基質對人工濕地污水蒸發量及凈化能力的影響

徐德福,李映雪,鄭建偉,趙曉莉,方 華 (南京信息工程大學,江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室,江蘇 南京 210044)

基質對人工濕地污水蒸發量及凈化能力的影響

徐德福*,李映雪,鄭建偉,趙曉莉,方 華 (南京信息工程大學,江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室,江蘇 南京 210044)

選擇5種常見的人工濕地基質(土、沙、沙+土、有機質+沙和有機質+沙+土),研究了不同基質對污水蒸發量及凈化能力的影響.結果表明,不同基質對污水的蒸發量存在差異,其大小順序為:(有機質+沙+土)＞(有機質+沙)＞沙＞土＞(沙+土);有機質+沙+土和有機質+沙 2種基質的污水蒸發量顯著高于其他基質(P＜0.05)并與其溫度比較高有關.5種基質的溫度存在差異,有機質+沙+土的溫度顯著高于土和沙兩種基質的溫度(P＜0.05),有機質+沙+土的溫度比土的溫度高2.2℃;相關分析顯示,基質的污水蒸發量與高錳酸鉀指數去除率和氨氮去除率呈正相關,其中與氨氮去除率呈顯著正相關(P＜0.05).基質加入有機質可增加基質的溫度,提高基質的污水蒸發量,有利于提高基質對有機物和氮的去除效率.

人工濕地；基質；污水；溫度；蒸發；凈化能力

蒸發是自然界水循環中重要一環,有關農業和水資源問題的研究和解決都與蒸發量有關[1].植被以及土壤性質如質地、有機質含量、水分及鹽分含量對水分蒸發量均產生不同影響[2].近年來,利用人工濕地處理城市及工業排放的污水的研究頗受關注.目前研究主要集中于人工濕地基質對微生物數量[3]和酶活性[4]的影響;人工濕地基質對磷的吸附能力的影響[5-6];人工濕地基質對堵塞的影響[7];濕地土壤對苯胺的吸附能力的影響[8],垂直流人工濕地不同填料對運行效果[9]的影響等方面.而有關不同基質對污水蒸發量及凈化能力的研究鮮見報道.為此,本實驗選擇幾種常見的濕地基質,研究了不同基質對污水蒸發量及凈化能力的影響,為提高人工濕地的凈化能力提供理論依據.另外,人工濕地是一個開放的系統,其水分蒸發對人工濕地物質的循環與轉化以及溫室氣體的排放等都有著重要的作用.因此,研究不同基質對污水蒸發量的影響對了解人工濕地中物質的遷移與轉化有著重要的意義.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

沙子采用南京長江段支流江沙,其主要成分為二氧化硅,其粒徑 0～0.25mm,0.25～0.50mm, 0.50～1.0mm,1.0～2.0mm和2.0～5.0mm的質量百分比(不同粒徑沙子質量與總質量之比)分別為19.2%,31.7%,25.3%,12.5%和 11.3%.土壤取自南京信息工程大學農業試驗站,土壤質地黏重,土壤有機質含量為 12.1g/kg,全氮為 0.99g/kg,堿解氮為 57.9mg/kg,速效磷為 70.94mg/kg,速效鉀為50.39mg/kg,pH值為 7.26[10].有機質采用腐熟的稻草秸稈,并將其剪碎(＜1cm),備用.

1.2 裝置與處理

本實驗采用的實驗裝置見圖 1,將1個塑料桶(上口直徑 30cm,下底直徑 23cm,高 30cm)放在1個塑料盆中(上口直徑 40cm,下底直徑30cm,高13cm),在塑料桶底部有6個污水通道,可實現塑料桶與塑料盆之間的污水交換.在塑料桶底部放1層尼龍網(300目),以防止基質從塑料桶中漏出.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

實驗設 5個處理,分別如下:土壤(Ⅰ);沙子(Ⅱ);沙子+土壤完全混合(體積比 1:1)(Ⅲ);3%有機質與 97%沙子混合(質量比)(Ⅳ);沙子與土壤1:1(體積比)混合后再與 3%的有機質混合(質量比)(Ⅴ). 2010年3月24日分別將相同體積(7L)的上述基質放入塑料桶中,然后向每個處理中加入相同量的污水,使整個基質處于濕潤狀態,每種處理設3次重復,共15個處理.全部實驗在塑料大棚中進行,大棚主要作用是遮雨.

1.3 污水處理實驗

2010年8月2日將前期實驗的塑料盆取下、洗凈并向每個塑料盆中準確加入4L富營養化水,水力負荷為 8cm/d [有機負荷 CODMn為 0.65g/ (m2?d)],其水質見表 1. 4d后(相對于水力停留時間 4d),測定塑料盆中污水的剩余體積,并分析水中總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)、總磷(TP)和CODMn.

表1 實驗用污水水質(mg/L)Table 1 The tested wastewater quality(mg/L)

1.4 指標分析與測定

污水體積直接采用量筒測定.TN、NH4+-N、NO3

--N、TP和 CODMn均采用《水和廢水監測分析方法》[11]中的標準方法測定.基質表層溫度采用非接觸式紅外測溫儀(Raynger ST20,美國Raytek公司)在無風時測定,測定時間為中午12:00～13:30.測定方法為將塑料桶中的基質表層中心設一個點,圍繞中心再設5個點;每個處理都在相同的位置測定6個測試點的溫度,計算平均值代表該處理的溫度.為了降低測定時間(順序)對溫度的影響,先按處理的編號從小號到大號依次測定,測定完成后,立即再從大到小測定.完成1次循環后,計算2次測定的平均值為基質表層的溫度.

1.5 基質蒸發量和去除率計算方法

基質每日污水蒸發量=(加入污水體積－污水剩余體積) ÷ (4d×基質表面積)

基質污染物去除率=(加入污水體積×污染物濃度－剩余體積×污染物濃度) ÷ (加入污水體積×污染物濃度)

1.6 數據處理與分析

利用 DPS 統計軟件進行統計分析,采用鄧肯多重極差對不同處理間差異進行顯著性檢驗,顯著性水平為P=0.05.

2 結果與分析

2.1 基質的污水蒸發量

不同基質的污水蒸發量存在差異,見圖2.

從圖 2可以看出,5種基質的污水蒸發量的大小順序為:處理Ⅴ＞處理Ⅳ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ＞處理Ⅲ,其中處理Ⅴ和處理Ⅳ2種基質的污水蒸發量顯著高于處理Ⅰ和處理Ⅲ2種基質的蒸發量(P＜0.05),而處理Ⅱ的污水蒸發量又顯著高于處理Ⅲ的污水蒸發量(P＜0.05).處理Ⅴ的污水蒸發量是處理Ⅲ污水蒸發量的1.42倍.

圖2 不同基質污水的蒸發量Fig.2 The quantity of evaporation wastewater in different substrates

2.2 基質表面溫度

5種基質表層溫度見圖3.從圖3可見,5種基質表層溫度存在差異,以處理Ⅴ的溫度最高,且明顯高于處理Ⅰ和處理Ⅱ2種基質的表層溫度(P＜0.05).處理Ⅴ的表層溫度比處理Ⅰ表層溫度高2.2℃.處理Ⅴ、處理Ⅳ、處理Ⅲ、處理Ⅱ和處理Ⅰ的溫度分別為 31.9,31.1,30.7, 30.3,29.7℃.

圖3 不同基質表層溫度Fig.3 The temperature of different surface substrates

2.3 基質對CODMn的去除能力

從圖4可以看出,處理Ⅴ對CODMn的去除率最高,處理Ⅳ其次,處理Ⅲ對 CODMn的去除率最低,處理Ⅴ對 CODMn的去除率顯著高于處理Ⅲ(P＜0.05).5種基質對 CODMn的去除率大小順序為:處理Ⅴ(59.4%)＞處理Ⅳ(55.0%)＞處理Ⅰ(54.0%)＞處理Ⅱ(50.6 %)＞處理Ⅲ(43.8 %).

圖4 不同基質對CODMn的去除率Fig.4 The removal efficiency of CODMn of different substrates

2.4 基質對NH4+-N的去除能力

從圖 5可以看出,處理Ⅴ和處理Ⅳ2種基質對 NH4+-N的去除率顯著高于處理Ⅰ和處理Ⅲ2種基質(P＜0.05).處理Ⅲ對NH4+-N的去除率最低,處理Ⅴ對 NH4+-N的去除率是處理Ⅲ的 1.1倍.5種基質對 NH4+-N去除率大小為:處理Ⅴ(92.3%)＞處理Ⅳ(91.8%)＞處理Ⅱ(90.7%)＞處理1(85.9%)＞處理Ⅲ(82.9%) .

圖5 不同基質對NH4+-N的去除率Fig.5 The removal efficiency of NH4+-N of different substrates

2.5 基質對NO3--N去除能力

不同基質對NO3--N的去除率存在差異見圖6,以處理Ⅳ對 NO3--N的去除率最高,處理Ⅴ對NO3--N的去除率其次,處理Ⅰ對NO3--N的去除率最低.處理Ⅳ與處理Ⅰ對 NO3--N的去除率存在顯著差異(P＜0.05).5種基質對NO3--N的去除率大小順序為:處理Ⅳ(84.9%) ＞處理Ⅴ(74.2%) ＞處理Ⅱ(70.6%) ＞處理Ⅲ(69.3%) ＞處理Ⅰ(65.9%).

圖6 不同基質對NO3--N的去除率Fig.6 The removal efficiency of NO3--N of different substrates

2.6 基質對TN的去除能力

不同基質對TN的去除率也存在差異(圖7),其中處理Ⅴ、處理Ⅳ和處理Ⅰ對TN的去除率比較高,且顯著高于處理Ⅱ和處理Ⅲ(P＜0.05).5種基質對TN的去除率大小順序為:處理Ⅴ(89.4%)＞處理Ⅳ(87.2%)＞處理Ⅰ(86.6%)＞處理Ⅱ(69.4%)＞處理Ⅲ(64.8%).

圖7 不同基質對TN的去除率Fig.7 The removal efficiency of TN of different substrates

2.7 基質對TP的去除能力

不同基質對TP的去除率見圖8,從圖8可以看出處理Ⅱ對 TP的去除率最高,處理Ⅲ其次,而處理Ⅳ最低,其中處理Ⅱ對 TP的去除率顯著高于其他基質對TP的去除率(P＜0.05).

圖8 不同基質對TP的去除率Fig.8 The removal efficiency of TP of different substrates

5種基質對TP的去除率大小順序為:處理Ⅱ(89.2%) ＞處理Ⅲ(63.0%) ＞處理Ⅰ(54.2%) ＞處理Ⅴ(44.9%) ＞處理Ⅳ(41.8 %).

3 討論

不同基質的污水蒸發量存在差異,其大小順序為處理Ⅴ＞處理Ⅳ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ＞處理Ⅲ.處理Ⅱ與處理Ⅰ相比,處理Ⅰ質地黏重,孔隙度比較低,而處理Ⅱ的孔隙度比較高,因此,沙子的污水蒸發量高與其孔隙度含量比較高有關.韓任峰等[12]比較了 2種質地土壤的水分蒸發量,發現輕壤土水分蒸發量大于重壤土.劉福漢等[13]也報道,輕壤土的水分累計蒸發量和日蒸發量均大于表黏層輕壤土,主要與土壤毛管水上升速度輕壤土＞表黏層輕壤土有關,因為毛管水上升速度與黏土的性質有關,黏粒的表面積大,毛管孔隙直徑很小,對土壤毛管上升水流摩擦阻力大,吸附力強,因而傳導慢,降低了毛管水上升的速度,從而對水蒸發的阻滯力較大.處理Ⅲ的污水蒸發量低于處理Ⅱ與處理Ⅰ的污水蒸發量可能與沙子加入土壤后,切斷土壤的毛細管,從而導致處理Ⅲ的蒸發量小于處理Ⅰ,相應地土壤與沙子混合后沙子的孔隙度降低,也導致處理Ⅲ的污水蒸發量低于處理Ⅱ.關紅杰等[14]也報道,砂石覆蓋能起到抑制土壤蒸發的作用,主要是由于疏松的砂石層切斷了土壤的毛細管作用,抑制了土壤水分蒸發.處理Ⅴ和處理Ⅳ兩種基質的污水蒸發量高于處理Ⅱ和處理Ⅰ(P＜0.05),可能與有機質的加入有關,有機質的加入可進一步改善沙子和土壤的孔隙度,從而導致處理Ⅳ和處理Ⅴ的污水蒸發量高于沙子.該結果與王珍等[15]的研究相一致.另外,處理Ⅴ和處理Ⅳ兩種基質的污水蒸發量高于處理Ⅱ和處理Ⅰ還與其表層溫度比較高有關(圖 3).藍智君等[16]研究發現土壤水分蒸發強度受溫度和有機質含量的影響,即有機質含量高的土壤,色澤深,吸熱性能強,土壤溫度也高,蒸發量大,且土壤飽和導水率與有機質含量呈正相關.因此,處理Ⅴ和處理Ⅳ兩種基質的蒸發量高于其他3種基質,與其有機質的加入,基質表層溫度比較高有關.

基質的污水蒸發量與 CODMn、NH4+-N、 NO3--N、TN和TP的去除率相關分析見表2.

表2 不同指標的相關性Table 2 Correlation of different indicators

從表2中可以看出,蒸發量與CODMn去除率呈正相關,而與 NH4+-N去除率呈顯著正相關(P＜0.05).即基質的水分蒸發量越大,對CODMn和NH4+-N的去除率越高,其原因可能與CODMn和NH4+-N的去除途徑有關.有機物的去除過程包括吸附和降解,水分蒸發越多,更多的有機物將在基質表層積累,有利于基質對有機物的吸附和微生物降解,從而提高CODMn去除率.NH4+-N的去除過程包括揮發、基質吸附和硝化與反硝化脫氮,水分蒸發量越多,可能導致更多的 NH4+-N以揮發的途徑去除.夏發輝[17]報道當氨氮濃度低于100mg/L時,隨著初始濃度的增加,蛭石對氨氮的去除率增加.因此,NH4+-N去除率的增加可能與污水蒸發量高,NH4+-N的積累,增加了基質對NH4+-N 的吸附有關.圖 6可以看出,土壤對NO3

--N的去除率最低,可能與NO3--N帶負電荷,土壤也帶負電荷,而同種電荷相排斥有關,從而降低了基質對NO3--N的吸附.在本實驗中,基質對CODMn去除率與 TN去除率呈顯著正相關(P＜0.05)(表 2),主要與氮的硝化與反硝化途徑有關.因為微生物硝化與反硝化越強,氮去除越多,相應地需要供給微生物的碳越多,而微生物的生長與繁殖所需要的碳源與能源是由有機物供給,從而導致對有機物的去除率提高.從圖8可以看出,沙子或土壤中加入有機質后基質對磷的去除率降低,其原因可能是:有機分子與磷競爭礦物表面的吸附點.有機質吸附在土壤的非特殊吸附點上,增加了土壤的負電荷,增強對磷的排斥作用,而減少對磷的吸附[18-19].有機質含有一定的磷量[20],加入有機質后基質對磷的去除率降低可能與有機質中磷的溶出有關,因此,基質中有機質含量的增加不利于磷的去除.

從圖4～圖7可以看出,無論是沙子還是土壤,加入有機質均能提高對 CODMn、NH4+-N、NO3--N、TN的去除率,其原因可能有3方面:一是有機質的加入為微生物提供了碳源與能源,從而提高了基質中微生物的活性,有利于污水中有機物的分解和硝化與反硝化脫氮.二是有機質的加入提高了基質的溫度,加快了基質中的反應速度,從而在一定程度上提高了基質的凈化能力.三是有機質加入基質后提高了基質的蒸發量,有利于基質對有機物和氮的吸附,提高對有機物和氮的去除效率.上述結論也說明,在冬季,特別是在北方,適當的有機質覆蓋基質,可以達到人工濕地保溫的效果,有利于提高人工濕地的凈化能力.

4 結論

4.1 不同基質表層溫度存在差異,以處理Ⅴ的溫度最高,而處理Ⅰ和處理Ⅱ2種基質的表層溫度則比較低,處理Ⅴ的表層溫度比處理Ⅰ的表層溫度高2.2℃.不同基質的蒸發量也存在差異,其大小順序為:處理Ⅴ＞處理Ⅳ＞處理Ⅱ＞處理Ⅰ＞處理Ⅲ,處理Ⅴ和處理Ⅳ的蒸發量比較高與其溫度較高有關.

4.2 基質蒸發量影響了基質對污水的凈化能力,其中蒸發量與 CODMn去除率呈正相關,而與NH4+-N去除率呈顯著正相關(P＜0.05).基質中加入有機質可以提高基質對有機物和氮的去除率.

4.3 有機質加入基質可增加基質溫度,增加基質的蒸發量,提高基質對有機物和氮的去除率.在冬季由于人工濕地中植物的枯死,基質對人工濕地污水的去除具有重要的作用,選擇合適的基質有利于提高人工濕地的凈化能力.

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Effect of substrates on evaporation and purification of wastewater in constructed wetland.

XU De-fu*, LI Ying-xue, ZHENG Jian-wei, ZHAO Xiao-li, FANG Hua(Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：927～932

The study investigated the effect of five common substrates (soil, sand, a mixture of soil and sand, a mixture of sand and organic matter, and a mixture of sand, soil and organic matter) on evaporation and purification of wastewater in constructed wetland. The evaporation capacities of wastewater in the substrates were different following the order of mixture of sand, soil and organic matter＞ mixture of mixture of sand and organic matter＞ sand ＞ soil ＞ mixture of sand & soil. The evaporation capacity was significantly higher in the mixture of sand, soil and organic matter and the mixture of sand and organic matter than in the other three tested substrates (P＜0.05),which was related to the substrate temperature. Temperatures of the five substrates were different and the mixture of sand, soil and organic matter had significantly high temperature compared with soil or sand (P＜0.05). The temperature of the mixture of sand, soil & organic matter was 2.2℃ higher than that of the soil. The correlation analysis showed that there was significantly positive correlation between the evaporation capacity of wastewater and the removal efficiency of NH4+-N (P＜0.05). The addition of organic matter can increase the temperature and evaporation capacity of wastewater in the substrate, which contribute to the enhanced removal efficiency of organic carbon and nitrogen in the wastewater.

constructed wetland；substrate；wastewater；temperature；evaporation；purification capacity

X506

A

1000-6923(2011)06-0927-06

2010-10-08

國家自然科學基金資助項目(40901257);環保公益性行業科研專項(201009012);江蘇省高等學校實踐創新訓練計劃項目(09CX0021)

* 責任作者, 副教授, zysdfx@sina.com

徐德福(1975-),男,貴州遵義人,副教授,博士,主要從事污染水體生態修復研究.發表論文27篇.