人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果

1、人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果吳振斌陳輝蓉賀鋒成水平付貴萍金建明邱東茹任明迅(中國科學(xué)院水生生物研究所;淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室,武漢430072摘要:建立以亞熱帶濕生、水生植物為主的十二套下行流上行流人工濕地系統(tǒng)作為處理城鎮(zhèn)生活污水的對策。以其中四套研究其在不同的水力負(fù)荷及氣候條件下對污水中磷的去除效果。人工濕地系統(tǒng)隨處理運行時間的推移趨于穩(wěn)定,對污水中的總磷、無機(jī)磷顯示較好的凈化效率,平均去除率在冬季達(dá)到40%以上,夏季達(dá)到60%以上,出水達(dá)到國家地面水級標(biāo)準(zhǔn)。水生植物在系統(tǒng)中起到明顯作用,有植物系統(tǒng)的除磷效率及穩(wěn)定性均高于無植物對照,其中2號茭白石菖蒲系統(tǒng)的效果最好,總磷平均去除

2、率為65%。4號草苔草系統(tǒng)在高水力負(fù)荷下的凈化效果優(yōu)于2號。水力負(fù)荷的增加對系統(tǒng)的凈化效果沒有明顯影響。關(guān)鍵詞:人工濕地;總磷;無機(jī)磷;去除率中圖分類號:X117文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-3207(200101-008人工濕地作為一種新興的污水處理工藝,興起于70年代的美國、澳大利亞、荷蘭、丹麥、英國等國家,因其建造及運轉(zhuǎn)費用低、維護(hù)簡單、效果好、適用面廣、對負(fù)荷變化的適應(yīng)能力強等特點,從而成為替代生化二級污水處理廠的切實可行的途徑之一13。在我國,由于中小城鎮(zhèn)眾多,人口密集,資金及技術(shù)有限,發(fā)展大型的污水處理廠有很大的困難性。因此人工濕地技術(shù)在我國有著廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)數(shù)家研究單

3、位已在深圳白泥坑、北京昌平等地進(jìn)行了人工濕地系統(tǒng)的有益嘗試4,5。該文中的人工濕地系統(tǒng)借鑒了歐洲較先進(jìn)的蘆葦床技術(shù),并結(jié)合我國實際,采用新型的下行上行流設(shè)計方案,種植多種水生濕生植物,進(jìn)行運行、管理、凈化污水方面的研究。該文主要通過對系統(tǒng)運行一年多來對污水中磷的去除效果的研究,探討這一新型污水處理工藝在理論和實用上的可行性。1材料與方法1.1濕地結(jié)構(gòu)濕地系統(tǒng)共十二套,由1m ×1m ×1m 的A 、B 兩池串聯(lián),中有隔板、底部15cm 相連。系統(tǒng)基質(zhì)共分二層,底層15cm 為直徑4080mm 的花崗巖碎石,上層為粒徑04mm 的細(xì)沙。其中A 池沙深55cm ,B 池沙深45

4、cm 。A 池中表面中央為一根上半收稿日期:1999-03-18;修訂日期:2000-06-06基金資助:國家杰出青年基金項目(39925007;歐洲聯(lián)盟合作項目(合同號ERBIC18CT960059作者簡介:吳振斌(1956,男,湖北省黃梅縣人;研究員;主要從事環(huán)境生物學(xué)研究通訊作者:陳輝蓉。實驗及論文的寫作過程得到夏宜錚、劉保元、劉永定、W Grosse 、譚渝云、詹發(fā)萃、鄧家齊、況琪軍、莊德輝、李家儒等的幫助,在此一并致謝第25卷第1期2001年1月水生生物學(xué)報ACTA HY DROBIOLO GICA SIN ICA Vol.25,No.1Jan .,2001面截除的布水管,B 池填料

5、表面為“H ”型收集管,兩池底部有“H ”型排空管。1.2植物試驗所選濕地系統(tǒng)的植物組合如表1。表1人工濕地系統(tǒng)植物組合Tab.1Composition of macrophytes in the constructed wetland systems系統(tǒng)PlotsA 池Chamber AB 池Chamber B P1蘆葦Phragmites aust ralis 水蔥Schoenoplect us lacust ris P2茭白Ziz ania latif olia 石菖蒲Acorus tartari nowii P4草Sci rpus t riqueter 苔草CarexP6無植物(對照N

6、o species as control 1.3系統(tǒng)運轉(zhuǎn)濕地系統(tǒng)進(jìn)水來自東湖附近池塘,經(jīng)蓄水池初步沉淀處理后作為濕地進(jìn)水。在后文分析中,以“進(jìn)水1(Inf.1”代表池塘水,“進(jìn)水2(Inf.2”代表沉淀48h 后的系統(tǒng)直接進(jìn)水。系統(tǒng)經(jīng)過三個階段的運行,其水力負(fù)荷具體調(diào)整情況見表2。其中10月26日至11月5日期間因進(jìn)行污水藻毒素沖擊實驗,水力負(fù)荷降低至400mm/d 。表2人工濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷變化Tab.2Changes of hydraulic loading in constructed wetland階段運行日期水力負(fù)荷放水次數(shù)平均水量停留時間StageOperation time Hy

7、draulic load Feeding times Average volume Retention (L/d (Times/d (L/Times/d time (h 11998-06-01啟動20021003628004200910261153400313318116800420093在此期間進(jìn)行藻毒素沖擊實驗1.4測試人工濕地系統(tǒng)自1997年10月開始運行,每半月或一月采樣一次,測定系統(tǒng)進(jìn)水及出水的理化因子及N 、P 等各項指標(biāo)?？偭子眠^硫酸鉀消解法,可溶性無機(jī)正磷酸鹽用鉬銻抗分光光度法,均參照水和廢水監(jiān)測分析方法6進(jìn)行。2結(jié)果分析人工濕地自1997年10月開始運行,截止1999年1月共

8、采樣20次,將此期間進(jìn)出水總磷、無機(jī)磷含量變化按時間作圖,如圖1,2。從總磷和無機(jī)磷的濃度變化圖可以看出進(jìn)水濃度變化劇烈,因進(jìn)水來自魚塘,受天氣、季節(jié)和人類活動的影響較大。進(jìn)水中無機(jī)正磷酸鹽(IP 濃度與總磷(TP 濃度密切相關(guān),符合方程:IP =-0.0595+0.566TP (r =0.9109,p <0.001出水顯示了一定的去除效果,較明顯的是2號和4號。無植物對照6號的濃度曲線明顯高于其它系統(tǒng),并且有較大起伏。這一結(jié)果顯示了濕生水生植物在人工濕地處理污水的過程中起到了重要作用,其機(jī)制可能在于植物根系為微生物提供了附著物和代謝需要的氧氣,形成氧化態(tài),有利于好氧微生物分解礦化廢水中

9、有機(jī)物的作用79,11。出水中的無機(jī)磷與總磷之間不再存在顯著的相關(guān)關(guān)系,而且無機(jī)磷占總磷的比例有所增加,去除效果的變化與總磷不同。如在5月26日進(jìn)水總磷濃度達(dá)到最高值(1.151mg/L ,出水921期吳振斌等:人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果也受到影響,1號、4號與6號出水出現(xiàn)明顯上升,但2號出水仍維持極低的總磷濃度(0.029mg/L ,同時各系統(tǒng)出水的無機(jī)磷濃度都較低,去除效果較好。這一差異可能與不同形態(tài)磷在濕地中的分配與凈化特性不同有關(guān)。以下按不同的水力負(fù)荷和停留時間,將運行時期分三個實驗階段(排除藻毒素沖擊實驗階段,分別對各個時期的總磷、無機(jī)磷去除效果進(jìn)行分析 。-Inf.1- -In

10、f.2plot 1×plot 2plot 4plot 6(Control 圖1人工濕地進(jìn)出水總磷濃度變化圖Fig.1Changes of total phosphorus concentration in inflow and outflow of constructed wetlands-Inf.1- -Inf.2plot 1×plot 2plot 4plot 6(Control 圖2人工濕地進(jìn)出水無機(jī)磷濃度變化圖Fig.2Changes of inorganic phosphorus concentration in inflow and outflow of cons

11、tructed wetlands第一階段:從系統(tǒng)運行至第二年(1998年6月1日,水力負(fù)荷200mm/d ,停留時間36小時,采樣10次。進(jìn)水總磷濃度平均為0.277mg/L ,且起伏較大,各系統(tǒng)出水濃度在0.1mg/L 左右,其中2號茭白石菖蒲組合系統(tǒng)最低,為0.075mg/L ,6號無植物對照系統(tǒng)最高,達(dá)0.163mg/L 。去除率普遍達(dá)到30%以上,1號,2號,4號,6號系統(tǒng)平均去除率分別為53.5%,59%,43%和31.7%。無機(jī)磷方面,進(jìn)水無機(jī)磷在此期間平均濃度為0.130mg/L ,標(biāo)準(zhǔn)差為0.143,顯示出極大的波動性。相比之下,出水無機(jī)磷濃度普遍較穩(wěn)03水生生物學(xué)報25卷 圖

12、3階段一進(jìn)出水總磷濃度比較Fig.3Comparisons of TP concentration of inflow and outflow during stage I圖4階段一進(jìn)出水無機(jī)磷濃度比較Fig.4Comparisons of IP concentration of inflow and outflow during stage I定,變化幅度不大。1號,2號,4號,6號的平均無機(jī)磷濃度分別為0.038mg/L ,0.05mg/L ,0.054mg/L 和0.085mg/L ,有一定的去除效果。在系統(tǒng)運行初期,進(jìn)水無機(jī)磷含量較低的情況下(00.05mg/L 之間,各系統(tǒng)都出現(xiàn)了無

13、機(jī)磷釋放現(xiàn)象,基質(zhì)向系統(tǒng)中釋放了磷酸鹽,致使出水無機(jī)磷濃度升高,其中尤以6號最明顯。這一磷釋放現(xiàn)象其他研究者也有報道79。至春季以后,各系統(tǒng)才開始顯示對無機(jī)磷的去除效果。 ,而且其標(biāo)準(zhǔn)差也最小,僅為6.2。這一階段對照與有植物系統(tǒng)圖5階段二進(jìn)出水總磷濃度比較Fig.5Comparisons of TP concentration of inflow and outflow during stage 131期吳振斌等:人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果 圖6階段二進(jìn)出水無機(jī)磷濃度比較Fig.6Comparisons of IP concentration of inflow and outflow

14、during stage 的差異加大,對照6號的出水總磷濃度一直偏高,保持在0.20.3mg/L 的水平,當(dāng)進(jìn)水的總磷濃度降低時仍維持這一水平,致使去除率降到10%左右,8月6日的采樣甚至出現(xiàn)出水高于進(jìn)水的情況。無機(jī)磷的情況與此類似,6號出現(xiàn)了其他系統(tǒng)所沒有的磷釋放現(xiàn)象。這一變化與植物的生長期重合,說明濕地中的植物在去除磷方面起著重要作用,并與植物的生長狀況相關(guān),在負(fù)荷增高,停留時間減少的情況下與對照相比顯示出其穩(wěn)定而高效的去除效果710 。圖7階段三進(jìn)出水總磷濃度比較Fig.7Comparisons of TP concentration of inflow and outflow duri

15、ng stage 圖8階段三進(jìn)出水無機(jī)磷濃度比較Fig.8Comparisons of TP concentration of inflow and outflow during stage 第三階段,從8月20日開始,進(jìn)水負(fù)荷進(jìn)一步加大,達(dá)到800mm/d ,停留時間減少到23水生生物學(xué)報25卷1 期 吳振斌等 : 人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果 33 9h 。至 1999 年 1 月 ,共采樣 5 次 ,進(jìn)水總磷濃度平均為 0. 309mg/ L ,仍維持較高水平 。各 系統(tǒng)出水有較大波動 ,總體趨于一致 ,1 號 ,2 號 ,4 號的總磷平均濃度分別為 0. 078mg/ L , 0.

16、081mg/ L 和 0. 068mg/ L ,基本沒有差異 ,但各系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差都在 0. 03 以上 ,4 號仍保持 優(yōu)于其他系統(tǒng)的去除率和穩(wěn)定性 。三套植物系統(tǒng)的平均去除率依次為 74. 1 % ,73. 9 % , 78. 2 % ,與上一時期相比變化不明顯 ,但 6 號對照系統(tǒng)與前兩個時期相比 , 達(dá)到了最好的 凈化效果 ,總磷平均出水濃度為 0. 134mg/ L ,平均去除率也達(dá)到 55. 7 % 。同時 6 號無機(jī) 磷的釋放現(xiàn)象仍然存在 。 整個運行過程中 ,1 號 、 號 、 號 、 號的總磷去除率分別為 61 % ,65 % ,59 %和 28 % , 2 4 6 三個有植物

17、系統(tǒng)的去除率顯著大于 6 號對照 ( P < 0. 05 。2 號系統(tǒng)的去除率最高 ,但從前 文分析中可知 ,2 號系統(tǒng)僅在第一階段具有最高的去除率 ,在水力負(fù)荷上升的第二 、 三階 段 ,4 號系統(tǒng)的去除效果一直優(yōu)于其他三個系統(tǒng) 。2 號系統(tǒng)總平均去除率較高可能是因為 第一階段運行時間較長所致 。無機(jī)磷的濃度變化也顯示出 ,隨著水力負(fù)荷的增加 ,2 號系 統(tǒng)出水中的無機(jī)磷濃度逐漸高于 4 號系統(tǒng) 。但所有系統(tǒng)的無機(jī)磷去除率均較低 。因此 , 四個人工濕地系統(tǒng)中 ,三個有植物系統(tǒng)的總磷去除率顯著高于無植物對照 ,2 號系統(tǒng)在系 統(tǒng)運行初期總磷去除率最高 ,水力負(fù)荷上升時 ,4 號系統(tǒng)的總

18、磷去除率超過 2 號 。 3 討論 水體中總磷主要由有機(jī)磷和無機(jī)磷組成 , 其中每部分又分為可溶性和不溶性兩種形 態(tài) ,各種形態(tài)的磷在濕地中的循環(huán)和吸收過程受多種因素的影響 ,有的并未完全為人們所 了解 。人工濕地對磷的去除一直是濕地設(shè)計者所關(guān)心的問題 , 現(xiàn)有的濕地污水處理工程 中 ,對磷的去除常常不能達(dá)到令人滿意的效果 ,需要加大濕地面積 ,增加停留時間以提高 去除率 ,而且冬季的去除效果也不能保證 1 ,2 ,5 ,7 10 。在該文中的濕地系統(tǒng)中由于采用了 下行 上行流的水力管理方式 ,大大增加了濕地的作用面積 ,減少了污水在系統(tǒng)中的停留 時間 ,平均停留時間僅有 18h ,與以往文獻(xiàn)

19、報道的濕地系統(tǒng)相比有極大的優(yōu)勢 5 ,9 ,12 。整 個運行過程中 ,水力負(fù)荷在該實驗中不是決定濕地系統(tǒng)除磷效率的因子 ,尤其是種植植物 的濕地 ,在水力負(fù)荷加倍時 ,去除率也未明顯下降 ,仍然保持較高水平 。 在該實驗中 ,有無植物在磷的去除率方面影響很大 ,種植有植物的系統(tǒng)比無植物對照 具有更高的去除率 ,對照系統(tǒng)在各階段的凈化效果及穩(wěn)定性均不及有植物系統(tǒng) 。而且植 物的生長狀況直接影響到去除效果的好壞 ,在春季和夏季 ,植物生長迅速 ,生物量增加 ,對 磷的吸收加快 ,出水中磷含量減少 ,而在秋季植物枯萎后 ,吸收速度放慢 ,冬季死亡的植株 會釋放磷到濕地中 ,致使出水磷含量上升 ,無

20、機(jī)磷含量甚至高于進(jìn)水 。對照系統(tǒng)中由于沒 有植物的作用 ,磷釋放現(xiàn)象更為嚴(yán)重 。不同的植物對磷的去除效果也不同 ,2 號系統(tǒng)在整 個運行期間的總磷平均去除率達(dá)到 65 % ,但 4 號系統(tǒng)對高水力負(fù)荷的耐受力優(yōu)于 2 號 , 在水力負(fù)荷上升時 ,去除率超過 2 號系統(tǒng) 。 人工濕地進(jìn)水中無機(jī)磷的含量與總磷密切相關(guān) , 說明進(jìn)水中磷的成分比較穩(wěn)定 。但 經(jīng)過濕地處理后 ,無機(jī)磷與總磷含量之間不再存在線性關(guān)系 ,而且各系統(tǒng)出水中無機(jī)磷占 總磷的比例都有了較大上升 。各系統(tǒng)中還出現(xiàn)了磷釋放現(xiàn)象 , 無機(jī)磷比總磷的釋放現(xiàn)象 更為嚴(yán)重 。從這些結(jié)果可以推斷 ,人工濕地對磷的去除主要是通過對不溶性磷的吸附

21、和 34 水 卷 生 生 物 學(xué) 報 25 沉積作用 ,植物 、 藻類等對無機(jī)可溶性磷酸鹽的吸收作用并不明顯 。但通過小試系統(tǒng)中植 物系統(tǒng)和無植物系統(tǒng)的比較 ,仍然可以看出植物的存在對人工濕地磷凈化功能的實現(xiàn)有 極大的作用 。 該人工濕地實驗系統(tǒng)的主要目的是發(fā)展處理城鎮(zhèn)污水及地面水的低耗 、 高能的污水 處理系統(tǒng) 。經(jīng)過一年多的運行 ,該系統(tǒng)顯示出對來自城鎮(zhèn)生活污水中去除總磷的良好效 果 ,春夏季平均去除率在 60 %以上 ,即使在冬季也達(dá)到 40 %左右的去除率 ,出水總磷濃度 達(dá)到或接近國家地面水 級標(biāo)準(zhǔn) ,處理效果接近二級生化處理廠 ,而且出水水質(zhì)穩(wěn)定 ,冬 季仍能正常運行 。在此人工濕

22、地中 ,800mm/ d 的水力負(fù)荷還未超過系統(tǒng)的耐受水平 , 系 統(tǒng)尚有較大的凈化潛力 。在以后的實驗中 ,可適當(dāng)加大水力負(fù)荷 ,以提高濕地凈化污水的 效率 。因此 ,人工濕地作為占地少 、 易管理 、 效果好的污水處理系統(tǒng) ,有一定的應(yīng)用價值 。 參考文獻(xiàn) : 1 Kickkut h R. Degradation and incorporation of nutrient from rural wastewaters by plant rhizosphere under limic condi2 tions A . In :Utilization of Manure by Land Spr

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28、M WU Zhen2bin ,CHEN Hui2rong , HE Feng ,CHEN G Shui2ping ,FU Gui2ping , ( S tate Key L aboratory of Freshw ater Ecology and Biotechnology , Instit ute of Hydrobiology , The Chi nese Academy of Sciences , W uhan 430072 ciency of phosphorus under different hydraulic loading rates. The plots turned to be more stable and showed better purify efficiency of total phosphorus ( TP and inorganic ort hophosphate ( IP t hrough in summer. The outflow meets t he grade na