN去除率在不同基質(zhì)類型和不同基質(zhì)粒徑之間均有顯著差異(P<0.05).在2~4mm和4~8mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)TN的去除效果均表現(xiàn)為：沸石>無(wú)煙煤>礫石.這與張翔凌的研究結(jié)果一致.沸石的氨氮吸附性能十分優(yōu)異,其硅鋁酸鹽骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有可用于交換陽(yáng)離子的通道,對(duì)氨氮的凈化具有重要的影響.但與以往的研究相比,本實(shí)驗(yàn)中TN去除率是明顯偏高的.湯顯強(qiáng)等做了室內(nèi)無(wú)植物條件下單一填料粗礫石對(duì)污水的凈化,發(fā)現(xiàn)其對(duì)TN的去除率低于40%.Zhang等構(gòu)建了垂直流人工濕地基質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)柱,在實(shí)驗(yàn)期間礫石和無(wú)煙煤對(duì)TN的去除率均低于40%.本實(shí)驗(yàn)中,沸石的TN去除率在70%以上,無(wú)煙煤的TN去除率在60%以上,礫石的TN去除率相對(duì)較低,但也在40%以上.這可能與實(shí)驗(yàn)裝置和進(jìn)水中污染物的濃度有關(guān).有研究表明,微生物的硝化與反硝化作用是濕地除氮最主要的方式,水中碳源充足可以有效提高濕地系統(tǒng)的反硝化速率.在人工實(shí)驗(yàn)柱中,溶解氧沿基質(zhì)層自下而上呈現(xiàn)出厭氧、缺氧及好氧這3種狀態(tài),從而使得系統(tǒng)硝化/反硝化作用有條不紊地進(jìn)行.污水中充足的硝態(tài)氮含量和缺氧環(huán)境為反硝化菌提供了有利的生存條件,充足的碳源為反硝化脫氮提供了電子供體,較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間也為基質(zhì)和微生物提供了更多的吸附和降解反應(yīng)時(shí)間,使得人工實(shí)驗(yàn)柱中氮素的去除效率顯著增大.

不同粒徑沸石、礫石和無(wú)煙煤對(duì)TN去除效果的影響均表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑,這也說(shuō)明了厭氧反硝化作用是人工實(shí)驗(yàn)柱中脫氮的主要方式.小粒徑的基質(zhì)能夠?yàn)榉聪趸?xì)菌提供更好的缺氧環(huán)境,同時(shí)也能夠提供更多與氨氮、硝態(tài)氮進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)的位點(diǎn),從而提高TN去除率.效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果表明,基質(zhì)類型和粒徑對(duì)TN去除率變異的解釋度分別為59.9%、79.1%,基質(zhì)粒徑對(duì)實(shí)驗(yàn)柱中TN去除率的影響作用大于基質(zhì)類型的影響,說(shuō)明當(dāng)濕地脫氮以反硝化作用為主時(shí),選擇合適的粒徑有助于提高濕地脫氮效率.

3.3基質(zhì)類型和粒徑對(duì)TP去除效果的影響

在2~4mm和4~8mm粒徑下,無(wú)煙煤對(duì)TP的去除效果均顯著優(yōu)于礫石和沸石基質(zhì).無(wú)煙煤的TP去除率在60%以上,礫石在20%~45%之間,沸石的TP去除率低于30%.這與前人的研究結(jié)果較為一致.孔令華等研究了沸石對(duì)SBR尾水的處理效果,發(fā)現(xiàn)沸石對(duì)TP的去除率為24.9%.湯顯強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)粗礫石對(duì)TP的平均去除率在35%左右.張翔凌比較了幾種基質(zhì)對(duì)TP的去除效果也發(fā)現(xiàn)無(wú)煙煤的TP去除率高于礫石和沸石.人工實(shí)驗(yàn)柱中磷素的去除是微生物積累和基質(zhì)的物理化學(xué)反應(yīng)共同作用的結(jié)果.基質(zhì)中的Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等金屬離子、金屬氧化物和氫氧化物以及黏土礦物可與可溶性無(wú)機(jī)磷酸鹽發(fā)生吸附沉淀反應(yīng)或配位體交換作用,以實(shí)現(xiàn)磷的凈化.Reddy等的研究發(fā)現(xiàn),濕地系統(tǒng)中7%~87%的磷是通過(guò)基質(zhì)的吸附沉淀作用被除去的.基質(zhì)本身的理化性質(zhì)對(duì)磷素的吸附有很大影響,這也是基質(zhì)類型對(duì)TP去除率變異的解釋度(89.7%)遠(yuǎn)高于基質(zhì)粒徑解釋度(56.4%)的原因.

圖4結(jié)果顯示,不同粒徑的沸石、礫石和無(wú)煙煤對(duì)TP的去除率之間均存在顯著差異(P<0.05),可見(jiàn)基質(zhì)粒徑對(duì)TP去除率的影響也是不可忽略的.相同基質(zhì)類型下,相同體積的小粒徑的基質(zhì)具有更大的比表面積,能夠?yàn)榱姿猁}提供更多吸附沉淀或配位體交換的反應(yīng)位點(diǎn).因此基質(zhì)粒徑越小,基質(zhì)對(duì)TP的去除率將會(huì)越高.張倩[27]的研究中也發(fā)現(xiàn),基質(zhì)對(duì)磷的吸附會(huì)受到粒徑大小的影響,粒徑較小時(shí)基質(zhì)的磷吸附量相對(duì)較高.因此在礫石和無(wú)煙煤實(shí)驗(yàn)柱中,TP的去除均表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑.但在沸石實(shí)驗(yàn)柱系統(tǒng)中,4~8mm沸石對(duì)TP的去除效果顯著優(yōu)于1~2mm和2~4mm粒徑的沸石.這與張翔凌等的結(jié)論不一致.筆者猜測(cè)出現(xiàn)該結(jié)果有以下原因：①沸石基質(zhì)對(duì)氨氮的吸附性能優(yōu)異，有研究發(fā)現(xiàn),沸石中與NH4+發(fā)生離子交換的主要是Na+、Ca2+和K+,三者占離子交換總量的99%.氨氮和磷的吸附點(diǎn)位有所重合,沸石對(duì)氨氮的吸附可能會(huì)影響其對(duì)磷的去除;②實(shí)驗(yàn)柱中的有機(jī)物分解和硝化作用都會(huì)消耗氧,相較4~8mm和2~4mm沸石,1~2mm沸石實(shí)驗(yàn)柱中由于基質(zhì)復(fù)氧能力弱,溶解氧含量更低.微生物在厭氧環(huán)境下會(huì)將吸收的磷酸鹽重新釋放到水中,使水中的磷酸鹽含量升高,TP去除率降低;③在對(duì)磷素的去除過(guò)程中,沸石表面的金屬離子和氧化物能與無(wú)機(jī)磷反應(yīng)生成難溶化合物[27],導(dǎo)致水力傳導(dǎo)系數(shù)下降,污水在沸石中的滲流受阻將會(huì)限制磷素的進(jìn)一步去除.

4結(jié)論

(1)沸石、礫石和無(wú)煙煤對(duì)COD均有較好的去除效果.選擇合適的基質(zhì)粒徑有利于提高濕地COD的去除率,基質(zhì)粒徑過(guò)小和過(guò)大都會(huì)限制濕地中有機(jī)物的降解.本實(shí)驗(yàn)中,4~8mm粒徑下沸石和礫石的COD去除率最高,6~8mm粒徑下無(wú)煙煤對(duì)COD去除效果最好.

(2)人工實(shí)驗(yàn)柱中氮素的去除以反硝化脫氮為主,小粒徑由于復(fù)氧能力弱更有利于氮素的去除.在2~4mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)TN均有較高的去除率,總體表現(xiàn)為：沸石>無(wú)煙煤>礫石.

(3)3種基質(zhì)中,無(wú)煙煤對(duì)TP的平均去除率最高,且表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑;沸石的TP去除率較低,不同粒徑間表現(xiàn)為：4~8mm>2~4mm>1~2mm.