盐碱土壤基质人工湿地对低浓度氮磷废水的净化效果

1、张虎成等：盐碱土壤基质人工湿地对低浓度氮磷废水的净化效果 183盐碱土壤基质人工湿地对低浓度氮磷废水的净化效果张虎成1, 2，田 卫1，俞穆清1，于 健3，付友宝3，王晓冬41. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130012；2. 中国科学院研究生院，北京 100049；3. 洮南市环境保护局，吉林 洮南 137100；4. 长春市环境监测中心站，吉林 长春 130012摘要：采用实验室模拟研究了以盐碱土壤为基质的不同湿地植物人工湿地系统以及对水中低质量浓度氮和磷的去除效率。实验表明，芦苇系统、香蒲系统、车钱草系统和无植物系统均对水中低质量浓度的N具有净化效果。3种植物系统相比

2、，香蒲系统的净化效果较其他二者较佳，芦苇系统与车钱草的净化效果相当；同时实验也表明4种湿地系统对低质量浓度的P不具有净化效果，随着水力停留时间的增加，系统中的P质量浓度反而会有所增加。关键词：盐碱土壤基质；人工湿地；氮；磷 中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）02-0182-03人工湿地作为一种价廉、快速、有效、可广泛应用的污水处理新技术近年来得到了长足的发展。目前它被广泛应用于生活污水1、工业废水2，采油废水35，农业非点源污染的治理与控制6，显示出了人工湿地对水质净化方面的优势和潜力。近年来，各国学者对人工湿地净化高质量浓度氮磷废水效果的研究较多，而

3、对净化低质量浓度氮磷废水效果的研究较少。而对后者的研究有助于明确人工湿地系统对污水中氮磷元素的处理极限，因此在实际工程应用中具有重要的指导意义。1 材料与方法1.1 实验设计本实验在实验室内模拟完成。实验室采用的有机玻璃箱规格为：长×宽×高=40 cm×40 cm×80 cm。箱内分层填充60 cm吉林西部地区典型的盐碱土壤，箱内移植耐盐碱的西部典型植物芦苇、香蒲和车钱草。待植物成活后，分别加入稀释后的城市污水。1.2 样品采集与分析方法生活污水采自洮南市城市污水总泵站出口，经适量稀释后加入实验箱，自加入日期开始，每天定时采样进行测定，采样方法按文献7进

4、行。同时测定稀释后的污水氮磷的质量浓度，测定值见表1。总磷的测定先对水样进行消解，然后用荷兰SKALAR公司生产的SAN+型连续流动化学分析仪进行测定。NH3-N、NO2-N和NO4-N直接用SAN+型连续流动化学分析仪测定。数据分析和曲线拟合应用Origin7软件。2 结果与讨论2.1 水力停留时间与氮磷质量浓度变化的关系图1至图4分别为总磷（TP）质量浓度变化、硝态氮（NO3-N）质量浓度变化、氨氮（NH4-N）质量浓度变化和亚硝态氮（NO2-N）质量浓度变化与水力停留时间HRT（Hydrological Retention Time）的关系曲线图。从图1可以看出，盐碱土壤基质的人工湿地对

5、低质量浓度磷没有净化效果。随着HRT的增加，水中TP的质量浓度在逐渐升高，4个系统均表现出相同的变化趋势，这主要是由于土壤中的磷元素向污水中释放，其中无植物系统的增长速度较快，这也说明植物在人工湿地系统中起到了吸收部分磷的作用。表1 稀释后污水氮和磷的质量浓度Table 1 Diluted sewages concentration of nitrogen and phosphorusmg×L-1系统TPNO3-NNH4-NNO2-N芦苇植物系统0.20340.60241.4230.2564无植物系统0.22180.54320.39560.0621香蒲系统0.1120.45361.1

6、8840.2986车钱草系统0.07150.98621.63250.1342图2、图3和图4表明，盐碱土壤基质的人工湿地对低质量浓度NO3-N、NH4-N和NO2-N均具有一定的净化效果。随着HRT的增加，水中NO3-N、NH4-N和NO2-N的质量浓度在逐渐降低，4个系统均表现出相同的变化趋势。从图中可以看出当水力停留时间大于4 d时氮质量浓度变化趋缓，说明系统最佳水力停留时间为4 d。2.2 水力停留时间与氮磷净化效果的关系图5至图8为水力停留时间与氮磷净化效果的关系曲线图。由图可知，4个系统对低质量浓度磷均不具有净化效果，相反会增加系统的磷负荷，主要原因是土壤磷输入系统造成的。表2为4个

7、系统对氮磷的平均去除效率。图1 TP质量浓度变化与水力停留时间的关系Fig.1 The Relationship between TP and HRT图3 NH4-N质量浓度变化与水力停留时间的关系Fig.3 The Relationship between NH4-N and HRT图4 NO2-N质量浓度变化与水力停留时间的关系Fig.4 The Relationship between NO2-N and HRT图2 NO3-N质量浓度变化与水力停留时间的关系Fig.2 The Relationship between NO3-N and HRT图5 TP的净化效率与水力停留时间的关系F

8、ig.5 Relationship between TP removal and HRT图6 NO3-N的净化效率与水力停留时间的关系Fig.6 Relationship between NO3-N removal and HRT表2 4个湿地系统对氮磷的平均去除效率Table 2 Average nitrogen and phosphorus removal efficiencyamong four constructed wetland systems %项目芦苇植物系统无植物系统香蒲系统车钱草系统TP-113-205-118-267NO3-N51536459NH4-N29563643NO

9、2-N56626156磷的净化效果最差的是无植物系统，效率为-205%，对NO3-N的去除效率最高的是香蒲，为64%，而对NH4-N和NO2-N来说，无植物系统的去除效率最高，这主要是由于该模拟箱中污水中氮磷的本底质量浓度较低，并不能说明无植物系统的净化效果比有植物系统的净化效果好，这种现象同时也从侧面说明了湿地土壤因素对污水也具有净化作用，这与陈博谦等人8的研究结论相似。3种植物系统相比，香蒲系统的去除效率要优于芦苇与车钱草系统，芦苇系统与车前草系统相当。3 结论（1）以吉林西部盐碱土壤为基质的人工湿地处理低质量浓度氮磷废水，当水中磷质量浓度小于0.2218 mg/L时，湿地系统对污水中的磷

10、不具有净化作用，相反会增加系统的磷负荷。主要原因是水中磷质量浓度较低，土壤中的磷向水中释放速率大于系统对磷的同化速率。（2）芦苇系统、无植物系统、香蒲系统和车钱草系统对NO3-N、NO2-N和NH4-N具有一定的净化功能。本实验中对于NH4-N和NO2-N来说，无植物系统的平均去除效率最高，分别为56%和62%，土壤因素对氮具有单独的净化作用。对于NO3-N来说，香蒲系统具有最高的净化效果，平均净化效率为64%。3种植物系统相比，香蒲系统的去除效率要优于芦苇与车钱草系统，芦苇系统与车前草系统相当。图7 NH4-N的净化效率与水力停留时间的关系Fig.7 Relationship between

11、 NH4-N removal and HRT图8 NO2-N的净化效率与水力停留时间的关系Fig.8 Relationship between NO2-N removal and HRT（3）水力停留时间为4 d时系统对NO3-N、NO2-N、NH4-N的净化效果基本达到最大，可确定系统的最佳停留时间为4 d。参考文献：1NERALLA S, WEAVER R W, LESIKAR B J, et al. Improvement of domestic wastewater quality by subsurface flow constructed wetlandsJ. Bioresourc

12、e Technology, 2000, 75(1): 1925.2HEAHER L S, MARK E G, GEORGE T. Treatment of high-strength winery wastewater using a subsurface-flow constructed wetlandJ. Water Environment Research, 2001, 73 (4): 394403.3KNIGHT R L. The use of treatment wetlands for petroleum industry effluentsJ. Environmental Sci

13、ence and Technology, 1999, 33(7): 973980.4ANNE L S, CYNTHIA A M. Design and hydraulic performance of a constructed wetland treating oil refinery wastewaterJ. Water Science and Technology, 1999, 40(3): 301307.5籍国东, 孙铁珩, 常士俊. 自由表面流人工湿地处理超稠油废水J. 环境科学, 2001, 22 (4): 9599.JI G D, SUN T H, CHANG S J. Supe

14、r heavy oil produced water treatment by surface flow constructed wetlandJ. Environmental Science, 2001, 22 (4): 9599.6BRASKERUD B C. Factors affecting nitrogen retention in small constructed wetlands treating agricultural non-point source pollution J. Ecological Engineering, 2002, 18: 351370.7水和废水监测

15、分析方法编委会. 水和废水监测分析方法M. 北京: 中国环境科学出版社, 1989: 252286. EDITORIAL COMMITTEE OF MONITORING AND ANALYSIS METHODS FOR WATER AND WASTEWATER. Monitoring and Analysis Methods for Water and WastewaterM. Beijing: Chinese Environment Science Publisher, 1989: 252286.8陈博谦, 王星, 尹澄清. 湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研究J. 城市环境与城市生态, 1

16、999, 12(1): 1921.CHEN B Q, WANG X, YIN C Q. Simulation study on treatment performances of wetlands soils factors in treating sewageJ. City Environment and Ecology, 1999, 12(1): 1921.Purification efficiency of low nitrogen and phosphorus concentrationwith constructed wetland of saline-alkali soil sub

17、stratum ZHANG Hu-cheng1, 2, TIAN Wei1, YU Mu-qing1, YU Jian3, FU You-bao3, WANG Xiao-dong41. Northeast Institution of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, ChangChun 130012, China; 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Environment

18、 Protection Agency, Taonan, Jilin 137100, China; 4. Environment Monitoring Center Station, Changchun 130012, ChinaAbstract: Removal efficiency of low nitrogen and phosphorus concentration in four constructed wetland systems with simulated bed of plants was studied. The experiments showed that the reed bed system, cattail bed system and Herba plantains bed system all had the ability to purify nitrogen. Among the 3 systems, the cattail bed system had the highest removal efficiency and the other two systems were equivalent