不同粒径下人工湿地基质除污性能研究

不同粒径下人工湿地基质除污性能研究

国内外科学家对基质废水处理性能进行了大量研究。因此,本文就不同粒径下(2~4、4~8mm)对3种常用人工湿地基质(无烟煤、沸石、砾石)的除污性能作了研究,并比较了相同基质类型下不同粒径对COD、TN、TP去除率的影响,分析了基质粒径和基质类型对COD、TN、TP这3种典型污染物质去除效能的贡献,以期为人工湿地基质的选择提供科学依据,进一步提高人工湿地的水质净化效率.1材料和方法1.1基质充填人工湿地质如图1,实验装置为人工实验柱,柱体采用有机玻璃材料,直径10cm,高60cm,柱体中铺设50cm高的基质层(在实验柱底部填充大粒径的实验基质以防止堵塞),下方设置锥形排水口.实验选用了沸石、砾石和无烟煤这3种常用的人工湿地基质,每种基质分别选取了3种常见的粒径,分别为1~2、2~4、4~8mm粒径的沸石,2~4、4~8、8~16mm粒径的砾石、以及2~4、3~5、6~8mm粒径的无烟煤.共9组处理,每组处理设置3个重复.1.2进水时间、进水方式及基质实验前期(4月中旬),用实际生活污水培养人工实验柱系统,以模拟真实的微生物环境.5月初,人工实验柱排出实际生活污水后,注入人工配置的污水,开展水质净化实验.配置污水所用底水为亚热带林业研究所内的池塘水,参考冯华军等实验期长两个月,采取间歇进水方式,一次性注入配置污水2L,使污水恰好没过基质层2~5cm,研究水力停留时间(hydraulicretentiontime,HRT)为7d时,3种基质和粒径大小对污水中COD、TN和TP的去除效果.本研究采取了较长的水力停留时间,目的在于使污水与基质充分接触,既延长污水中污染物质与基质表面微生物的作用时间,也为基质的吸附、沉淀等物理化学反应提供充足的反应时间,有助于体现基质之间的差异性.1.3数据统计分析水样测试指标为化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN),分别采用重铬酸钾法、过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法和过硫酸钾氧化-紫外分光光度法进行测定使用MicrosoftExcel2010和SPSS20.0对数据进行统计分析和绘图:对相同粒径不同基质类型的数据、相同类型不同基质粒径的数据分别进行LSD法显著性检验(P<0.05)和Duncan2结果与分析2.1cod的去除从图2可以看出,不同粒径沸石和无烟煤基质对COD的去除率均表现为大粒径优于小粒径:4~8mm>2~4mm>1~2mm(沸石),6~8mm>3~5mm>2~4mm(无烟煤),且不同粒径之间在0.05水平上差异显著,4~8mm沸石和6~8mm无烟煤对COD的平均去除率分别达到了53.74%和62.93%.不同粒径砾石对COD的去除效果表现为:4~8mm>8~16mm>2~4mm,且3种粒径之间存在显著性差异(P<0.05).在2~4、4~8mm粒径下,3种基质对COD的去除效果均表现为砾石最好,分别为44.45%、60.76%.方差分析结果显示,在4~8mm粒径下,无烟煤和砾石对COD的去除效果要显著优于沸石(P<0.05),但在2~4mm粒径下,3种基质对COD的去除率之间无显著性差异(P>0.05).2.2平均去除率图3结果显示,3种基质对TN均有较高的去除率.沸石对TN的平均去除率最高,1~2mm沸石对TN的平均去除率达到了88.64%;其次是无烟煤,平均去除率在60%以上;砾石基质对TN的去除效果相对差一些,但2~4mm砾石对TN的平均去除率也高达68.49%.方差分析结果显示,不同粒径的沸石之间、砾石之间以及无烟煤之间对TN的去除率均存在显著性差异(P<0.05),总体上表现为小粒径优于大粒径.在2~4、4~8mm粒径下,3种基质对TN的去除效果均表现为:沸石>无烟煤>砾石.2.3tp的去除效果从图4可以看出,无烟煤对TP的去除效果最好,平均去除率在60%以上,其次是砾石,去除率在20%~40%之间,沸石对TP的去除效果最差,平均去除率仅在15%以上.表2结果显示,不同粒径的沸石之间、砾石之间和无烟煤之间对TP的去除效果在0.05水平上均存在显著性差异;其中,砾石和无烟煤表现为小粒径优于大粒径,沸石基质则表现出与此相反的趋势:4~8mm沸石对TP的去除效果显著优于1~2、2~4mm(P<0.05).在2~4mm粒径下,3种基质对TP的去除效果表现为:无烟煤>砾石>沸石,且方差分析结果显示,3种基质对TP的去除效果之间均存在显著性差异(P<0.05);在4~8mm粒径下,无烟煤基质对TP的去除率(62.68%)也显著高于沸石(27.29%)和砾石(27.98%).3讨论3.1基质对cod的去除效果在本实验中,沸石、砾石、无烟煤对COD均有较高的去除率.4~8mm粒径沸石、砾石和无烟煤对COD的平均去除率分别达到了53.74%、60.76%、62.93%.以往的研究结果也显示,这3种基质对COD的去除率是较高的.刘灏等人工湿地主要依赖微生物代谢活动分解去除有机物,基质作为微生物的生长载体,直接的吸附作用对有机物去除影响较小,主要通过间接影响微生物从而影响COD去除率效应检验结果显示(表2),在COD的去除过程中,基质粒径对COD去除率变异的解释度为62.3%,远高于基质类型的解释度7.2%,可以判断出,基质粒径在COD的去除中起了更关键的作用,也说明在人工实验柱中,基质对微生物的影响主要表现为基质粒径对微生物的影响.3.2基质类型和粒径对tn去除效果的影响图3显示,TN去除率在不同基质类型和不同基质粒径之间均有显著差异(P<0.05).在2~4mm和4~8mm粒径下,3种基质对TN的去除效果均表现为:沸石>无烟煤>砾石.这与张翔凌不同粒径沸石、砾石和无烟煤对TN去除效果的影响均表现为小粒径优于大粒径,这也说明了厌氧反硝化作用是人工实验柱中脱氮的主要方式.小粒径的基质能够为反硝化细菌提供更好的缺氧环境,同时也能够提供更多与氨氮、硝态氮进行物理化学反应的位点,从而提高TN去除率.效应检验结果表明,基质类型和粒径对TN去除率变异的解释度分别为59.9%、79.1%,基质粒径对实验柱中TN去除率的影响作用大于基质类型的影响,说明当湿地脱氮以反硝化作用为主时,选择合适的粒径有助于提高湿地脱氮效率.3.3基质类型和粒径对tp去除效果的影响在2~4mm和4~8mm粒径下,无烟煤对TP的去除效果均显著优于砾石和沸石基质.无烟煤的TP去除率在60%以上,砾石在20%~45%之间,沸石的TP去除率低于30%.这与前人的研究结果较为一致.孔令华等图4结果显示,不同粒径的沸石、砾石和无烟煤对TP的去除率之间均存在显著差异(P<0.05),可见基质粒径对TP去除率的影响也是不可忽略的.相同基质类型下,相同体积的小粒径的基质具有更大的比表面积,能够为磷酸盐提供更多吸附沉淀或配位体交换的反应位点.因此基质粒径越小,基质对TP的去除率将会越高.张倩4基质中氮素的去除(1)沸石、砾石和无烟煤对COD均有较好的去除效果.选择合适的基质粒径有利于提高湿地COD的去除率,基质粒径过小和过大都会限制湿地中有机物的降解.本实验中,4~8mm粒径下沸石和砾石的COD去除率最高,6~8mm粒径下无烟煤对COD去除效果最好.(2)人