潜流型人工湿地除磷效果研究

潜流型人工湿地除磷效果研究雒维国,王世和,钱卫一,黄　娟,刘　洋(东南大学市政工程系,江苏南京210096)摘　要:潜流型人工湿地对污水中磷有较好的去除效果,但除磷效率受到季节、植物种类、pH值、溶氧(DO)及水力条件等诸多因素影响。

通过构建的湿地系统研究上述因素和除磷效率的关系,发现湿地除磷效率随季节变化较大,而且其与植物的生长旺盛程度密切相关,高的pH值可以促进磷的去除,填料中DO对磷形态分布和去除影响较大;当水力负荷为0.5～15c m d时,湿地出水的T P去除率可达到73%,试验结果一定程度上显示了潜流型湿地的除磷规律。

关键词:潜流;人工湿地;除磷;影响因素中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:167121556(2004)0420021205a 人工湿地被普遍认为是一种前景光明的新兴污水处理技术,由于其开发和维持费用少、低能耗、高稳定性以及能提供良好的二次或三次处理等优点,目前已被许多国家采用。

但湿地对磷的去除效果受到多种因素影响,季节变化和填料吸附饱和等导致人工湿地除磷效率下降的问题仍未得到有效解决[1,2],导致湿地对高含磷污水的处理受到限制。

目前认为湿地除磷机理主要为植物根部吸收,根区微生物分解利用和介质吸附沉降[3]。

本研究结合试验研究湿地除磷机理,在此基础上提出湿地高效除磷的适用技术,对于推广湿地在处理富营养化污水方面的应用有着重要意义。

潜流型人工湿地的特点是污水在处理过程中被表层土覆盖,更利于污水中磷的吸附沉降,而且因蒸发和流动造成的能量损失最小,因而相对于其他湿地形式,对季节变化造成的除磷效率波动有较好的适应能力。

1　试验装置与方法1.1　人工湿地的基本结构试验在南京锁金村污水处理厂进行。

采用潜流型人工湿地系统,包括七个推流式人工湿地和一个垂直流人工湿地模型,推流人工湿地构型如图1所示。

其中七个人工湿地均为3m×1m×0.8m,另一个人工湿地为13m×3m×0.8m。

推流型湿地底坡坡度为1%,垂直流湿地的底坡坡度为2%,湿地内面以混凝土和防渗材料处理。

处理区填料由表层土与三层砾石层组成。

在处理区前端的15c m处设置多孔隔板,以防出现表面流和布水均匀。

在集水区的0.25m、0.45m和0.65m三个高度处设出水管,以调节湿地系统的水深。

湿地分别栽种芦苇(L)、富贵竹(F)、美人蕉(M)等,其中一个湿地未栽种植物,作为空白对比试验。

芦苇湿地采用推流和垂直流,其他湿地均为推流。

图1　推流人工湿地构造F ig.1　T he con structi on of ho rizon tal flow w etland1.2　湿地运行试验时间为2003年10月～2004年9月。

其间经历春、夏、秋、冬四季,各种植物从茂盛生长进入休眠,再进入早春复苏期和旺盛生长期,大气温度为-10～38℃,水温0～26℃,除了垂直流和对比试验采用间歇和连续运行方式外,其他湿地均采用连续式第11卷　第4期2004年 12月 安全与环境工程Safety and Environm en tal EngineeringV o l.11　N o.4D ec.　2004进水,水力负荷控制在0.5～25c m d,HR T为1～15d。

1.3　进水水质试验污水为锁金村污水处理厂初池沉出水,水质条件见表1。

表1　人工湿地进水水质Table1　The w ater quality of constructed w etland inlet flowpHCODm g・L-1TNm g・L-1IPm g・L-1FT Pm g・L-1T Pm g・L-16～8150～26045～801.0～3.51.2～5.02.5～8.01.4　分析测试在湿地集水区末端和沿湿地长度方向均匀预设取样点采样,测定水温和pH值。

体积法测流量, DO、COD、N和P(无机磷IP、过滤性总磷FT P、总磷T P)的测定采用《水和废水监测分析方法》(第4版)中的标准方法。

2　结果与讨论影响湿地除磷的因素主要包括季节、植物种类、湿地填料、pH值和DO等,另外控制湿地水力条件可以改善湿地除磷效果。

2.1　湿地除磷影响因素(1)季节和温度变化在冬季对湿地采取保温防冻措施,由湿地系统的热平衡关系可知:$湿地损失热量=G地面传导热量+(U进入污水热量-U流出污水热量)当进、出水热量差一定时,控制湿地向外界的传热,可有效提高系统温度。

试验中为了防止出现低温下湿地冰冻,预防富贵竹等植物冻伤,在湿地植物上采用多层PV C透气薄膜进行保温。

由图2明显看出湿地除磷效果受季节和气温(现场月平均温度)影响较大。

各种形态磷的去除率变化趋势与气温的变化趋势是一致的,两者在冬季同时降到最低点,在春夏季节则有较大幅度上升,1月份气温达到最小值5.5℃,7月份高达28.3℃,同时对应的T P去除率为18.2%和48.5%。

试验发现IP、FT P和T P去除率随气温的变化趋势也是一致的,其中IP的去除率最大,T P次之,FT P最小,这可以解释为:富贵竹湿地中由填料和植物须根系环境组成的吸附拦截介质是除磷的主要因素,IP主要靠吸附沉淀作用去除,此作用是除磷主要机理,而植物和微生物对有机磷的降解吸收作用有限,对T P 的去除贡献较小,湿地介质空隙较大,对FT P的拦截吸收较难,所以IP和T P去除率高于FT P;当季节温度升高(2～5月)时,富贵竹须根系活动活跃,附近微生物代谢功能加强,而根系和微生物组成的复杂介质环境整体上又使得填料吸附拦截作用增强,从而提高除磷效率,所以季节温度的周期变化则会对介质的除磷能力产生影响,使得IP、T P和FT P 的去除率发生周期性的波动。

例外的是6～8月高温气候,富贵竹受高温气候影响处于“半休眠”状态,介质环境拦截吸附功能下降,导致磷去除率有所下降。

值得注意的是在3～5月期间,FT P的去除率高于IP和T P,因为此时正值富贵竹旺盛生长期,满足植物代谢所需求磷量增加,富贵竹须根系进一步分化生长,促使介质对FT P吸附拦截功能增强,所以其去除率大幅度增加。

图2　富贵竹湿地试验期间P去除率和气温变化F ig.2　T he changes of P removal efficiency of D racaenaSanderiana w etland and air temperatu re in exper2i m en t peri od(2)植物种类图3中植物湿地T P去除率明显高于空白湿地,在6月份美人蕉生长茂盛期和1月份生长休眠期,湿地的T P去除率分别高于空白湿地近50%和25%,充分说明植物在湿地除磷中的作用,虽然T P 的去除靠填料的吸附沉降,而植物根系及附近微生物的降解吸收作用大大增强了湿地介质的拦截吸收功能,整体上改善了T P的去除效果。

三种植物的T P去除率高低顺序为:美人蕉>富贵竹>芦苇推流,这与植物根系发达程度和生长对磷的需求量有关,试验测得美人蕉7月份株高182c m,叶片面积巨大,根系粗壮发达,须根深入填料中45c m,富贵竹和芦苇须根深入则为32c m和65c m,虽然芦苇须根较深,但叶片面积较小,整体上的T P代谢也小。

记录22 安全与环境工程 第11卷芦苇的株高变化,一定程度上反映了其生长旺盛程度,发现芦苇株高与T P 的去除率变化趋势一致,在1月份和6月份株高分别为15c m (芦苇收割)和170c m ,对应T P 去除率则为11.8%和40.6%,3～5月株高变化为35～120c m ,芦苇根系深入变化为28～55c m ,是芦苇快速生长期,大大增强芦苇介质对磷的拦截吸收功能,其T P 去除率此阶段高于富贵竹。

图3　各种植物湿地P 去除率和芦苇株高变化F ig .3　T he changes of P removal efficiency of differen tw etland p lan ts and reed stalk h ighness(3)pH 值现有研究认为磷在湿地的去除主要靠介质物理化学作用和植物吸收实现,磷的去除与介质的酸碱环境有关,碱性环境有利于脱磷[4]。

如图4所示,注意到富贵竹湿地的pH 值范围低于空白湿地,植物生长状态最好,但富贵竹(65c m 水深)T P 的去除率仅高于空白湿地10%,说明植物对于磷的吸收作用存在,但非脱磷主要因素。

长度13m 的芦苇湿地pH 值变化范围较小,除磷效果最好,最高可达到88%,T P 去除率高于3m 长芦苇湿地(水平流)和其他植物湿地,说明介质对磷的物理化学作用是脱磷的主要因素,植物对磷的吸收有限。

同时发现美人蕉湿地的pH 值范围大于富贵竹,虽然富贵竹生长比美人蕉旺盛,但其T P 去除率低于美人蕉,说明介质碱性越强,越有利于脱磷,3m 长度湿地中富贵竹对T P 的去除率低于芦苇,也是该缘故所致;对于富贵竹湿地水位变化而言,65c m 水深的T P 去除率高于45c m 水深的T P 去除率,因为高水位最接近表层土壤介质和植物根系,有利于磷的吸附和与磷吸收有关的物理化学作用的发生。

图4　试验期间湿地T P 去除率和pH 值变化范围F ig .4　T he variati on range of the T P removal efficiencyand pH of w etland in the experi m en t peri od(4)DO湿地进水DO 范围:0.45～1.8m g L 。

图5为试验期间几种主要植物湿地的DO 和T P 去除率的变化范围。

试验结果表明,通过改变水力条件也可使湿地DO 增加,进而增加T P 去除率。

试验发现富贵竹湿地在间歇进水时T P 去除率高于连续进水方式,由于间歇进水时湿地介质处于半饱和干湿交替状态,促进了填料孔隙中的气体和外界气体交换速度,增加了植物根系附近介质中的DO ,有效地增强了根系微生物代谢,使嗜磷菌的呼吸代谢活动加强,对T P 的降解吸收起到了促进作用。

图5　试验期间湿地DO 和T P 去除率变化范围F ig .5　T he variati on range of DO and pho spho ru s re 2moval efficiency of w etland in the experi m en t pe 2ri od由图5可见,湿地出水的DO 范围以富贵竹湿地最高,空白湿地最低。

各系统出水的DO 范围均低于进水,说明湿地系统净化中消耗了部分溶解氧。

栽种植物湿地的出水DO 和T P 去除范围均高于空白湿地,说明栽种植物因光合作用与根系泌氧有效地提高了湿地系统的DO 水平,这与王庆安关于植物向水体供氧的研究结果一致[5],说明植物光合作用强度可以间接地影响湿地T P 去除效果。