人工湿地处理生活污水的比较范文

《环境科技》2014年第三期

1材料与方法

1.1主要材料基质是人工湿地总要的组成部分之一，选择基质以较高的孔隙率、较好的理化特性、易得性、经济成本以及基质间的互补效应等为原则，选取高炉矿渣与粉煤灰等体积比混合作为本研究的实验基质。根据湿地植物选取的一般原则，即生态安全性、耐污能力强、净化能力强以及具有一定的利用价值等原则，选择菖蒲作为本研究的人工湿地植物。实验所用生活污水来源为湖南农业大学生活污水，为保证取水水样稳定，采取定点定时定量的方法取样，经检测原水水样主要指标见表1。

1.2主要装置主要试验装置是10mm厚度玻璃缸（400mm×300mm×350mm），在玻璃钢两侧分别开孔构成潜流式人工湿地。在玻璃缸内从下至上分别填充Φ20～Φ40mm的鹅卵石（厚度约为100mm），中层为Φ10～Φ20mm的鹅卵石（厚度约为100mm），上层是厚度约100mm基质层，并覆盖约为50mm的泥土层。

1.3实验方法于湖南省长沙市红星花卉市场挑选长势一致、无病虫害的菖蒲若干株。首先在对菖蒲进行驯化后统一移栽至人工湿地中。选取的植株需健康且长势一致，分2列，植株间距相同，密度为6株/池。在检测出水水质时，3种人工湿地进水采用同一污水源，进水TN，TP，COD的含量均相同，经人工湿地处理后在出水口取样，采用定时定量的方法取样，并计算其各组的平均值，由此进行对比分析。设计基质与菖蒲构成的人工湿地为优化组，第2组为不种植菖蒲的对照组，第3是种植菖蒲的传统人工湿地，即以沙土为基质，是为传统组。各类型人工湿地做平行试验3组。在各类型人工湿地处理水样的1，3，5，7d时检测出水水样的TN，TP，COD，各项指标的测定方法均参照《水和废水监测分析方法》第4版。TN采用钼酸铵分光光度法；TP过硫酸钾氧化紫外分光光度法；COD采用重铬酸钾法。

2结果与分析

2.1不同类型人工湿地对污水中TN的净化效果比较根据生活污水的取样水和人工湿地运行处理污水的1，3，5，7d分别检测出水水质的TN浓度，经计算出平均值绘制出在相同进水条件下3种不同类型的人工湿地对污水中TN质量浓度的变化曲线，见图1。通过图1中的变化趋势可知，3种类型的人工湿地对生活污水中的TN均有一定程度的净化作用，但各自的去除效果并不相同，随着人工湿地运行时间的延长，优化组和传统组对TN的净化效果总体趋势大致相同，而对照组却处于较低的且平稳的去除率。如图1所示，污水中TN质量浓度在5.52~6.53mg/L之间，平均质量浓度6.28mg/L。人工湿地运行1d时对TN的最高去除率仅为8.92%，3d时为14.49%，5d时为26.59%，7d时达68.79%。根据对去除率的变化可知，人工湿地系统在运行至时去除率变化较为缓慢，在7d时对TN的去除有了较大提高，因此随着人工湿地系统运行时间的延长，更有利于去除污水中TN的含量。这是因为随着人工湿地系统的运行有利于微生物的繁殖，在湿地基质层中形成的生物膜不断增加，更利于对N的硝化、反硝化等作用，同时也有利于湿地植物根系直接从污水或根基微生物中吸收利用无机氮。人工湿地系统主要是通过基质的吸附作用、植物的吸收利用、微生物的生化反应来达到净化生活污水中氮素的目的。在人工湿地系统中基质的成分决定了地下微环境，植物负责地上与地下氧、水等物质的沟通，两者的共同作用又影响到了微生物群落的功能大小、种类多样性等。污水中的有机氮的去除主要依靠微生物的作用，而无机氮的去除则是被植物直接吸收利用，经过复杂的分解、转化最终合成蛋白子和有机氮，成为植物生长发育的养分。计算对TN的平均去除率，见图2。由图2的变化趋势可以看出，3种类型的人工湿地随运行时间的延长水体TN的去除率总体来说是在提高，但对照组总体去除率提高缓慢且较为平缓。在相同外部环境和进水水质的条件下，人工湿地运作至第7天时，优化组对TN的去除率为68.79%，对照组为13.06%，传统组为46.82%。可知优化组对总氮的去除率最高，而对照组则最差，传统组居中。在实验中发现，由于菖蒲是通过驯化后移栽至人工湿地，在人工湿地运行初期其根系尚未完全伸展，随运行时间的延长根系得到了伸展并适应了新的环境，另外其根系较为发达、须根数量多、根系较长，因此根系附近的不同层面中的溶解氧含量增加，使得根际微生物能够较短时间内大量繁殖，促进了对有机氮的分解，同时菖蒲发达的根系对无机氮的吸收能力也逐渐加强。另外由于基质具有较大的比表面积，使得微生物附着于基质的生物膜能够最大化，不仅仅是与污水的接触面积增加，还有基质本身的物理吸附、离子交换等作用于氮素，因此生活污水经优化组净化处理后的出水水质最好。

2.2不同类型人工湿地对污水中TP的净化效果比较同样，计算出人工湿地运行不同时间的出水平均TP含量，绘制出污水TP含量的变化趋势，见图3。通过图3的变化趋势可知，优化组与对照组的TP去除效果相差不多，传统组的去除效果较低。通过与TN的去除变化趋势相比，优化组和对照组在人工湿地运行之初便对TP有较高的去除效果外，与传统组一样，随运行时间的延长，TP的去除率仍有缓慢提高。P是植物、微生物生长发育所必须的营养物质之一。随人工湿地的运行，菖蒲适应新环境并生长发育，其根系得到伸展，基质层中微生物的繁殖，都需要吸收污水中的磷素，经吸收、分解、转化等相关反应后成为植物及微生物的生物膜、ATP、DNA以及RNA等有机成分，而高炉矿渣和粉煤灰本身便可作为强化除磷基质，且对P的解析率较低，仅为0.68%，因此对P有较强的出去效果。各人工湿地对TP去除率计算平均值见图4。通过图4的比较可知，3种人工湿地系统在对污水中TN的净化效果最好的是优化组，在7d时达到了88.99%，其次是对照组，最差的则是传统组，去除率分别为74.98%，28.68%。TP的去除原理与TN的去除原理相似，同样由于菖蒲的逐渐适应，根系的伸展，微生物的繁殖，微生物膜面积的增大，随人工湿地运行时间的延长，对P的去除率逐渐提高。但与TN去除不同的是，湿地基质对TP的去除起了起到了较大作用。例如高炉矿渣在水淬急冷时形成疏松多孔结构，比表面积较大，另因钙的含量较高，P更易吸附与基质表面，形成磷酸钙，达到去除磷素的效果。

2.3不同类型人工湿地对污水中总COD的净化效果比较依据3种类型人工时运行时间对出水水质COD含量的变化趋势，绘制出出水COD含量变化趋势，见图5。通过图5可知，3种人工湿地所进水水样COD平均质量浓度为89mg/L，而原始水样COD质量浓度则在87.62~90.70mg/L之间变动。优化组与对照组在运行1d，COD的去除率分别为44.19%，34.08%。传统组随运行时间的延长去除率不断上升，而对照组则在运行1d后相对处于平缓，优化组则与传统组类似，随运行时间去除率不断提高。3种人工湿地对COD的去除率比较见图6。图63种人工湿地对COD的去除率比较通过图6比较可知，优化组在运行至7d时对COD去除效果最好，达到了76.03%，传统组与对照组COD的去除率较为接近，平均去除率分为38.22%，33.34%。COD的的去除主要依靠颗粒物质的过滤作用以及微生物的生化反应，因此优化组与对照组能够在运行1d对COD的平均去除率就分别达到了44.19%，34.08%。由于植物对COD的吸附作用和植物生长并不需要COD等因素，另根系分泌的物质和根系都有助于微生物群落的繁殖，使得微生物群落的种类、数量、功能等得到了增强。因此植物的生长发育，微生物的繁殖，随人工湿地运行时间的延长，优化组和传统组COD的去除率逐步提高。对照组中并未种植菖蒲，基质中微生物受DO含量、有机质等物质的限制，故去除率达到34.08%后，随运行时间的延长去除率较为平缓。由图6可知，优化组和传统组对COD去除率的变化趋势在湿地处理污水1d后的变化趋势几乎相同，7d时，优化组、对照组、传统组对COD的去除率分分别是76.03%，33.34%，38.22%。优化组对污水中COD去除效果最佳。3种类型人工湿地在动态条件下对生活污水处理效果的对比研究：①有将前人研究成果运用于实际，有利于拓展研究；②为增强人工湿地处理能力提供了新的研究思路；另由于所选基质为工业固体废弃物，而且在提高人工湿地处理能力的同时保持了原有特点，更有利于应用将来的工程建设中。比以往的单单研究人工湿地的基质或植物筛选更能有效的提高污水处理能力。本研究的优化组与对照组所用基质均为工业固体废弃物，所用植物菖蒲不仅仅是处理生活污水的高效植物，还具有观赏价值和医用价值。在以往的人工湿地中很少和没有研究过同时采用此类基质和植物，所以在将来的人工湿地系统的研究和发展中提供了新的研究思路和依据。

3结论

（1）对优化组、对照组和传统组3种类型的人工湿地进行了处理生活污水效果的动态研究。在此动态条件下，3种人工湿地系统处理生活污水的效果总体上随运行时间延长而提高的，3种人工湿地运行至7d时，实验组与对照组TN的去除率相差较大，相差达55.73%，主要是由于缺乏湿地植物根系及根系分泌物；TP的去除以优化组最好，传统组最差，主要是由于传统组所采用的沙土基质不能较好的吸附磷素，但随运行时间的延长3种人工湿地的去除率增长趋势总体相同；COD的去除并不十分依赖湿地植物，相反主要依靠植物、微生物以及基质3者间的协同作用，故传统组与对照组在7d时对COD的去除率相近。（2）通过对TN，TP，COD去除率比较研究，可知优化组人工湿地系统对污水的净化效果最好，7d时对TN，TP，COD的去除率分别是67.79%，88.99%，76.03%。并分析可知，单一使用处理生活污水的高效基质或湿地植物均不能达到最高处理效果。（3）实验结果显示出优化配置后的人工湿地优于传统类型，可在分析对照组时发现若湿地植物的伴生菌并不适于在此基质中生存繁殖，那么湿地植物与基质将会表现出拮抗作用，因此选择合适搭配显得尤为重要,而伴生菌可在一定程度上作为指标数据。另外对优化组与传统组的污水处理效果对比分析后可知，在不表现出拮抗作用的前提下，不同高效湿地材料的搭配下各组成部分协同作用的强弱不同仍然会有不同的污水处理效果，也必然存在比优化组更适合处理生活污水的配置。因此从高效材料中选择合适的材料组合搭配得到出众的污水处理效果将是研究提高污水处理能力的方向和研究工作的重点。

作者：任森华袁博葛大兵田熊苏畅徐丽单位：湖南农业大学生物科学技术学院