王 昀

（南京理工大學(xué)，南京 210000）

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為組合式垂直流人工濕地，其主要由三個垂直流人工濕地構(gòu)建而成。將試驗材料放入開放環(huán)境中。組合式垂直流人工濕地總共分為三個級別，其長、寬、高均為0.5 m，填充深度為0.45 m；而一級填料為沸石（1～2 cm）、二級填料為石英砂（0.8～1.6 cm）、三級填料為陶粒（0.4～0.8 cm），濕地植物可栽種美人蕉、千屈菜、鳶尾，種植方式為20株/m。兩級填料的表面高度差為0.25 m，主要是將系統(tǒng)內(nèi)的水體重力流形式進(jìn)行維系。水流方向有三種：下向流、上向流、下向流。

1.2 系統(tǒng)運行

本次試驗用水主要是生活污水，其主要取自南京市仙林污水處理廠，水質(zhì)情況：進(jìn)水溫度（22.4±3.6）℃，溶解氧（0.1±0.1）mg/L、化學(xué)需氧量（128.6±37.4）mg/L、總氮（38.9±9.2）mg/L、氨氮（32.5±5.2）mg/L、硝氮（0.6±0.2）mg/L、亞硝氮（0.O1±0.01）mg/L、總磷（4.5±0.7）mg/L、磷酸（3.1±4.4）mg/L。水力負(fù)荷為10 cm/d，運行方式采用間斷性進(jìn)水，每運行1 h需要間隔1 h，每一級停留時間在12 h左右。采用蠕動泵為進(jìn)水提供動力支持。試驗系統(tǒng)可穩(wěn)定運行12個月后便可進(jìn)行試驗。

1.3 樣品采集及測試

樣品采集的為進(jìn)水、三個級別的出水，樣品采集的頻率為每周1次。需要檢測的指標(biāo)有：溫度（T）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、亞硝氮（NO2--N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43--P）、總磷（TP）等。對于溫度、溶解度進(jìn)行在線檢測；通過DRB200、DR2800對化學(xué)需氧量進(jìn)行檢測；通過標(biāo)準(zhǔn)方法對相關(guān)的物質(zhì)進(jìn)行檢測。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理方法

污染物質(zhì)的清除率采用的公式為：清除率=（1-C進(jìn)/C出）×100%；質(zhì)量清除速率采用的公式為：質(zhì)量清除速率 =（C進(jìn)V進(jìn)-C出V出）/（S·HRT）。

降解常數(shù)k在Kadlec、Knight基礎(chǔ)上的清除速率使用的公式為：

式中，HLR為水力負(fù)荷率，m/a；HRT為水利停留時間，d；C進(jìn)為進(jìn)水濃度、C出為出水濃度，mg/L；V進(jìn)為進(jìn)水體積；V出為出水體積，m3；S為人工濕度面積，m2。

對于數(shù)據(jù)的分析使用SPSS22.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行處理，應(yīng)用X2對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 運行中系統(tǒng)內(nèi)溫度、溶解氧變化

在試驗過程中，系統(tǒng)進(jìn)水溫度與各級出水溫度無明顯差異，隨著試驗的開展氣溫有所降低，如圖1所示。試驗材料處于敞開環(huán)境，所以其會受到外界氣溫的影響。系統(tǒng)各級出水溶解氧的濃度相比于進(jìn)水溶解氧的濃度更高，可見系統(tǒng)具備較高的充氧能力。第2級溶解氧濃度相比于其他進(jìn)、出水溶解氧濃度更高，且濃度呈現(xiàn)上下浮動的情況，此種情況與環(huán)境溫度及第2級填料表面的自然復(fù)氧可能有關(guān)[1]。

圖1 系統(tǒng)運行中溫度的變化

2.2 對污水中化學(xué)需氧量的清除效果

在進(jìn)水COD濃度出現(xiàn)較大波動時，系統(tǒng)對COD有著相對穩(wěn)定的清除效果，各級出水COD濃度無較大差異，可見在第1級便開始COD的清除，如圖2所示。人工濕地中的有機物可通過微生物在厭氧或有氧條件下利用有機物的新陳代謝來清除，濕地主要通過自然擴散及植物根莖泌氧來構(gòu)建有氧環(huán)境。在第1級系統(tǒng)進(jìn)水COD通過微生物吸收代謝、填料截留、植物根莖截留來獲得較高的清除率，第2級、第3級也能將殘余的COD進(jìn)行清除，最終系統(tǒng)的總清除率將超過90%。

圖2 系統(tǒng)運行中溶解氧的變化

2.3 對生活污水中氮的清除效果

組合式垂直流人工濕地能夠?qū)⑽鬯锌偟M(jìn)行有效的清除，且在第1級變呈現(xiàn)出較高的清除效果，如圖3所示。在進(jìn)水中呈現(xiàn)出多樣化的氮形態(tài)，其主要呈現(xiàn)氨氮形式及少量其他態(tài)氮、硝氮、亞硝氮。通過系統(tǒng)處理后氨氮的分量便會不斷降低，由進(jìn)水份額83.5%降低出水份額32%；且亞硝胺的分量不斷升高，由進(jìn)水份額1.5%升高到出水份額67.4%。系統(tǒng)中氮形態(tài)出現(xiàn)變化的致因為：人工濕地對于氮的清除極為煩瑣，主要有揮發(fā)作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、植物吸收、厭氧氨氧化等，一系列的反應(yīng)促使氮在系統(tǒng)中呈現(xiàn)出各種形態(tài)[2]。以上系統(tǒng)中氮形態(tài)的變化證實系統(tǒng)內(nèi)部存在的異養(yǎng)菌具有氨化作用、硝化作用，這些微生物能夠?qū)N中的有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮后再轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。相關(guān)研究顯示，垂直流人工濕地中有著大量且多樣的微生物菌群，主要有變形菌門、厚壁菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門。而在第1級主要進(jìn)行其他態(tài)氮的清除，相應(yīng)的氨氮不斷降低，在第3級亞硝氮會不斷上升，證實第1級主要進(jìn)行氨化反應(yīng)，第1級、第3級也同時進(jìn)行硝化反應(yīng)。由于硝化反應(yīng)需要消耗大量的氧氣，所以促使第1、3級出水中DO濃度相比于第2級更低。

2.4 對生活污水中磷的清除效果

在組合式垂直流人工濕地系統(tǒng)中，TP是逐漸減少的。在系統(tǒng)整個運行過程中，組合式垂直流人工濕地對TP有著穩(wěn)定的請粗效果，其中第1級清除率約27%、第2級清除率約30%、第3級清除率約44%，如圖4所示。對于磷的清除主要通過顆粒態(tài)磷的沉淀、截留等，異養(yǎng)菌會將顆粒態(tài)磷中的有機磷轉(zhuǎn)化為無機態(tài)的磷酸鹽，在此其中部分磷將與鈣、鎂等金屬離子或水合物發(fā)生反應(yīng)而出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，而沒有發(fā)生沉淀的磷酸鹽就會進(jìn)入水體中，促使水體中的磷酸鹽濃度上升。在組合式垂直流人工濕地的第1級、第2級將會進(jìn)行少部分正磷酸鹽的清除，第2級、第3級出水的磷酸鹽濃度沒有發(fā)生明顯的變化，其主要原因就是磷在系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)將有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷，經(jīng)過人工濕地工藝處理后，獲得的出水的磷酸鹽/總磷約69%，獲得的出水的磷酸鹽/總磷約92%。然而系統(tǒng)的第3級填料對于正磷酸鹽的清除效果極為顯著，最終獲得的出水濃度為（2.34±0.4）mg/L。

圖3 總氮的清除效果

圖4 總磷的清除效果

3 結(jié)語

近年來，節(jié)能減排一直都是國家開展環(huán)保工作的一項重要舉措，尤其為了保護(hù)稀缺的淡水資源，就要對污水實施科學(xué)、規(guī)范的處理。農(nóng)業(yè)面源污染危害較大，我國農(nóng)村約96%的生活污水未經(jīng)任何處理便排到水源中，對水源造成嚴(yán)重污染。當(dāng)前，組合式垂直流人工濕地工藝能夠?qū)?fù)雜環(huán)境中的污染源進(jìn)行有效的清除。