不同植物与水力负荷对人工湿地脱氮除磷的影响

中国环境科学2011,31(11)：1815~1820ChinaEnvironmentalScience不同植物与水力负荷对人工湿地脱氮除磷的影响凌祯,杨具瑞*,于国荣,程浩亮,李君宁(昆明理工大学电力工程学院,水利水电工程系,云南昆明650051)摘要：通过6种湿地植物的表流(SF)和潜流(SSF)人工湿地对比实验,分析了不同植物的SF和SSF人工湿地去除率随水力负荷(HL)变化的规律,得到了6种不同植物的SF和SSF人工湿地的最优HL、最优去除率.实验结果表明:6种植物的SF和SSF人工湿地对TP、TN去除率随HL的增加而降低,且植物不同,去除率降低趋势不同,且SSF人工湿地去除率降低值比SF小.SF人工湿地TP、TN去除率比SSF低,且TP去除率比TN大.SF人工湿地中水葱对TP、TN去除率降低最大,水芹菜对TP去除率降低最小,美人蕉对TN去除率降低最小;SSF人工湿地中美人蕉对TP去除率降低最大,水芹菜最小对TP去除率降低最小.芦苇对TN去除率降低最大,水葫芦对TN去除率降低最小.6种植物SF人工湿地去除TP和TN的平均最优HL分别为0.53,0.47t/(m2d);SSF人工湿地去除TP、TN平均最优HL分别为0.68,0.44t/(m2d).关键词：人工湿地；水力负荷；湿地植物；脱氮除磷；污染物去除量中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)11-1815-06Influenceofdifferentplantsandhydraulicloadingonthenitrogenandphosphorusremovalofconstructedwetlands.LINGZhen,YANGJu-rui*,YUGuo-rong,CHENGHao-liang,LIJun-ning(FacultyofElectricalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(11)：1815~1820Abstract：Throughtheuseofsixkindsofsurfaceflow(SF)andsubsurfaceflow(SSF)constructedwetlandplantsincomparativeexperiments,thevariationofhydraulicloading(HL)forthedifferentplantconstructedwetlandoftreatmentratewasanalyzed,andtheoptimalHLandremovalrateofthe6differentplantsinSFandSSFconstructedwetlandweregot.TheoreticaloptimalHL,removalrate,theactualoptimalHLandTP,TNremovalinunitareaofconstructedwetlandwerecalculated.TheresultsshowthatTP,TNremovalefficiencyoftheSFandSSFconstructedwetlandswith6plantsincreasedwiththedecreaseofHL,differentplants,differentlevelsoftreatment.AndtheremovalrateofSFconstructedwetlandwerelowerthanSSF.TheTP,TNremovalrateofSFwaslowerthanSSFandTPremovalratewashigherthanTN.InSF,theTP,TNremovalrateofScripusValidusreducinglevelwasdecreasedmaximumandtheTPremovalofOenanthejavanicareducinglevelwasdecreasedminimum,theTNremovalrateofCannaChinenesisWwasdecreasedminimum.InSSF,theTPremovalrateofCannaChinenesisWreducinglevelwasmaximum,OenanthejavanicareducinglevelwasminimumandtheTNremovalrateofPhragmitesAustraliswasmaximum,andEichhorniacrassipeswasminimum.Meanwhile,theaverageoptimalHLforTPremovalofSFandSSFconstructedwetlandwiththe6kindsofplantswere0.53,0.68t/(m2d),respectively.TheaverageoptimalHLforTNrcmovalofSFandSSFconstructedwetlandwith6kindsofplantswere0.47,0.44t/(m2d),respectively.Keywords：wetlands；optimalhydraulicloading；hygrophytes；phosphorusandnitrogenremoval；pollutantremoval人工湿地污水处理系统是在自然或半自然净化系统的基础上发展起来的污水处理技术[1],具有造价低、运行费用低和处理效果良好等优点[2-4],在脱氮、除磷方面的应用逐步受到重视.研究发现,影响人工湿地氮磷去除效果的因素,有湿地基质、植物种类、微生物、水力负荷、污水负荷、停留时间、处理工艺、填料及布水方式等[5-9].水力负荷(HL)对人工湿地去除污染物效果会产生一定影响,目前国内外相关研究以单种植物、单一类型湿地为主,综合考虑不同植物、不同类型湿地的对比性研究还较少.本文采用野外小区试验,通过改变6种植物紫叶美人蕉、水葱、水葫芦、水芹菜、菖蒲、芦苇的表流(SF)和潜流(SSF)人工湿地的进水流量,收稿日期：2011-02-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(50769001);云南省自然科学基金(2008ZC017M);云南省中青年后备人才基金(2005PY01-34)*责任作者,教授,[e-mail]1816中国环境科学31卷对比分析6种不同植物的SF和SSF人工湿地污染物处理率随HL变化的规律,得到了不同植物的SF和SSF人工湿地的最优去除率、最优HL,优化了各种人工湿地的水力条件.1材料与方法1.1实验设计人工湿地实验场布设在昆明理工大学呈贡校区,位于入滇主要河流洛龙河河口附近.由于洛龙河水质在实验期内变化较大,采用人工配置模拟污水方式供水.实验场有表流式人工湿地(SF)和潜流式人工湿地(SSF).SF人工湿地设计7个小区,分别种植紫叶美人蕉(CannaChinenesisW)、水葱(ScripusValidus)、水葫芦(Eichhorniacrassipes)、水芹菜(Oenanthejavanica)、菖蒲(AcoruscalamusLinn)、芦苇(PhragmitesAustralis),另一个作为对比实验的空白小区.每个小区尺寸为10m×2.0m×0.50m,原土回填0.25m,面积20m2,水深0.15m.SSF人工湿地实验设计与SF人工湿地一样.SSF人工湿地分为前后两部分,前端设1.0m×2.0m的进水池,湿地分5m×2.0m两块;湿地底部铺设25cm厚的2cm砂砾石,上回填原土35cm.水力坡度取2%.选取当地的土壤和砾石作为实验田基质,见图1.潜流空白潜流芦苇潜流水葱潜流水葫芦0.25m75入流潜流菖蒲6m潜流马蹄莲水深0.2m0.7m潜流水芹菜0.2m0.2%5m蓄水池蓄水池水泵房0.7m0.2m0.7m10m表流美人焦表流水葱表流水葫芦表流菖蒲表流芦苇表流水芹菜表流空白0.05%进水沟进水沟0.7m图1人工湿地设计Fig.1Thedesignofartificialwetlands1.2实验方法该人工湿地于2009年2月20日正式建成,并配备了潜水泵、水量计量表、天平、温度计等实验仪器.2月21~3月1日完成了填料铺设,3月20日从呈贡斗南花市购回6种植物的幼苗并完成栽种.幼苗美人蕉株高25cm、水葱高58cm、水葫芦高9cm、水葫芦高25cm、菖蒲高90cm、芦苇高40cm.湿地系统经过植物栽培及启动,植物生长态势良好.实验期间为2010年5月16日~6月23日,分别在5月16~19日,26~29日,6月4~7日,14~17日进行测定,测定项目有:(1)进水浓度:试验采用连续运行方式,连续进水3d,实验污水TP、TN浓度分别为4.15,35.69mg/L.(2)水质指标:测定人工湿地进出水TP、TN、pH值、温度.TP采用过硫酸钾消解—分光光度法测定.TN采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定[10].(3)水力负荷:根据理论计算公式HRT=V/(HL·S).HRT为水力停留时间,V为进水水量,S为停留面积,HL为水力负荷.由于每次测定所用时间较长,水样较多,因此每次测定取水样两份,一份为备用样品.表1实验安排Table1Experimentalplan进水浓度(mg/L)时间TPTNHL[t/(m2d)]5月16~19日4.1535.690.065月26~29日4.1535.690.096月4~7日4.1535.690.126月14~17日4.1535.690.182结果与分析2.16种不同植物SF和SSF人工湿地TP去除率随HL改变的对比实验结果与分析通过观测,SF和SSF人工湿地中除水芹菜由于季节、温度等因素,出现了枯萎现象,叶片有部分干枯,植株密度有所下降,其他植物良好.由表2可看出,6种植物的SF和SSF人工湿地对TP去除作用明显,整体上SSF的人工湿地11期凌祯等：不同植物与水力负荷对人工湿地脱氮除磷的影响1817TP去除率高于SF湿地,且随着HL的增加,去除率均有所降低,这与王世和等[11]的研究成果一致.当HL0.09t/(m2d)时,SF人工湿地TP去除率平均为81.45%,SSF平均为87.48%.当HL0.09t/(m2d),人工湿地去除率降低较为明显,SF和SSF人工湿地分别下降1.96%和1.25%.人工湿地对磷的去除包括化学和物理吸附、物理过滤、沉积物形成、微生物同化和植物吸收等[12],其中植物根际微环境以及植物与微生物的耦合作用可能是人工湿地除磷的主要途径之一[13],依靠填料的吸附作用,在填料的吸附逐渐接近饱和时,对磷的去除效果就会逐渐降低[14].表2不同种类人工湿地TP的去除率(%)Table2Wetlandplantsinavarietyofchangesintheconcentrationoftotalphosphorusremovalrate(%)紫叶美人蕉水葱水葫芦HL[t/(m2d)]SSFSFSSFSFSSFSF0.0687.3780.0388.0983.5690.6187.220.0987.3580.0288.0583.4090.5787.160.1286.7879.3787.8282.7090.1986.420.1885.7278.1787.0281.0889.5085.28均值86.8179.4087.7582.6890.2286.52水芹菜菖蒲芦苇HL[t/(m2d)]SSFSFSSFSFSSFSF0.0684.3478.0287.9180.7286.7379.420.0984.3277.9887.8080.6186.6779.340.1284.1077.7587.2880.0786.4178.780.1883.3576.6286.