污染物在人工復合生態床中的遷移轉化途徑

付國楷,張 馳,張 智,張 媛,郭 旋,林 潔

(1.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400045;2.哈爾濱工業大學 市政與環境學院,哈爾濱 150090）

人工復合生態床(簡稱生態床)是在傳統人工濕地的基礎上,以提高系統負荷、減少占地面積以及填料費用、強化系統自復氧能力等為目的發展起來的一種污水生態處理工藝[1-2]。一般認為,污染物在生態床中的遷移轉化涉及3方面的過程:一是在生態床水環境中的擴散-混合、沉淀-溶解、吸附-解析、降解等,二是在基質中的吸附-解析和生物降解,三是植物對污染物的吸收和污染物在植物體內的遷移及在生物鏈中的傳遞[3-5]。歸結起來污染物去除主要途徑為基質顆粒或植物根莖的物理截留和吸附、微生物同化和異化作用、植物吸收、氣相物質的揮發等。

現有研究表明,生態床對有機物的去除主要通過生物降解作用,去除效率在55%～90%之間,隨著池型、有機負荷、停留時間及有機物表征方法的差異而有所波動[1,6-7]。另有報道表明,生態床在持續運行和厭氧條件下易發生堵塞現象,積累在床體內的有機固體顆粒可達進水總量的58%～82%,僅有20%～40%的有機物被最終降解[8-9]。

生態床脫氮集合了植物吸收、微生物異化和同化、基質沉淀吸附以及氨氮揮發的綜合作用[10]。一般認為,基質對氮的吸附不具有持續性,僅僅為微生物同化、降解和植物吸收提供中介作用[11]。氨直接揮發量對總氮去除的貢獻很小[3],氨揮發量在有限的停留時間下可以忽略不計。因此微生物硝化反硝化作用和植物吸收才是氮去除的主要途徑[12-13]。不同的研究條件下,2種去除途徑所占的比例有所不同。劉超翔的研究表明,硝化反硝化去除的總氮為40%左右,植物吸收比例為10%～19%[1];Chung的研究表明,硝化反硝化去除的總氮為20%～31%,植物吸收比例僅為 2.6%～3.1%[14]。Harberl和Perfler認為,通過反硝化去除的總氮在50%～60%左右[15]。Rogers和Breen則認為植物吸收去除的總氮可達50%[16-17]。Gersbeg等預測植物去除總氮比例為12%～16%[18]。Tanner認為植物的吸收和存儲僅占濕地總氮去除量的 2%～8%[19]。張榮社的研究表明植物吸收的總氮在5%左右[20]。植物吸收作用所占比例大小可能與原水水質有關,在低濃度條件下,植物吸收對總氮去除的貢獻更大。但是微生物同化作用對總氮去除的貢獻未見報道。

磷的去除主要依靠3方面的作用:基質的物理化學作用(物理吸附、化學沉淀、物理化學吸附),植物吸收、微生物同化作用[21-22]。劉超翔的研究表明,基質對總磷的吸附占進水總量的50%,植物吸收占9%～16%[1]。張榮社的研究表明,在35%左右的總磷去除比例中,植物吸收只占總磷去除量的4.5%[20]。徐和勝等的研究表明,在88%的總磷去除率中,植物吸收的貢獻為 9.1%[22]。Geary和Moore認為,在高負荷下總磷去除率為28%,其中基質吸附為除磷的主要途徑,而植物吸收量只有2%～5%[23]。Kim的研究也表明,植物吸收的磷在5%以下[24]。Chung的研究表明,在54%～68%的總磷去除率中,植物吸收的貢獻僅為1%[14]。

由上可見,不同條件下(氣候、池型、負荷、流態、基質和植物種類等)污染物在生態床內的去除效率及其遷移轉化途徑有較大差異,導致數學模型的建立相對困難[25],在工程實踐中也多采用經驗性的設計方法。多數文獻也僅針對某種單一污染物的遷移途徑進行探討,或者就生態床的某個組成部分(微生物、基質、植物)對污染物的去除貢獻進行討論,全面系統地闡明主要污染物的轉化途徑以及床體各組成部分對污染物降解的貢獻比例的文獻較少,降低了試驗數據的可對比性和可重現性。

該研究擬通過中試規模實驗,采用質量平衡分析方法[26],對生態床內幾種主要污染物的轉化途徑進行量化研究,以厘清系統內污染物的來源、遷移、轉化和歸趨,總結該工藝對污染物的去除規律和提高其除污能力的方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置與工藝流程

試驗裝置(如圖1所示)主要由3級階梯型生態床和設于2、3級之間的集水堰組成,各床體內自上而下依次是植物、粗砂層、基質層、礫石承托層、混凝土底板,采用穿孔管布水和集水,具體構建參數見表1。系統采用連續進出水,原水在第1級床體內由上至下流經床體,通過集水堰進入第2級,經下向流和上向流動后進入第3級床體,在第3級床體內下向流動后出水。

表1 3級人工復合生態床構建參數

圖1 3級生態床試驗裝置示意圖

1.2 原水水質

以重慶大學學生宿舍生活污水為試驗對象,原水經格柵、調節池后進入生態床。調節池后進入系統的平均水質情況為:水溫為8.2～29.8℃,pH值為6.8～7.9,CODcr為67～185 mg/L,NH4+-N為19.17～44.54mg/L,TN為22.92～58.35 mg/L,TP為0.87～4.01 mg/L。

1.3 取樣方法

系統啟動期末和穩態運行期末,在各級床體填料層中選擇4個具有代表性的位點(平面矩形對角平分線交點以下),分層(20、40、60、70 cm,從填料層頂部算起)采樣,然后將同一層次樣品混合均勻,同一格4個位點樣品混合后,冰箱冷藏備用。連續檢測3 d,每天1次,取平均值。

系統啟動完成后,于2007年11月生長季末收獲各處理單元植物的地上部分;穩定運行期末的2008年10月底對植物進行全株收割。分別檢測其總生物量和氮磷含量。

1.4 檢測和分析方法

1)常規理化指標DO 、水溫、CODcr、NH4+-N 、TN、TP按照文獻[27]進行測定,每周1次。

2)植物生物量、植物氮、磷含量檢測參照文獻[28]。

3)基質附著生物量(MLVSS)的檢測采用灼燒法。取樣基質在605°C灼燒前后差值則為活性生物量,同時得到混合基質樣品中活性微生物質量比例,由此推算整個系統中微生物總量。

4)微生物中氮、磷含量的檢測參照植物氮、磷含量檢測方法進行,并結合3)的結果推算整個系統中活性微生物體內氮磷總量。

5)微生物對有機物同化量根據McCarty提出的細菌化學實驗式C60H87O23N12P按比例計算,即同化有機物(CODcr)按1.42 MLVSS計[29]。

2 試驗結果與分析

2.1 系統啟動期污染物去除情況

2007年2月系統正式運行,期間于4月份進行了植物種植,5月份開始取樣檢測,直至10月份第一次植物收割為止,可視為系統啟動運行期。系統通過6個月的啟動期,其運行逐漸趨于穩定。在進水CODcr、TN、TP平均濃度分別為 115 mg/L、38 mg/L和2.5 mg/L,水力負荷為 1.0 m/d的條件下,出水濃度分別降至23mg/L、15.8 mg/L和1.1 mg/L,系統對 CODcr、TN、TP的去除率穩定在80%、58%和56%左右。

2.2 有機物的遷移轉化

系統經過啟動期后進入穩定運行期,穩定期自2007年10月30日至2008年10月30日,共1 a時間。有機物進入系統后,其遷移轉化實質上是水動力彌散過程[3],首先會被基質或植物根莖吸附截留,然后在酶作用下發生降解,經過同化及異化作用得以去除,部分產物揮發至大氣中,部分被植物或微生物吸收進入生物鏈富集[30]。運用穩態箱式模型對有機污染物的遷移轉化行為進行研究的方法,計算期內整個系統進、出水污染物總量如表2所示,系統活性微生物增量及其氮、磷同化量如表3所示。

表2 進出水污染物總量計算表(2007年11月-2008年10月)

續表2

表3 系統內活性微生物量及其氮、磷同化量計算表

由表2可見,計算期內系統進水CODcr總量為135.26 kg,出水CODcr總量為17.40 kg,占進水總量的12.86%。由表3知計算期內系統MLVSS增量為17.80 kg,由此同化有機物量為25.28 kg。根據質量平衡,可知異化有機物量為92.58 kg。有機物遷移轉化質量平衡見表4和圖5所示。

表4 有機物質量平衡表

圖5 有機物遷移途徑示意圖

實驗中,3級生態床系統對有機物有較好的去除效果,出水有機物僅占整個系統輸入量的12.86%,有68.45%的有機物通過微生物異化作用得到去除。整個系統由于利用地形高差強化了復氧能力,轉變為生物細胞的有機物比例較低,僅為進水有機物總量的18.69%,低于文獻報道值[8-9],說明系統內有機物的積累較少,在整個試驗過程中未出現基質堵塞的現象。

2.3 氮的遷移轉化

忽略氨氮揮發量和基質吸附量,根據總氮質量平衡,有:進水總氮量=植物吸收量+微生物同化量+反硝化排出量+出水總氮量。

由表2可知,計算期內系統進水總氮量為39.71 kg,出水總氮量為15.80 kg,占進水總量的39.79%。由表 3可知,微生物對總氮的同化量為2.14 kg,占進水總量的5.39%。植物生物量及其氮、磷吸收量如表5所示,由表可見,3種植物對氮的吸收量之和為0.4715 kg,占進水總量的1.18%。剩余的部分可以認為是由微生物反硝化作用去除,占進水總氮量的53.64%。總氮遷移轉化質量平衡見表6和圖6所示。

表5 三種植物對氮磷的同化量

表6 總氮質量平衡表

圖6 總氮遷移途徑示意圖

由此可見,3級生態床對總氮的有較高的去除效果,總去除率達到60.21%,微生物異化作用對氮去除的貢獻率最高,達53.64%,說明系統利于硝化反硝化細菌的生長繁殖。植物直接吸收的貢獻率最低,只有1.18%,與Chung的研究結果接近[14]。研究結果證實了硝化反硝化是氮去除的主要途徑,植物吸收只占總氮去除的一小部分,甚至低于微生物同化作用5.4%的貢獻比例。但是植物的水力疏導、氧的傳輸和微環境的營造等間接作用不可忽視[17,30]。

同時由表5可見,相對風車草來說,菖蒲和美人蕉的氮、磷含量更高,同時美人蕉具有較大的生物量,因此直接吸收的氮、磷總量最多。

2.4 磷的遷移轉化

根據總磷質量平衡,有:進水總磷量=植物吸收量+微生物同化量+基質吸附量+出水總磷量。

由表2可見,計算期內系統進水總磷量為3.10 kg,出水總磷量為1.26 kg,占進水總量的40.64%。由表3可知,微生物對總磷的同化量為0.38 kg,占進水總量的12.26%。由表5可見,3種植物對磷的吸收量之和為0.11 kg,占進水總量的3.55%。基質本身吸附磷量為進出水總磷量差值減去植物吸收量和微生物同化量,為1.35 kg,占進水總量的43.55%。總磷遷移轉化質量平衡見表 7和圖 7所示。

表7 總磷質量平衡表

圖7 總磷遷移途徑示意圖

由此可見,生態床對磷的去除主要途徑是基質吸附,其次為微生物同化作用。植物吸收對磷去除的貢獻是有限的。但是隨著運行時間的延長,基質吸附飽和和基質孔隙率的下降,系統整體除磷效率將逐漸下降,而植物吸收所占除磷比例將可能上升。磷最終從系統中的去除,依賴于植物收割和飽和基質的更換。同時由表3可見,微生物體內平均磷含量為2.13%,近似于按照理論化學式C60H87O23N12P計算的磷含量,說明生態床內未存在明顯的聚磷菌超量吸磷的現象,這與以往認為的生態床中存在好氧、厭氧交替環境導致微生物過量吸磷的觀點有所不同。

3 結論

1)進入生態床中的有機物、氮、磷在微生物、植物、基質三者聯合作用下進行遷移和轉化。生態床對有機物的總體去除率達到87.14%,其中微生物異化為有機物主要去除途徑,其貢獻率為68.45%,其次微生物同化去除有機物比例為18.69%。

2)生態床對總氮的總體去除率達到60.21%,其中微生物反硝化為總氮主要去除途徑,其貢獻率為53.64%,微生物同化和植物吸收去除總氮比例分別為5.39%和1.18%。

3)生態床對總磷的總體去除率達到59.36%,基質吸附、微生物同化、植物吸收三者的貢獻率分別為43.55%、12.26%、3.55%。

4)總體而言,微生物對污染物的去除起主要作用,其次基質吸附是磷去除的主要途徑,而植物吸收對污染物的直接去除貢獻不大,但是植物的水力疏導、氧的傳輸和微環境的營造等間接作用不可忽視。

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