溶解氧對人工濕地系統除磷性能影響研究

趙同宇

（遼陽市城市管理事務服務中心，遼寧 遼陽 111000）

隨著經濟建設不斷發展，國內涌現出大批郊區道路［1］。作為連接城鄉與高速路口的緩沖地帶，也在一定程度上起到“城市名片”的作用。設計上大多采用寬且直的樣式，這將導致路邊住戶居住松散，進而忽視周圍的環境維護問題。沿途的生活污水處理研究一直處于起步階段，污水中含有豐富氮磷物質，是植物生長的必備元素，也會導致水生厭氧生物大量繁殖，使水體惡化發臭。國內現投入使用的多半為化學除磷法和物理除磷法；人工濕地系統是一種新型的生物除磷系統，它將污水中過量的氮磷物質轉化成為系統中植物的養料，破壞了厭氧生物的生存環境，有效改善水體。傳統的化學除磷法會有有害化學制劑殘留，會改變土壤酸堿度，影響農作物的生長；物理除磷法浪費大量人力物力，并不能高效持久的去除水體總磷。實施人工濕地系統除磷的方案，可以達到效率高、耗能低、綠色環保等功效。

溶解在水中分子態氧稱為溶解氧。水中溶解氧濃度可通過碘量測定法判斷含量的多少。不同的溶解氧濃度會改變人工濕地系統中厭氧區域分布，進而影響微生物生長；此外人工濕地系統中，基質的微觀組成中含有大大小小的坑洼，這會在基質表面形成一層生物膜，溶解氧濃度變化的同時也會改變生物膜構造。因此溶解氧會對人工濕地系統除磷性能產生影響。

1 實驗設備

1.1 實驗試劑

濃硫酸（98%）、鉬酸銨、抗壞血酸，天津科密歐化學試劑有限公司（分析純）；酒石酸銻氧鉀，天津致遠化學試劑有限公司（分析純）；磷酸二氫鉀、氫氧化鈉，天津奧普升化工有限公司（分析純）;硫酸錳、碘化鉀，北京化工廠（分析純）；可溶性淀粉，上海阿拉丁生化科技有限公司（分析純）。

1.2 實驗儀器

分析天平 BSA124S 、高壓蒸汽滅菌鍋YXQ-LS-100G，沈陽瑞永興化玻儀有限公司；多通道蠕動泵BT600-2J，保定創銳泵業有限公司。烘箱101-3AB、馬弗爐SX-4-10，天津市泰斯特儀器有限公司；紫外分光光度計UV-5500，上海元析儀器有限公司；水溶性分析儀SX723，上海三信儀表廠。

1.3 模擬人工濕地系統設備的制作

為更好增強對磷的吸收作用，同時有利于水生濕地植被扎根生長［2］，人工濕地系統基質層設計從下到上，基質顆粒逐漸變細，底層設置防滲層防止水樣流出，影響總磷檢驗結果；上層布置植物生長土壤，為水生植物生長提供場所；中間顆粒直徑逐漸過渡，有利于植物的根系舒展，吸收水中氮磷物質，也有利于水中微生物活動生存。厚度及材料由下到上分別為25 cm 壓實防滲層、25 cm 爐渣、25 cm陶粒、25 cm 沸石、10 cm 土壤等，在土壤層上部10 cm 處增設入水口，方便進水同時減少水流的沖擊作用；下部離水桶底部5 cm 處安裝排水閥門，能夠使水體總磷被充分吸收，保證結果有效性；在桶內閥門處設置鋼絲濾網，可以有效防止大顆粒雜物的掉落。植被選擇美人蕉、蘆葦、香蒲共3 種挺水及浮水植物，該種植物在中國境內較為常見，大規模制造濕地系統時可就地取材。試驗裝置如圖 1所示。

圖1 人工濕地模擬裝置

2 人工濕地系統除磷率曲線繪制

2.1 碘量法測定水中溶解氧

將吸管插入溶解氧瓶內水體液面下，加入1 mL硫酸錳溶液、2 mL 堿性碘化鉀溶液。充分混合后靜置，等待棕色沉淀物穩定，并靜置1.5 h。然后再次攪拌并再次等待沉淀物穩定。使用儀器析出沉淀物中的碘，將反應裝置瓶小心打開，將吸管插入液面下加入2 mL 硫酸，再把瓶蓋蓋回，整個過程應輕拿輕放，動作迅速。之后將裝置放于暗處等待5 min。移取100.0 mL 溶解氧液體，加入反應裝置中顛倒搖勻，待沉淀物完全溶解。接下來采用硫代硫酸鈉溶液進行滴定實驗，隨著滴定溶液的不斷添加，溶液顏色逐漸變淡，當溶液呈淡黃色時，向容器內加入1 mL 可溶性淀粉溶液。之后繼續滴定，直到藍色消失瞬間實驗停止。記錄下各試劑所用計量，利用以下公式計算可知溶解氧含量：

2.2 TP 法測定總磷去除率

為研究溶解氧對人工實體系統出磷性能影響，采用兩組圖1 裝置進行對照分析，進水口水樣設定D1=1.62 mg·L-1、D2=4.32 mg·L-1一高一低兩個不同的DO 值。將裝置放于陽面通風處，模擬郊區道路空曠環境，促進植物順利生長。裝置溫度、pH 值、水流流速的其他條件均符合人工濕地運行條件，使檢測目的更為明確。進水口總磷濃度變化范圍為3.68～4.52 mg·L-1，較符合沈陽附近流域總磷量變化范圍。試樣共觀測48 h，每間隔12 獲取一次出水口水樣。在外界條件不變情況下，重復以上操作3 次，避免人為因素產生的結果誤差。

取6～8 只50 mL 有塞比色管，分別加入0、0.5、3.0、5.0、10.0、15.0 mL 磷酸鹽標準使用液，再填水至50 mL。加入1 mL 10%抗壞血酸溶液，搖勻。靜置后加入2 mL 鉬酸鹽溶液，搖勻。靜置15 min。放置于700 mm 波長處從零濃度開始，測量10 mm或30 mm 比色皿中水樣吸光度；離心模擬人工濕地裝置出水口的水樣，取上層清液進行濾膜過濾或水樣消解（使含磷量≤30μg）。將其放入50 mL 比色管中，用水稀釋到標線，按照繪制標準曲線的操作重復一遍，并對照校準曲線確定含磷量。進水口總磷量與出水口總磷量差值比上進水口總磷量可得模擬系統除磷率，根據數據繪制除磷率曲線。

2.3 不同溫度下除磷性能研究

為進一步明確除磷性能的決定性因素，本節探討溫度改變時對模擬系統的影響。采用3 組圖1 裝置，分開種植蘆葦、美人蕉、香蒲。參考所種植物生長環境的溫度范圍并加以擴大，設置溫度變化為22～32 ℃，并以2 為梯度逐次遞增的6 組設備。將其放于陽面通風處，保證系統順利運行，進水口總磷濃度變化范圍3.68～4.52 mg·L-1，水樣酸堿度為7～9。10 h 后取出水口水樣，采用TP 法檢測磷含量，并繪制不同溫度下模擬濕地系統除磷量曲線、模擬濕地系統除磷率曲線如圖2、圖3。

圖2 不同溫度下總磷去除量

圖3 不同溫度下總磷去除率

由圖中曲線可以明顯看出，溫度較高時（≥30 ℃）除磷量削減近一半，不同植物除磷率降低到65%左右；溫度較低時（≤24 ℃）除磷量在80%左右；溫度為24～30 ℃時，除磷率最高接近90%。當不同濕地系統的環境溫度變化時，各組除磷率數值相近；溫度超過30 ℃時，除磷效果大幅減弱。因此，人工濕地系統不具備較好的耐熱性能，溫度是影響除磷性能的關鍵性因素之一。

3 結果與討論

人工濕地系統因構造上密下疏的原因，存在厭氧區與非厭氧區。水體中溶解氧含量的改變，會影響水生生物發揮喜氧與厭氧作用的區域。生物對總磷的分解化解作用大部分發生在厭氧區。改變溶解氧濃度會改變厭區域分布，對生化作用產生影響，進而導致總磷未被充分吸收排入水中，降低系統除磷效率［3］。此外，人工濕地系統所建造的基質內部微觀是凹凸不平的表面，可以為水生生物提供生活場所，加速形成表面生物膜。溶解氧含量的變化會影響活性位置點的產生，對基質顆粒的除磷效果產生影響。

本文采用鉬銻抗分光光度法測量模擬人工濕地系統除磷量，繪制不同溶解氧濃度下系統吸收總磷量對比圖，如圖4，計算并繪制不同溶解氧濃度下系統除磷率曲線如圖5。

圖4 不同DO 值下總磷去除量

圖5 不同DO 值下總磷去除率

由圖中曲線變化可以看出，溶解氧質量濃度為1.62 mg·L-1時去磷范圍平均值3.525 mg·L-1,在溶解氧質量濃度為4.32 mg·L-1時，去磷范圍平均值3.58 mg·L-1。平均除磷率分別為81.5%和83.0%左右。

4 結論

1）模擬人工濕地系統對水體中磷的吸收率可達80%以上，是更為高效環保的生態污水處理措施。

2）模擬裝置式中所用植物，蘆葦、美人蕉、香蒲前期對磷的吸收速度相近。在36 h 之后蘆葦與香蒲吸收率略有下調，說明美人蕉除磷性能更持久。

3）曲線走向可以看出，較高溶解氧濃度和較低溶解氧濃度前期磷吸收量相近，36 h 之后較高濃度溶解氧下模擬系統除磷率略有下調，說明高濃度下系統更易達到飽和狀態，或對系統性能產生輕微的削減作用。

4）人工濕地系統在水樣進入初期吸收磷的作用很強，但在進水36 h 左右之后，吸收量逐漸減少，系統到達一個飽和狀態。因此在使用人工濕地系統的同時，也應注意減少污水排放量。

5）數據顯示，不同溶解氧下模擬系統吸收磷量不同，溶解氧濃度較高時，吸收總磷量較多。

6）溶解氧對模擬系統去除總磷性能有一定影響，但各濃度下總體除磷率曲線走勢相近，各時間點除磷率數值差異不大，故DO 值可不做人工濕地系統除磷效益的決定性因素。