论文部分内容阅读
摘要[目的]研究砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统对生活污水的净化效果。[方法]人工组建砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统，以生活污水为研究对象，考察该系统对污水中化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）的净化效果。[结果]系统对生活污水中COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为73.3%、56.1%、47.1%、65.7%；一级湿地单元对COD的去除效果较好，二级湿地单元对NH3-N、TN和TP的去除效果较好，三级湿地单元对各项污染指标的去除率均较差。[结论]砾石潜流—浮桥平流复合湿地系统对生活污水整体净化效果良好，可拓展研发新型生态污水处理技术。
关键词 砾石潜流；浮桥平流；生活污水；净化效果
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）22-0052-03
Abstract[Objective]The purification effect of gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system on domestic sewage was studied.[Method]We constructed a gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system and took domestic sewage as the research object， to observe the purification effect of the system on COD， NH3-N， TN and TP in sewage.[Result]The average removal rates of COD， NH3-N， TN and TP in domestic sewage were 73.3%， 56.1%， 47.1% and 65.7%， respectively. The first level wetland unit had better removal effect on COD. The second level wetland unit had better removal effect on NH3-N， TN and TP. The third level wetland unit had poor removal rates for all pollution indicators.[Conclusion]Gravel subsurface flow floating bridge advection composite wetland system has good effect on domestic sewage purification and can develop new ecological sewage treatment technology.
Key words Gravel subsurface flow；Floating bridge advection；Domestic sewage；Purification effect
蕹菜（Ipomoea aquatica），又名空心菜，旋花科一年生草本植物，喜溫暖湿润，现已作为一种蔬菜广泛栽培[1]。浮萍（Lemna minor），又名青萍，为浮萍科植物，在我国各省都是常见的水面浮生植物[2]。金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）属悬浮于水中的多年沉水草本植物，在我国分布广泛，适应能力强[3]。荷花，又名莲花，毛茛目睡莲科莲属，多年生水生草本花卉，地下茎长而肥厚，叶盾圆形[4-5]。人工湿地技术自20世纪七八十年代发展起来至今已有近50年的历史，因为其对污水中有机物、氮、磷等具有较好的去除效果，同时在构建和运行成本方面较其他污水处理方式低，因此，目前在我国许多中小城镇和乡村等资金匮乏地区应用较为普遍[6-8]。笔者通过人工组建砾石潜流-浮桥平流湿地单元，引进新的浮桥技术和采用新的组合方式，探索了新型污水处理系统，研究了其对生活污水的净化效果[9-12]，旨在为更好地实现廉价、简便、效果良好的生态污水处理技术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
蕹菜取自四川省绵阳市青义镇青羊村一处农田（104°40′3.56″E，31°34′14.17″N）；浮萍、金鱼藻和荷花取自青义镇任家沟一池塘处（
104°40′3.57″E，31°34′14.16″N）。
1.2 试验设计
试验构建3个处理单元，由塑料扣板（PVC）制成，尺寸为750 mm×550 mm×350 mm，串联组成一级砾石潜流湿地单元（HF1，砾石基质填充，种植蕹菜）+二级浮桥平流湿地单元（HF2，泡沫隔板水下隔开，种植浮萍和金鱼藻）+三级缓冲单元（HF3，底泥，种植荷花）的复合湿地系统（图1），系统各级湿地单元进出水口高程差根据系统运行情况在（250±25）mm内调节。
1.3 试验方法
根据试验系统设计方案，在西南某大学污水处理厂空地一大棚内构建复合湿地系统，选取采掘生长情况良好的植株分别移栽至系统各级湿地单元进行试验。通过计算及前期部分研究，在植物栽种后，调节系统在水力负荷为0.225 m3/ （m2·d）的条件下连续运行7 d，待植物成活并生长稳定后，再连续运行30 d，采样周期为3 d一次，分析砾石基质单元、浮桥平流单元、缓冲单元及整个系统对污水的净化效果。试验期间，气温为24～33 ℃，湿度为68%～89%。
1.4 试验水质及分析方法 试验所用原水（INC）为该污水处理厂格栅出水，水质指标：pH 6～8，化学需氧量（COD） 120～200 mg/L，氨氮（NH3-N） 20～30 mg/L，总氮（TN） 25～40 mg/L，总磷（TP） 1.5～4.0 mg/L。 污水中各指标的分析方法：COD采用快速密封催化消解法（HZ-HJ-SZ-0108）；NH3-N采用纳氏比色法（GB 7479—87）；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）；TP采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—89）[13]。
2 结果与分析
2.1 系统对COD的净化效果
由图2、3可知，系统COD进水浓度在137.6～172.6 mg/L，HF1出水浓度为53.3～93.3 mg/L，COD去除率在38.8%～60.7%；HF2出水浓度为40.7～67.7 mg/L，COD去除率在7.3%～20.3%；HF3最终出水浓度为31.3～51.7 mg/L，COD去除率在6.5%～15.2%。由此可以看出，系统对COD的综合去除率（TR）在65%～80%，整体出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。其中，HF1对COD的去除贡献率最高，占主导作用，这可能是因为系统运行前期HF1主要依靠砾石基质和植物根系的吸附、吸收作用，后期这种作用逐渐减弱，表现为COD去除率逐渐降低。HF2和HF3对COD的去除贡献率较低，可能是因为这2级湿地单元无基质填料，对COD的吸附和降解效果较差，使得去除贡献率较低。
2.2 系统对NH3-N的净化效果
由图4、5可知，系统NH3-N进水浓度在21.2～25.9 mg/L，HF1出水浓度为16.3～21.6 mg/L，NH3-N去除率在13.2%～25.7%；HF2出水浓度为10.8～15.5 mg/L，NH3-N去除率在18.9%～32.5%；HF3最终出水浓度为8.1～13.1 mg/L，NH3-N去除率在7.2%～17.1%。由此可以看出，系统对NH3-N的综合去除率在48%～62%，整体出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准。其中，HF2对NH3-N的去除贡献率最高，占主导作用，这可能是因为系统调试运行稳定后，浮萍和金鱼藻进入生长期，进行快速的自我繁殖，使得HF2水体pH上升，加快了水中NH4+向NH3之间的转化速率，起到去除NH3-N的作用；其次，藻类繁殖过程中部分腐败的残体可以被微生物作为碳源利用，促进其反硝化作用从而去除水体中的NH3-N。另外，HF1和HF3对NH3-N也有较好的去除作用，但与HF2相比较低，可能是因为基质的吸附作用和植物根系对转化后的无机氮的吸收作用相对较弱。
2.3 系统对TN的净化效果
由图6、7可知，系统TN进水浓度在26.4～31.6 mg/L，HF1出水浓度为19.5～25.2 mg/L，TN去除率在10.0%～26.7%；HF2出水浓度为13.9～19.1 mg/L，TN去除率在13.4%～30.4%；HF3最终出水浓度为11.9～16.5 mg/L，TN去除率在4.1%～9.3%。由此可以看出，系统对TN的综合去除率可以达到41.0%～56.0%，整体出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。污水中TN主要通过NH3的挥发、植物吸收、基质吸附和离子交换等作用去除，系统中HF1和HF2对TN的去除效果较好，占主导作用，这可能是因为砾石基质的吸附作用与藻类快速生长对氮的吸收作用，使得氮元素在较短时间内被快速去除，而HF3受进水TN浓度较低的影响对TN的去除效果始终较差。
2.4 系统对TP的净化效果
由图8、9可知，系统TP进水浓度在1.6～2.7 mg/L，HF1出水浓度为1.2～2.1 mg/L，TP去除率在19.4%～33.0%；HF2出水浓度为0.7～1.3 mg/L，TP去除率在18.3%～38.1%；HF3最终出水浓度为0.5～1.1 mg/L，TP去除率在7.2%～13.9%。由此可以看出，系统对TN的综合去除率可以达到58.8%～73.2%，整体出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准。系统运行前期HF1和HF2对TP的去除效果较好，且随着时间的增加去除率不断增加，但到系统运行中后期，这种趋势逐渐减缓甚至下降，可能是因为基质逐渐吸附饱和和藻类腐败的影响，这也在一定程度上限制了传统人工湿地对磷的进一步去除。HF3对TP的去除效果始终较差，在整个湿地系统中主要起到缓冲作用。
3 结论
通过人共组建砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统，研究其对生活污水中各主要污染指标的去除效果。从各污染指标的去除率看，系统对COD的去除效果最好，平均去除率在70%以上，其次是对TP和NH3-N的去除效果，平均去除率在50%以上；从各级湿地单元的去除效果看，HF1对各污染指标的去除效果最好，尤其是对COD的去除效果，平均去除贡献率在60%以上，其次是HF2，对NH3-N、TN和TP的去除效果较好。综合来看，复合系统对污染物的整体去除效果良好，出水水质各项指标均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准，这将为目前我国一些城镇地区探索新型低成本生态污水处理工艺的研究、推广和应用提供实践和技术依据。
参考文献
[1]张亚娟，刘存歧，李洪波，等.蕹菜对富营养化水体的氮磷去除及吸收动力学研究[J].环境工程学报，2011，5（5）：1057-1061.
[2]于昌江，朱明，马玉彬，等.新型能源植物浮萍的研究进展[J].生命科學，2014，26（5）：458-464.
[3]李红丽，王永阳，李玉，等.水体氮浓度对狐尾藻和金鱼藻片段萌发及生长的影响[J].植物营养与肥料学报，2014，20（1）：213-220.
[4]何连生，孟繁丽，孟睿，等.利用荷花治理白洋淀水体富营养化的原位围隔研究[J].湿地科学，2013，11（2）：282-285.
[5]李磊，侯文华.荷花和睡莲种植水对铜绿微囊藻生长的抑制作用研究[J].环境科学，2007，28（10）：2180-2186.
[6]祝宇慧，田光明.复合流人工湿地处理生活污水的试验研究[J].水处理技术，2009，35（1）：46-49.
[7]谭洪涛，朱琳，张馨文，等.浮萍和金鱼藻对生活污水的净化效果[J].安徽农业科学，2016，44（2）：146-149.
[8]AKRATOS C S，TSIHRINTZIS V A.Effect of temperature， HRT， vegetation and porous media on removal efficiency of pilotscale horizontal subsurface flow constructed wetlands[J].Ecological engineering，2007，29（2）：173-191.
[9]王成端.低成本污水处理技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2008：97-132.
[10]汤蕾，赵冰梅，许东，等.国外湿地研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（1）：299-301.
[11]谭洪涛，朱琳，王彬，等.2种野生植物砾石基质系统净化生活污水[J].环境工程学报，2017，11（5）：2785-2791.
[12]石雷，杨璇.人工湿地植物量及其对净化效果影响的研究[J].生态环境学报， 2010， 19（1）： 28-33.
[13]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4 版.北京：中国环境科学出版社，2002.
关键词 砾石潜流；浮桥平流；生活污水；净化效果
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）22-0052-03
Abstract[Objective]The purification effect of gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system on domestic sewage was studied.[Method]We constructed a gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system and took domestic sewage as the research object， to observe the purification effect of the system on COD， NH3-N， TN and TP in sewage.[Result]The average removal rates of COD， NH3-N， TN and TP in domestic sewage were 73.3%， 56.1%， 47.1% and 65.7%， respectively. The first level wetland unit had better removal effect on COD. The second level wetland unit had better removal effect on NH3-N， TN and TP. The third level wetland unit had poor removal rates for all pollution indicators.[Conclusion]Gravel subsurface flow floating bridge advection composite wetland system has good effect on domestic sewage purification and can develop new ecological sewage treatment technology.
Key words Gravel subsurface flow；Floating bridge advection；Domestic sewage；Purification effect
蕹菜（Ipomoea aquatica），又名空心菜，旋花科一年生草本植物，喜溫暖湿润，现已作为一种蔬菜广泛栽培[1]。浮萍（Lemna minor），又名青萍，为浮萍科植物，在我国各省都是常见的水面浮生植物[2]。金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）属悬浮于水中的多年沉水草本植物，在我国分布广泛，适应能力强[3]。荷花，又名莲花，毛茛目睡莲科莲属，多年生水生草本花卉，地下茎长而肥厚，叶盾圆形[4-5]。人工湿地技术自20世纪七八十年代发展起来至今已有近50年的历史，因为其对污水中有机物、氮、磷等具有较好的去除效果，同时在构建和运行成本方面较其他污水处理方式低，因此，目前在我国许多中小城镇和乡村等资金匮乏地区应用较为普遍[6-8]。笔者通过人工组建砾石潜流-浮桥平流湿地单元，引进新的浮桥技术和采用新的组合方式，探索了新型污水处理系统，研究了其对生活污水的净化效果[9-12]，旨在为更好地实现廉价、简便、效果良好的生态污水处理技术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
蕹菜取自四川省绵阳市青义镇青羊村一处农田（104°40′3.56″E，31°34′14.17″N）；浮萍、金鱼藻和荷花取自青义镇任家沟一池塘处（
104°40′3.57″E，31°34′14.16″N）。
1.2 试验设计
试验构建3个处理单元，由塑料扣板（PVC）制成，尺寸为750 mm×550 mm×350 mm，串联组成一级砾石潜流湿地单元（HF1，砾石基质填充，种植蕹菜）+二级浮桥平流湿地单元（HF2，泡沫隔板水下隔开，种植浮萍和金鱼藻）+三级缓冲单元（HF3，底泥，种植荷花）的复合湿地系统（图1），系统各级湿地单元进出水口高程差根据系统运行情况在（250±25）mm内调节。
1.3 试验方法
根据试验系统设计方案，在西南某大学污水处理厂空地一大棚内构建复合湿地系统，选取采掘生长情况良好的植株分别移栽至系统各级湿地单元进行试验。通过计算及前期部分研究，在植物栽种后，调节系统在水力负荷为0.225 m3/ （m2·d）的条件下连续运行7 d，待植物成活并生长稳定后，再连续运行30 d，采样周期为3 d一次，分析砾石基质单元、浮桥平流单元、缓冲单元及整个系统对污水的净化效果。试验期间，气温为24～33 ℃，湿度为68%～89%。
1.4 试验水质及分析方法 试验所用原水（INC）为该污水处理厂格栅出水，水质指标：pH 6～8，化学需氧量（COD） 120～200 mg/L，氨氮（NH3-N） 20～30 mg/L，总氮（TN） 25～40 mg/L，总磷（TP） 1.5～4.0 mg/L。 污水中各指标的分析方法：COD采用快速密封催化消解法（HZ-HJ-SZ-0108）；NH3-N采用纳氏比色法（GB 7479—87）；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）；TP采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—89）[13]。
2 结果与分析
2.1 系统对COD的净化效果
由图2、3可知，系统COD进水浓度在137.6～172.6 mg/L，HF1出水浓度为53.3～93.3 mg/L，COD去除率在38.8%～60.7%；HF2出水浓度为40.7～67.7 mg/L，COD去除率在7.3%～20.3%；HF3最终出水浓度为31.3～51.7 mg/L，COD去除率在6.5%～15.2%。由此可以看出，系统对COD的综合去除率（TR）在65%～80%，整体出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。其中，HF1对COD的去除贡献率最高，占主导作用，这可能是因为系统运行前期HF1主要依靠砾石基质和植物根系的吸附、吸收作用，后期这种作用逐渐减弱，表现为COD去除率逐渐降低。HF2和HF3对COD的去除贡献率较低，可能是因为这2级湿地单元无基质填料，对COD的吸附和降解效果较差，使得去除贡献率较低。
2.2 系统对NH3-N的净化效果
由图4、5可知，系统NH3-N进水浓度在21.2～25.9 mg/L，HF1出水浓度为16.3～21.6 mg/L，NH3-N去除率在13.2%～25.7%；HF2出水浓度为10.8～15.5 mg/L，NH3-N去除率在18.9%～32.5%；HF3最终出水浓度为8.1～13.1 mg/L，NH3-N去除率在7.2%～17.1%。由此可以看出，系统对NH3-N的综合去除率在48%～62%，整体出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准。其中，HF2对NH3-N的去除贡献率最高，占主导作用，这可能是因为系统调试运行稳定后，浮萍和金鱼藻进入生长期，进行快速的自我繁殖，使得HF2水体pH上升，加快了水中NH4+向NH3之间的转化速率，起到去除NH3-N的作用；其次，藻类繁殖过程中部分腐败的残体可以被微生物作为碳源利用，促进其反硝化作用从而去除水体中的NH3-N。另外，HF1和HF3对NH3-N也有较好的去除作用，但与HF2相比较低，可能是因为基质的吸附作用和植物根系对转化后的无机氮的吸收作用相对较弱。
2.3 系统对TN的净化效果
由图6、7可知，系统TN进水浓度在26.4～31.6 mg/L，HF1出水浓度为19.5～25.2 mg/L，TN去除率在10.0%～26.7%；HF2出水浓度为13.9～19.1 mg/L，TN去除率在13.4%～30.4%；HF3最终出水浓度为11.9～16.5 mg/L，TN去除率在4.1%～9.3%。由此可以看出，系统对TN的综合去除率可以达到41.0%～56.0%，整体出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。污水中TN主要通过NH3的挥发、植物吸收、基质吸附和离子交换等作用去除，系统中HF1和HF2对TN的去除效果较好，占主导作用，这可能是因为砾石基质的吸附作用与藻类快速生长对氮的吸收作用，使得氮元素在较短时间内被快速去除，而HF3受进水TN浓度较低的影响对TN的去除效果始终较差。
2.4 系统对TP的净化效果
由图8、9可知，系统TP进水浓度在1.6～2.7 mg/L，HF1出水浓度为1.2～2.1 mg/L，TP去除率在19.4%～33.0%；HF2出水浓度为0.7～1.3 mg/L，TP去除率在18.3%～38.1%；HF3最终出水浓度为0.5～1.1 mg/L，TP去除率在7.2%～13.9%。由此可以看出，系统对TN的综合去除率可以达到58.8%～73.2%，整体出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准。系统运行前期HF1和HF2对TP的去除效果较好，且随着时间的增加去除率不断增加，但到系统运行中后期，这种趋势逐渐减缓甚至下降，可能是因为基质逐渐吸附饱和和藻类腐败的影响，这也在一定程度上限制了传统人工湿地对磷的进一步去除。HF3对TP的去除效果始终较差，在整个湿地系统中主要起到缓冲作用。
3 结论
通过人共组建砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统，研究其对生活污水中各主要污染指标的去除效果。从各污染指标的去除率看，系统对COD的去除效果最好，平均去除率在70%以上，其次是对TP和NH3-N的去除效果，平均去除率在50%以上；从各级湿地单元的去除效果看，HF1对各污染指标的去除效果最好，尤其是对COD的去除效果，平均去除贡献率在60%以上，其次是HF2，对NH3-N、TN和TP的去除效果较好。综合来看，复合系统对污染物的整体去除效果良好，出水水质各项指标均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B标准，这将为目前我国一些城镇地区探索新型低成本生态污水处理工艺的研究、推广和应用提供实践和技术依据。
参考文献
[1]张亚娟，刘存歧，李洪波，等.蕹菜对富营养化水体的氮磷去除及吸收动力学研究[J].环境工程学报，2011，5（5）：1057-1061.
[2]于昌江，朱明，马玉彬，等.新型能源植物浮萍的研究进展[J].生命科學，2014，26（5）：458-464.
[3]李红丽，王永阳，李玉，等.水体氮浓度对狐尾藻和金鱼藻片段萌发及生长的影响[J].植物营养与肥料学报，2014，20（1）：213-220.
[4]何连生，孟繁丽，孟睿，等.利用荷花治理白洋淀水体富营养化的原位围隔研究[J].湿地科学，2013，11（2）：282-285.
[5]李磊，侯文华.荷花和睡莲种植水对铜绿微囊藻生长的抑制作用研究[J].环境科学，2007，28（10）：2180-2186.
[6]祝宇慧，田光明.复合流人工湿地处理生活污水的试验研究[J].水处理技术，2009，35（1）：46-49.
[7]谭洪涛，朱琳，张馨文，等.浮萍和金鱼藻对生活污水的净化效果[J].安徽农业科学，2016，44（2）：146-149.
[8]AKRATOS C S，TSIHRINTZIS V A.Effect of temperature， HRT， vegetation and porous media on removal efficiency of pilotscale horizontal subsurface flow constructed wetlands[J].Ecological engineering，2007，29（2）：173-191.
[9]王成端.低成本污水处理技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2008：97-132.
[10]汤蕾，赵冰梅，许东，等.国外湿地研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（1）：299-301.
[11]谭洪涛，朱琳，王彬，等.2种野生植物砾石基质系统净化生活污水[J].环境工程学报，2017，11（5）：2785-2791.
[12]石雷，杨璇.人工湿地植物量及其对净化效果影响的研究[J].生态环境学报， 2010， 19（1）： 28-33.
[13]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4 版.北京：中国环境科学出版社，2002.