人工湿地对富营养化水中氮素污染物的净化效果

人工湿地对富营养化水中氮素污染物的净化效果

随着湿地在水质和生态恢复中的应用越来越广泛，根据环境、生态、经济效益和工程管理的综合要求，优化和研究人工湿地系统的设计和建设，已成为一个必然的问题。人工湿地的最优化包括配水优化、植物优化、基质层优化、流态优化、负荷率优化、运行管护优化等等[5,6,7,8,9,10,11,12,13],其中重点的研究集中在基质层的优化方面。基质层优化的研究主要包括基质层厚度的选择、基质类型及组合对脱氮效果的影响,基质微生物生长变化规律等几个方面。作为构造人工湿地的重要组成部分,基质不但为植物提供生长所必需的环境条件,为微生物提供附着场所以利于其降解污染物,同时对废水中的悬浮固体和颗粒物质进行截留,有效地降低了废水中的TSS,最重要的是基质表面可以附着大量的生物膜,直接影响着基质层中微生物的硝化-反硝化过程,近年来的大量研究均证明:影响人工湿地系统脱氮能力的关键是基质层中微生物的硝化-反硝化作用。关于基质层及流态对氮素污染物净化效果的影响研究国内外专家学者做了大量的工作:K.Sakadevan(1998)等通过试验得出炉渣、土壤和沸石对磷的吸附容量分别为44g/kg、4.4g/kg和2.2g/kg;朱夕珍(2003)等选取石英砂、煤灰渣和高炉渣作为介质,按适当的比例配以有机质和土壤组成人工土填料处理柱,进行了不同基质垂直流人工湿地对城市污水的净化效果研究,考察了它们对COD、TN、TP及湿地导水性能的影响情况;何小娟(2004)等的试验结果表明,在湿地中沸石是一种生物沸石,它可以依靠微生物硝化作用恢复其对氨氮的吸附能力,从而实现沸石的生物再生;K.D.White(1995)等的研究认为,人工湿地的脱氮效率不高主要原因是硝化作用不强,因此采用二级处理、人工曝气、出水回流等措施可以提高湿地的脱氮功能;华涛(2004)、刘真(2003)、雷明(2004)等根据工作实践就人工湿地的野生动物管理、蚊蝇控制、基质层堵塞、工艺流程布置等进行了详细分析。本文以太湖863项目中试基地为依托,通过试验考察基质层及流态对富营养化河水中氮素污染物的净化效果影响情况。1人工湿地中试系统本研究是针对太湖水质氮、磷污染较严重而有机污染水平较低的特点而采用人工湿地技术对河湖污染水体进行处理,削减入湖河流及湖泊水体N、P含量。通过建立人工湿地中试处理系统,对氮、磷含量较高的水体进行净化。工程位于东五里湖大桥东侧湖岸边,占地面积约为600m2,12个池(包括垂直流、潜流、自由表面流和复合流态,编号1～12池),单池20m×1.5m,池与池中间通过池埂隔开,池埂宽1m。池底挖深80cm(1号池挖深120cm,12号池挖深40cm),池梗高于地平面50cm。池底及池埂用粘土夯实,再铺防水布防止渗漏。人工湿地中试系统包括12个池,各池流态、基质、植物配置均不相同,以便在实验过程中进行对比分析,研究人工湿地除污机理、基质选择、植物选择、分层布置、流态组合等问题,找到脱氮除磷的最佳方案。试验期间平均水力负荷率为1.0m3/m2.d,各湿地池基质层、流态设计及植物配置以及其他“材料和方法”参见《人工湿地净化富营养化河水试验研究(一)——植物对氮磷污染物的净化作用》一文中所描述。2结果与分析2.1湿地对氮素污染物的净化效果1号池与2号池均为种植香蒲的垂直流湿地池,但1号池基质层总厚度为120cm、2号池基质层总厚度为80cm。从图1～图2分析可知:(1)1号池和2号池对氮素污染物的净化效果没有显著差异,说明砾石层厚度从80cm增加到120cm后对湿地池的氮素净化效果没有明显影响;(2)2004年9月30日1号池和2号池的出水NH3-N浓度均明显高于进水,这可能是NH3-N在基质层中逐渐累积、集中释放的结果。2.2基质类型及其组合对湿地的处理效果的影响2.2.1沸石净化氮素的效果沸石是一种天然的硅铝盐矿,其分子式为Men+xAlmxSiyO2(nx+y);其中Men+代表K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Fe3+和NH4+。它对各种阳离子的选择吸附存在以下优先顺序:K+>NH4+>Ag+≥Pb2+Na+>Cu2+>Ca2+>Li+>Mg2+。因此,它对铵根离子(NH4+)有着很强的选择吸附功能,吸附容量最高可达11.2mg/g左右。另外,沸石内部具有发达的孔道结构,这种结构为微生物的生长提供了良好的场所,进而可以促进氨氮的生物硝化。本研究选择2004年8月24日和8月30日各湿地池对TN、NH3-N和NO3-N的净化效果作为分析对象,考察以沸石为上层基质的湿地池(4号池、6号池、10号池)对氮素污染物的净化效果,并与未加沸石的其他湿地池进行对比,结果如图3、图4所示。从图3、图4分析可知:(1)上层为沸石的4号池、6号池、10号池对TN、NH3-N的净化效果显著好于其他各池,沸石对NH3-N的选择性吸附是其中的主要机制;(2)上层为沸石的4号池、6号池、10号池对NO3-N的净化效果与其他各池基本相似,这是因为沸石对NO3-N不具有选择吸附功能;(3)1号池、8号池、9池对TN、NH3-N的净化效果最差,其中NH3N的去除率为负值,这是流态选择、基质层设计、植物配置综合作用的结果,即:香蒲、炉渣、土壤、表面流条件下湿地池对TN、NH3-N的净化效果很差。2.2.2净化效果的季节及大小6号池与7号池均为种植美人蕉和茭草的复合流湿地池(垂直流+潜流),所不同的是6号池后半部分上层基质为砾石,7号池后半部分上层基质为炉渣。从图5～图6分析可知:(1)6号池和7号池对TN的净化效果有一定差异,且这种差异随季节变化而变化,气温较高的植物生长季节(2004年8月～9月)6号池的TN净化效果只是稍好于7号池,且差距不明显。在气温低的植物枯萎季节(2004年10月底～2005年1月初)6号池TN净化效果却劣于7号池;而在秋、春季节(2004年10月以及2005年1月后),6号池TN净化效果却大大强于7号池。(2)6号池和7号池对NH3-N的净化效果的差异在秋季并不明显,但进入9月之后,7号池的去除效果开始大幅度下降,从此时到次年春季,6号池的去除效率基本高于7号池,另外去除效果的总体趋势两池皆随气温下降而降低;(3)6号池对NO3-N的净化效果总体上好于7号池,且随气温下降它们对NO3-N的净化效果也下降;(4)6号池和7号池都种植了生长快、生物量高的美人蕉,其对河水中氮素污染物具有良好的净化作用,在气温较高的植物生长季节6号池和7号池对TN、NH3-N、NO3-N的去除率都达到90%以上。2.3tn的去除效果该中试系统湿地池共有4种流态:自由表面流(12号池)、潜流(11号池)、垂直流(1号～5号池)和复合流态(垂直流+潜流,6号池～10号池)。不同的湿地流态对复氧、植物生长、污染物的净化效果等都可能造成影响。本研究分别以气温较高的植物生长季节、气温低的植物枯萎季节为例,考察湿地流态设计对TN净化效果的影响,结果如图7所示。从图7分析可知:(1)垂直流和复合流湿地池(1号池～5号池、6号～7号池)TN的去除率相对较高,表面流湿地池(12号池)TN的去除率最低;(2)气温较高季节(2004年8月30日)时,6号池和7号池(均为复合流)的TN去除率最高,这与植物(美人蕉)及其生长期(旺季)有很好的对应关系。推断这也很有可能是流态通过改变DO、水温等影响了基质层中微生物的生长,其中主要是影响了基质层中的DO含量:垂直流对基质中的供氧能力要强于自由表面流,自由表面流湿地的基质中DO基本来自进水和植物根部泌氧,而垂直流则可以利用一部分大气复氧。DO的差异将直接影响到微生物的硝化作用,最终使脱氮效果出现了差异。本研究还对2004年8月30日各湿地池对TN、NH3-N、NO3-N的净化效果进行了深入的归类比较,结果如表1所示。由表1分析可知:复合流态湿地池对TN、NH3-N、NO3-N的去除率相对最高,且与潜流-垂直流相前后次序没有显著相关性;潜流、垂直流湿地池对TN、NH3-N、NO3-N的去除率介于复合流、表面流之间;表面流对TN、NH3-N、NO3-N的去除率最低。3沸石池的净化效果(1)砾石基质层厚度从80cm增加到120cm对湿地池净化氮素污染物的效果没有明显影响。(2)沸石湿地池对NH3-N的净化效果比较高,TN的净化效果也有一定增强,但NO3-N的净化效果几乎没有变化。发达的微孔结构和对NH4+具有很强的选择性吸附作用是沸石池对NH3-N具有良好净化效果的主要原因。(3)复合流态(垂直流+潜流)湿地池对TN、NH3-N、NO3-N的去除率相对较高,