人工濕地處理生活污水的比較范文

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《環(huán)境科技》2014年第三期

1材料與方法

1.1主要材料基質(zhì)是人工濕地總要的組成部分之一，選擇基質(zhì)以較高的孔隙率、較好的理化特性、易得性、經(jīng)濟(jì)成本以及基質(zhì)間的互補(bǔ)效應(yīng)等為原則，選取高爐礦渣與粉煤灰等體積比混合作為本研究的實(shí)驗(yàn)基質(zhì)。根據(jù)濕地植物選取的一般原則，即生態(tài)安全性、耐污能力強(qiáng)、凈化能力強(qiáng)以及具有一定的利用價(jià)值等原則，選擇菖蒲作為本研究的人工濕地植物。實(shí)驗(yàn)所用生活污水來(lái)源為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生活污水，為保證取水水樣穩(wěn)定，采取定點(diǎn)定時(shí)定量的方法取樣，經(jīng)檢測(cè)原水水樣主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2主要裝置主要試驗(yàn)裝置是10mm厚度玻璃缸（400mm×300mm×350mm），在玻璃鋼兩側(cè)分別開(kāi)孔構(gòu)成潛流式人工濕地。在玻璃缸內(nèi)從下至上分別填充Φ20～Φ40mm的鵝卵石（厚度約為100mm），中層為Φ10～Φ20mm的鵝卵石（厚度約為100mm），上層是厚度約100mm基質(zhì)層，并覆蓋約為50mm的泥土層。

1.3實(shí)驗(yàn)方法于湖南省長(zhǎng)沙市紅星花卉市場(chǎng)挑選長(zhǎng)勢(shì)一致、無(wú)病蟲(chóng)害的菖蒲若干株。首先在對(duì)菖蒲進(jìn)行馴化后統(tǒng)一移栽至人工濕地中。選取的植株需健康且長(zhǎng)勢(shì)一致，分2列，植株間距相同，密度為6株/池。在檢測(cè)出水水質(zhì)時(shí)，3種人工濕地進(jìn)水采用同一污水源，進(jìn)水TN，TP，COD的含量均相同，經(jīng)人工濕地處理后在出水口取樣，采用定時(shí)定量的方法取樣，并計(jì)算其各組的平均值，由此進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)計(jì)基質(zhì)與菖蒲構(gòu)成的人工濕地為優(yōu)化組，第2組為不種植菖蒲的對(duì)照組，第3是種植菖蒲的傳統(tǒng)人工濕地，即以沙土為基質(zhì)，是為傳統(tǒng)組。各類型人工濕地做平行試驗(yàn)3組。在各類型人工濕地處理水樣的1，3，5，7d時(shí)檢測(cè)出水水樣的TN，TP，COD，各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法均參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第4版。TN采用鉬酸銨分光光度法；TP過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法；COD采用重鉻酸鉀法。

2結(jié)果與分析

2.1不同類型人工濕地對(duì)污水中TN的凈化效果比較根據(jù)生活污水的取樣水和人工濕地運(yùn)行處理污水的1，3，5，7d分別檢測(cè)出水水質(zhì)的TN濃度，經(jīng)計(jì)算出平均值繪制出在相同進(jìn)水條件下3種不同類型的人工濕地對(duì)污水中TN質(zhì)量濃度的變化曲線，見(jiàn)圖1。通過(guò)圖1中的變化趨勢(shì)可知，3種類型的人工濕地對(duì)生活污水中的TN均有一定程度的凈化作用，但各自的去除效果并不相同，隨著人工濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，優(yōu)化組和傳統(tǒng)組對(duì)TN的凈化效果總體趨勢(shì)大致相同，而對(duì)照組卻處于較低的且平穩(wěn)的去除率。如圖1所示，污水中TN質(zhì)量濃度在5.52~6.53mg/L之間，平均質(zhì)量濃度6.28mg/L。人工濕地運(yùn)行1d時(shí)對(duì)TN的最高去除率僅為8.92%，3d時(shí)為14.49%，5d時(shí)為26.59%，7d時(shí)達(dá)68.79%。根據(jù)對(duì)去除率的變化可知，人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行至?xí)r去除率變化較為緩慢，在7d時(shí)對(duì)TN的去除有了較大提高，因此隨著人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，更有利于去除污水中TN的含量。這是因?yàn)殡S著人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行有利于微生物的繁殖，在濕地基質(zhì)層中形成的生物膜不斷增加，更利于對(duì)N的硝化、反硝化等作用，同時(shí)也有利于濕地植物根系直接從污水或根基微生物中吸收利用無(wú)機(jī)氮。人工濕地系統(tǒng)主要是通過(guò)基質(zhì)的吸附作用、植物的吸收利用、微生物的生化反應(yīng)來(lái)達(dá)到凈化生活污水中氮素的目的。在人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)的成分決定了地下微環(huán)境，植物負(fù)責(zé)地上與地下氧、水等物質(zhì)的溝通，兩者的共同作用又影響到了微生物群落的功能大小、種類多樣性等。污水中的有機(jī)氮的去除主要依靠微生物的作用，而無(wú)機(jī)氮的去除則是被植物直接吸收利用，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分解、轉(zhuǎn)化最終合成蛋白子和有機(jī)氮，成為植物生長(zhǎng)發(fā)育的養(yǎng)分。計(jì)算對(duì)TN的平均去除率，見(jiàn)圖2。由圖2的變化趨勢(shì)可以看出，3種類型的人工濕地隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)水體TN的去除率總體來(lái)說(shuō)是在提高，但對(duì)照組總體去除率提高緩慢且較為平緩。在相同外部環(huán)境和進(jìn)水水質(zhì)的條件下，人工濕地運(yùn)作至第7天時(shí)，優(yōu)化組對(duì)TN的去除率為68.79%，對(duì)照組為13.06%，傳統(tǒng)組為46.82%?？芍獌?yōu)化組對(duì)總氮的去除率最高，而對(duì)照組則最差，傳統(tǒng)組居中。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于菖蒲是通過(guò)馴化后移栽至人工濕地，在人工濕地運(yùn)行初期其根系尚未完全伸展，隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)根系得到了伸展并適應(yīng)了新的環(huán)境，另外其根系較為發(fā)達(dá)、須根數(shù)量多、根系較長(zhǎng)，因此根系附近的不同層面中的溶解氧含量增加，使得根際微生物能夠較短時(shí)間內(nèi)大量繁殖，促進(jìn)了對(duì)有機(jī)氮的分解，同時(shí)菖蒲發(fā)達(dá)的根系對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收能力也逐漸加強(qiáng)。另外由于基質(zhì)具有較大的比表面積，使得微生物附著于基質(zhì)的生物膜能夠最大化，不僅僅是與污水的接觸面積增加，還有基質(zhì)本身的物理吸附、離子交換等作用于氮素，因此生活污水經(jīng)優(yōu)化組凈化處理后的出水水質(zhì)最好。

2.2不同類型人工濕地對(duì)污水中TP的凈化效果比較同樣，計(jì)算出人工濕地運(yùn)行不同時(shí)間的出水平均TP含量，繪制出污水TP含量的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖3。通過(guò)圖3的變化趨勢(shì)可知，優(yōu)化組與對(duì)照組的TP去除效果相差不多，傳統(tǒng)組的去除效果較低。通過(guò)與TN的去除變化趨勢(shì)相比，優(yōu)化組和對(duì)照組在人工濕地運(yùn)行之初便對(duì)TP有較高的去除效果外，與傳統(tǒng)組一樣，隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，TP的去除率仍有緩慢提高。P是植物、微生物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一。隨人工濕地的運(yùn)行，菖蒲適應(yīng)新環(huán)境并生長(zhǎng)發(fā)育，其根系得到伸展，基質(zhì)層中微生物的繁殖，都需要吸收污水中的磷素，經(jīng)吸收、分解、轉(zhuǎn)化等相關(guān)反應(yīng)后成為植物及微生物的生物膜、ATP、DNA以及RNA等有機(jī)成分，而高爐礦渣和粉煤灰本身便可作為強(qiáng)化除磷基質(zhì)，且對(duì)P的解析率較低，僅為0.68%，因此對(duì)P有較強(qiáng)的出去效果。各人工濕地對(duì)TP去除率計(jì)算平均值見(jiàn)圖4。通過(guò)圖4的比較可知，3種人工濕地系統(tǒng)在對(duì)污水中TN的凈化效果最好的是優(yōu)化組，在7d時(shí)達(dá)到了88.99%，其次是對(duì)照組，最差的則是傳統(tǒng)組，去除率分別為74.98%，28.68%。TP的去除原理與TN的去除原理相似，同樣由于菖蒲的逐漸適應(yīng)，根系的伸展，微生物的繁殖，微生物膜面積的增大，隨人工濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)P的去除率逐漸提高。但與TN去除不同的是，濕地基質(zhì)對(duì)TP的去除起了起到了較大作用。例如高爐礦渣在水淬急冷時(shí)形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，另因鈣的含量較高，P更易吸附與基質(zhì)表面，形成磷酸鈣，達(dá)到去除磷素的效果。

2.3不同類型人工濕地對(duì)污水中總COD的凈化效果比較依據(jù)3種類型人工時(shí)運(yùn)行時(shí)間對(duì)出水水質(zhì)COD含量的變化趨勢(shì)，繪制出出水COD含量變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖5。通過(guò)圖5可知，3種人工濕地所進(jìn)水水樣COD平均質(zhì)量濃度為89mg/L，而原始水樣COD質(zhì)量濃度則在87.62~90.70mg/L之間變動(dòng)。優(yōu)化組與對(duì)照組在運(yùn)行1d，COD的去除率分別為44.19%，34.08%。傳統(tǒng)組隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)去除率不斷上升，而對(duì)照組則在運(yùn)行1d后相對(duì)處于平緩，優(yōu)化組則與傳統(tǒng)組類似，隨運(yùn)行時(shí)間去除率不斷提高。3種人工濕地對(duì)COD的去除率比較見(jiàn)圖6。圖63種人工濕地對(duì)COD的去除率比較通過(guò)圖6比較可知，優(yōu)化組在運(yùn)行至7d時(shí)對(duì)COD去除效果最好，達(dá)到了76.03%，傳統(tǒng)組與對(duì)照組COD的去除率較為接近，平均去除率分為38.22%，33.34%。COD的的去除主要依靠顆粒物質(zhì)的過(guò)濾作用以及微生物的生化反應(yīng)，因此優(yōu)化組與對(duì)照組能夠在運(yùn)行1d對(duì)COD的平均去除率就分別達(dá)到了44.19%，34.08%。由于植物對(duì)COD的吸附作用和植物生長(zhǎng)并不需要COD等因素，另根系分泌的物質(zhì)和根系都有助于微生物群落的繁殖，使得微生物群落的種類、數(shù)量、功能等得到了增強(qiáng)。因此植物的生長(zhǎng)發(fā)育，微生物的繁殖，隨人工濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，優(yōu)化組和傳統(tǒng)組COD的去除率逐步提高。對(duì)照組中并未種植菖蒲，基質(zhì)中微生物受DO含量、有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)的限制，故去除率達(dá)到34.08%后，隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)去除率較為平緩。由圖6可知，優(yōu)化組和傳統(tǒng)組對(duì)COD去除率的變化趨勢(shì)在濕地處理污水1d后的變化趨勢(shì)幾乎相同，7d時(shí)，優(yōu)化組、對(duì)照組、傳統(tǒng)組對(duì)COD的去除率分分別是76.03%，33.34%，38.22%。優(yōu)化組對(duì)污水中COD去除效果最佳。3種類型人工濕地在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)生活污水處理效果的對(duì)比研究：①有將前人研究成果運(yùn)用于實(shí)際，有利于拓展研究；②為增強(qiáng)人工濕地處理能力提供了新的研究思路；另由于所選基質(zhì)為工業(yè)固體廢棄物，而且在提高人工濕地處理能力的同時(shí)保持了原有特點(diǎn)，更有利于應(yīng)用將來(lái)的工程建設(shè)中。比以往的單單研究人工濕地的基質(zhì)或植物篩選更能有效的提高污水處理能力。本研究的優(yōu)化組與對(duì)照組所用基質(zhì)均為工業(yè)固體廢棄物，所用植物菖蒲不僅僅是處理生活污水的高效植物，還具有觀賞價(jià)值和醫(yī)用價(jià)值。在以往的人工濕地中很少和沒(méi)有研究過(guò)同時(shí)采用此類基質(zhì)和植物，所以在將來(lái)的人工濕地系統(tǒng)的研究和發(fā)展中提供了新的研究思路和依據(jù)。

3結(jié)論

（1）對(duì)優(yōu)化組、對(duì)照組和傳統(tǒng)組3種類型的人工濕地進(jìn)行了處理生活污水效果的動(dòng)態(tài)研究。在此動(dòng)態(tài)條件下，3種人工濕地系統(tǒng)處理生活污水的效果總體上隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而提高的，3種人工濕地運(yùn)行至7d時(shí)，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組TN的去除率相差較大，相差達(dá)55.73%，主要是由于缺乏濕地植物根系及根系分泌物；TP的去除以優(yōu)化組最好，傳統(tǒng)組最差，主要是由于傳統(tǒng)組所采用的沙土基質(zhì)不能較好的吸附磷素，但隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)3種人工濕地的去除率增長(zhǎng)趨勢(shì)總體相同；COD的去除并不十分依賴濕地植物，相反主要依靠植物、微生物以及基質(zhì)3者間的協(xié)同作用，故傳統(tǒng)組與對(duì)照組在7d時(shí)對(duì)COD的去除率相近。（2）通過(guò)對(duì)TN，TP，COD去除率比較研究，可知優(yōu)化組人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果最好，7d時(shí)對(duì)TN，TP，COD的去除率分別是67.79%，88.99%，76.03%。并分析可知，單一使用處理生活污水的高效基質(zhì)或濕地植物均不能達(dá)到最高處理效果。（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出優(yōu)化配置后的人工濕地優(yōu)于傳統(tǒng)類型，可在分析對(duì)照組時(shí)發(fā)現(xiàn)若濕地植物的伴生菌并不適于在此基質(zhì)中生存繁殖，那么濕地植物與基質(zhì)將會(huì)表現(xiàn)出拮抗作用，因此選擇合適搭配顯得尤為重要,而伴生菌可在一定程度上作為指標(biāo)數(shù)據(jù)。另外對(duì)優(yōu)化組與傳統(tǒng)組的污水處理效果對(duì)比分析后可知，在不表現(xiàn)出拮抗作用的前提下，不同高效濕地材料的搭配下各組成部分協(xié)同作用的強(qiáng)弱不同仍然會(huì)有不同的污水處理效果，也必然存在比優(yōu)化組更適合處理生活污水的配置。因此從高效材料中選擇合適的材料組合搭配得到出眾的污水處理效果將是研究提高污水處理能力的方向和研究工作的重點(diǎn)。

作者：任森華袁博葛大兵田熊蘇暢徐麗單位：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院