垂直流人工濕地中污染物晝夜及沿程變化規律

高 敏,朱 偉,2,董 嬋,趙聯芳

(1.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京 210098)

垂直流人工濕地中污染物晝夜及沿程變化規律

高 敏1,朱 偉1,2,董 嬋1,趙聯芳1

(1.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京 210098)

利用垂直潛流人工濕地單元模型探討COD、TN和NH+4-N質量濃度在一晝夜之中隨時間及深度的變化規律。結果表明:垂直潛流人工濕地中污染物去除率的變化呈一定的周期性,晝夜差距較大。COD、NH+4-N和TN的去除率在15:00達到最大,夜間最小。COD和NH+4-N質量濃度在表層(距濕地底部60～90cm段)迅速降低,底部變化幅度較小。TN濃度沿程的降低趨勢很明顯。濕地中COD、NH+4-N和TN質量濃度的變化趨勢與DO顯著相關,DO質量濃度越高,越有利于有機物和氮的去除。

垂直流人工濕地;日變化;沿程變化;有機物;氮;DO

人工濕地因具有獨特的土壤-植物-微生物復合生態系統[1],污水處理效果好,并具有生態景觀美學價值等優點,近年來在國內外已獲得廣泛應用[2]。其中,植物在污染物凈化過程中起著重要作用[3],而光合及蒸騰特性是其生長和凈化污水的主要能量[4]和動力來源[5]。光合作用影響植物根部泌氧,從而間接影響濕地中NH+4-N的硝化反應[6-7];蒸騰作用使根系周圍的水分蒸發釋放到大氣中,促進污染物在根圍的遷移[8]。由于受到光強和溫度的影響,植物光合作用和蒸騰作用具有明顯的晝夜變化規律,進而導致濕地對污染物的去除率也具有一定的日變化規律。可見,人工濕地在一定的運行工況下,污染物的去除率不是一個定值。因此,了解污染物去除率的日變化規律可以為人工濕地的運行提供理論依據。

人工濕地中有機物、氮的去除都離不開氧的供應[9]。濕地不同位置DO質量濃度差距較大,致使污染物的去除也具有空間差異。鄢璐等[10]通過試驗分析了潛流型蘆葦濕地中DO和各類污染物的沿程凈化效果,發現濕地前部DO質量濃度下降趨勢明顯,中部略有回升,有機物降解主要發生在濕地前部,NH+4-N去除效果在濕地中部較明顯。可見濕地中污染物會隨時間及濕地沿程變化。筆者利用垂直潛流人工濕地單元模型探討COD、TN和NH+4-N質量濃度晝夜變化規律及隨深度的變化規律。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

筆者采用下行流人工濕地,小試試驗裝置如圖1所示。有機玻璃柱柱體尺寸為?0.15m×1.00m,填料為粒徑2～5mm的火山渣,處理區總容積為0.0176m3,孔隙率為0.46。采用連續流的運行方式,由恒流泵控制進水,進水流量為2.88 L/d,水力負荷為0.16m3/(m2?d)。濕地植物選用香蒲。

圖1 下行流人工濕地試驗裝置示意圖

1.2 進水水質及分析方法

考慮到人工濕地常用于污水處理廠尾水深度處理,本試驗原水以污水處理廠二級處理后的出水進行配制。水質如下:有機物(以COD計)用葡萄糖配水,質量濃度為50mg/L;氮(以TN計)用氯化銨配水,質量濃度為15mg/L;磷(以TP計)用磷酸二氫鉀配水,質量濃度為0.5mg/L。

一個晝夜(24h)為一個周期,每隔2h,取進水、出水和沿程(距濕地底部20cm、45 cm、60cm、75 cm處)的水樣 ,監測指標為 :DO、COD、NH+4-N 、TN,各指標測定方法均按照文獻[11]進行。

2 結果與討論

2.1 污染物的晝夜變化規律

試驗在2009年春天進行,在濕地運行了一個階段且趨于穩定后,于4月22日、25日和26日進行了晝夜連續監測。圖2(a)為4月25日和26日濕地進出水COD質量濃度及其去除率2晝夜的變化曲線。從圖2(a)中看出,COD出水質量濃度及去除率隨時間而變化,且有2個峰值出現。白天出水COD質量濃度明顯降低,到15:00出現最低值,分別為6.95 mg/L和7.00mg/L,去除效果在此時最好,去除率達到87.6%和87.3%。隨后出水COD質量濃度逐漸升高,且無明顯波動,凌晨3:00去除效果較差,出水COD質量濃度分別為15.04mg/L和14.05mg/L,去除率分別為72.5%和75.3%。上午9:00,COD的去除效果在1 d之中呈平均狀態,可分別去除78.0%和76.7%的COD。故9:00、15:00和 3:00可作為濕地有機物降解的特征時間點。

圖2 進出水 COD、NH+4-N、TN質量濃度及其去除率隨時間變化曲線

圖2(b)為NH+4-N進出水質量濃度及其去除率隨時間變化情況,與COD相同,也出現明顯的波動和峰值。白天出水NH+4-N質量濃度顯著降低,到15:00出現最低值,分別為3.18mg/L和1.2mg/L,并達到最佳的去除效果,去除率分別為76.5%和90.7%。隨后出水NH+4-N質量濃度逐漸升高,變化幅度明顯,在23:00去除效果較差,出水NH+4-N質量濃度分別為7.20mg/L和4.51mg/L,相應的去除率僅為49.8%和66.0%。NH+4-N質量濃度在1d內達到平均去除效果的時間點為9:00,去除率分別為53.4%和74.9%。故NH+4-N的特征時間點為9:00、15:00和23:00。

圖2(c)為濕地進出水TN質量濃度及其去除率隨時間的變化情況。由于進水中TN質量濃度未能被很好地控制,所以數據表現出較大的離散性。由此得到的TN在晝夜間的變化規律沒有COD和NH+4-N那么明顯,但白天去除率高、夜間去除率低的趨勢仍然能夠看到。從去除效果看,在15:00濕地對TN的去除效果最好,相應的去除率分別為52.8%和55.8%。

在晝夜試驗中COD、TN、NH+4-N所體現出的波動變化與植物光合作用及泌氧規律有直接關系。在1d之內濕地DO質量濃度呈先升高再降低的變化趨勢,且在11:00～15:00之間達到最大值[12],故濕地中相應時段內COD和NH+4-N的去除率均隨時間延長而增大,且在15:00達到最佳去除效果后,隨DO質量濃度的降低去除率減小。從圖 2(a)和圖2(b)可以看出,NH+4-N出水質量濃度及去除率的波動幅度比COD大,這是因為有機物的降解除了好氧微生物發揮作用外,在厭氧環境下,兼性厭氧微生物也積極參與反應[3],因此降解COD對DO的依賴程度小于NH+4-N。圖2(b)中第2個晝夜NH+4-N的去除效果比前1個晝夜好,可能是因為第2天光照強度較第1天大,植物光合作用更強,可通過根系向濕地中釋放更多的氧[13],滿足硝化菌進行硝化作用的需氧量,有利于NH+4-N的去除。在硝化反硝化過程中產生的中間產物NO-3-N和NO-2-N,需要在兼氧和厭氧的環境中轉化,故TN的去除對濕地DO質量濃度的依賴性小于NH+4-N,其晝夜變化特性不如NH+4-N明顯。COD、NH+4-N和TN各自的特征時間點也有差異,NH+4-N去除效果最差的時間點早于TN和COD,這可能是因為到21:00以后,光照強度幾乎為零,植物光合作用很微弱,難以通過根系向濕地釋氧,硝化反應迅速受到抑制,而TN的去除包含了硝化和反硝化兩個過程,有機物的降解也有兼性厭氧微生物的積極參與,故3種污染物去除效果最差的時間點為NH+4-N早于TN,TN早于COD。

2.2 污染物的沿程變化規律

在特征時間點處COD和NH+4-N質量濃度在濕地中垂向沿程變化如圖3所示。由圖3(a)和圖3(b)可見進水COD和NH+4-N質量濃度迅速消耗,在濕地表層(距底部60～90cm段),大約70%的COD得以去除,60%～70%的NH+4-N被去除,之后兩者的沿程質量濃度變化均很小?？梢哉J為,微生物的活動在濕地表層以及植物泌氧部非?；钴S,白晝之間去除率的差異基本上出現在這些部位。在本次試驗的下行流情況下,表層30cm以下的白晝差異并不明顯。

圖3(c)為TN質量濃度在特征時間點時濕地中垂向沿程變化。濕地沿程TN質量濃度的降低趨勢均很明顯,在濕地表層(距底部60～90cm段),TN的去除率只達到了40%左右,濕地中、下部仍然可去除15%左右,這種全剖面都表現出下降的趨勢,與COD和NH+4-N的有所差異。

圖3 COD、NH+4-N、TN、DO 質量濃度垂向沿程變化規律

下行流人工濕地中,DO的來源主要是污水中原來帶有的部分、表面復氧的部分和植物泌氧的部分。這些DO都集中于濕地床的表層,因此,床層自上而下依次呈現好氧、兼氧、厭氧的微環境。這些DO質量濃度不同的區域,分別有利于污水中不同污染物的降解、轉化和去除[14]。在濕地表層(距底部60～90cm段),發達的香蒲根系可以將光合作用產生的氧傳遞釋放到濕地基質中,加之進水攜帶少量DO,有利于好氧微生物的生長繁殖,故COD和NH+4-N質量濃度迅速降低。由于COD降解和硝化作用消耗了濕地中大量的DO,在濕地中、下部,兼性菌和厭氧菌占優勢,COD和NH+4-N在這一部位不能被大量去除,但卻利于反硝化的進行,故TN在中、下部的降低趨勢明顯。

鑒于這些晝夜變化與植物的泌氧有很大的關系,因此對濕地DO質量濃度各特征點的沿程變化規律進行考察,如圖3(d)所示?？梢钥闯霾煌瑫r間DO在剖面上存在明顯的差異。COD和NH+4-N去除率高的15:00,所有的深度上DO的質量濃度明顯偏高,而COD和NH+4-N去除率低的3:00,所有的深度上DO的質量濃度明顯偏低。證實DO是造成晝夜水質變化的主要因素。而DO在剖面上的變化,無論是白天還是夜間,80%～90%的DO迅速消耗在表層30cm區間。殘余的10%～20%在中、下部被逐漸消耗。根據DO的這一變化,可以把濕地床分為上部30cm的好氧段和中下部30～90cm的缺氧、厭氧段,這種分區在晝夜間都存在,但白天的好氧段和缺氧、厭氧段之間的差距更為明顯。

3 結 論

a.垂直潛流人工濕地污染物去除率的變化呈一定的周期性,晝夜差距較大。1個周期內,從凌晨開始,COD、NH+4-N和TN的去除率隨時間逐漸增大,15:00達到最大值,隨后逐漸減少,夜間出現最小值。晝夜間去除率的差距COD在15%左右,NH+4-N為25%～30%,TN僅為10%左右。

b.垂直潛流人工濕地污染物質量濃度沿程變化較為明顯。在濕地表層(距濕地底部60～90cm)的好氧段,COD和NH+4-N質量濃度迅速降低,底部變化幅度較小。而濕地中、下部的兼氧和厭氧環境段有利于反硝化作用進行,故TN質量濃度仍然會在沿程有一定的降低。

c.濕地中COD、NH+4-N和TN質量濃度的變化趨勢與DO顯著相關。下行流濕地中的DO在剖面上分為2個區,表層30cm為好氧區,中、下層為兼氧和厭氧區。

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Diurnal and spatial variations of pollutants in vertical flow constructed wetland

GAO Min1,ZHU Wei1,2,DONG Chan1,ZHAO Lian-fang1
(1.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The patterns of variations of COD,TN and NH+4-N concentrations with time and space during one day and night were studied in a laboratory-scale vertical flow constructed wetland.The results showed that the removal rate of pollutants had a certain periodicity,and that there was a large difference between day and night.The highest removal rate of COD,NH+4-N and TN appeared at 15:00,and the lowest appeared at night.COD and NH+4-N decreased rapidly in the upper part of the wetland(60～90cm above the bottom),and varied slightly in the middle and lower part.TN decreased significantly along the course of the wetland.The changing trend of COD,TN and NH+4-N concentrations was significantly correlated with DO:the higher the DO concentration was in the wetland,the more beneficial DO was to the removal rates of organics and nitrogen.

vertical flow constructed wetland;diurnal variation;space variation;organics;nitrogen;dissolved oxygen

X703

A

1004-6933(2010)02-0049-04

國家自然科學基金(50979028);水利部公益項目(200801065)

高敏(1984—),女,河北涿鹿人,碩士研究生,研究方向為水環境與水生態。E-mail:well.gm@163.com

(收稿日期:2009-09-10 編輯:徐 娟)