垂直流人工湿地出水口位置与植物种类对农村生活污水净化效果的影响刘芬芬

中国生态农业学报2011年7月第19卷第4期ChineseJournalofEco-Agriculture,Jul.2011,19(4):912−917*中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-YW-440)和国家科技支撑计划项目(2006BAJ10B06)资助**通讯作者:王德建(1957~),男,研究员,博导,主要从事农业面源污染与农村环境整治方面的研究。E-mail:[e-mail]刘芬芬(1984~),女,硕士研究生,主要从事农村生活污水处理方面的研究。E-mail:[e-mail]收稿日期:2010-10-27接受日期:2011-03-03DOI:10.3724/SP.J.1011.2011.00912垂直流人工湿地出水口位置与植物种类对农村生活污水净化效果的影响*刘芬芬1,2王德建1**(1.中国科学院南京土壤研究所南京210008;2.中国科学院研究生院北京100049)摘要利用3种栽种植物的美人蕉(CannaindicaLinn)湿地(M)、狼尾草[Pennisetumalopecuroides(Linn.)Spreng]湿地(L)、苏丹草[Sorghumsudanense(Piper)Stapf]湿地(S)和未栽种植物的对照湿地(CK),研究高、中、低出水口及不同植物对垂直流人工湿地污水净化效果的影响。垂直流人工湿地进水来自常熟农业生态试验站生活污水厌氧池,以间歇式进水方式运行,进水水力负荷为0.15m3·m−2·d−1。结果表明:不同出水口位置对NH4+-N(铵态氮)、NO3−-N(硝态氮)、COD(化学需氧量)的去除率存在显著性差异。随着出水口位置的降低NH4+-N的去除率显著增加,最大去除率达到98.3%。出水口位置升高NO3−-N与COD的去除率则显著增加,高出水口的去除率分别达到−47.4%和64.5%。与中、低出水口处理相比,高出水口的TN(总氮)去除率提高22.5%~27.6%。而对TP(总磷)的去除率恰恰相反,高出水口处理TP去除率比中、低出水口低20.6%~28.9%。3种有植物湿地—美人蕉湿地、狼尾草湿地、苏丹草湿地对NO3−-N、TN、TP、COD去除率显著高于未栽种植物的对照湿地,分别提高74.4%~98.6%、11.3%~17.8%、8.60%~16.3%与14.1%~19.0%。3种植物湿地之间对NO3−-N、TN、TP、COD去除效果没有显著差异。对NH4+-N的去除效果,美人蕉湿地显著低于其他3种湿地。以上结果表明,通过对垂直流人工湿地的出水口位置控制和栽种湿地植物,可以有效地改变污染物的去除效果。关键词垂直流人工湿地出水口位置植物种类生活污水污染物去除率中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1671-3990(2011)04-0912-06EffectsofoutletpositionsandplantspeciesonruraldomesticsewagepurificationinengineeredverticalflowwetlandLIUFen-Fen1,2,WANGDe-Jian1(1.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)AbstractInthisstudy,fourdifferenttypesofengineeredverticalflowconstructedwetland(VF-CW)—CannaindicaLinnwet-land(M),Pennisetumalopecuroides(Linn.)Sprengwetland(L),Sorghumsudanense(Piper)Stapfwetland(S)andcontrolwetlandwithoutplant(CK)—wereusedtodeterminetheeffectsofoutletpositions(high,middleandlowposition)andplantspeciesonpollutantremovalefficiencyinruraldomesticsewages.DomesticsewagesfromanaerobictanksintheChangshuAgro-ecologicalExperimentalStationwereintermittentlyusedtoirrigateVF-CWathydraulicloadingrateof0.15m3·m−2·d−1.ResultsshowedthattheoutletpositionsignificantlydeterminedtheremovalefficiencyofNH4+-N,NO3−-NandCOD(chemicaloxygendemand)inruraldomesticsewages.TheremovalrateofNH4+-Nsignificantlyincreasedwithloweringoftheoutletposition.ThemaximumremovalrateofNH4+-Nwas98.3%.However,theremovalrateofNO3−-NandCODsignificantlydecreasedwithloweringoftheoutletposi-tion.TheremovalratesofNO3−-NandCODofthehighestoutletwere−47.4%and64.5%,respectively.Theremovalrateoftotalnitrogen(TN)ofthehighoutletincreasedby22.5%~27.6%comparedwiththatofthemiddleandlowoutlets.Onthecontrary,theremovalefficiencyoftotalphosphorus(TP)ofthehighoutletwas20.6%~28.9%lowerthanthatofmiddleandlowoutlets.Com-paredwiththecontroltreatment(CK),theremovalratesofNO3−-N,TN,TPandCODinVF-CWwithC.indica,P.alopecuroidesandS.sudanensesignificantlyincreasedby74.4%~98.6%,11.3%~17.8%,8.60%~16.3%and14.1%~19.0%,respectively.However,第4期刘芬芬等:垂直流人工湿地出水口位置与植物种类对农村生活污水净化效果的影响913nosignificantdifferenceswerenotedamongVF-CWswiththreeplantspeciesregardingtheremovalofNO3−-N,TN,TPandCOD.IntermoftheremovalrateofNH4+-N,C.indicawetlandperformedsignificantlylessthantheotherplantspeciesVF-CWs.TheseresultssuggestedthatpollutantremovalefficiencyimprovedbycontrollingoutletpositionandgrowingplantsinVF-CWsystems.KeywordsEngineeredverticalflowwetland,Outletposition,Plantspecies,Domesticsewage,Pollutantremovalefficiency(ReceivedOct.27,2010;acceptedMar.3,2011)人工湿地在污水处理、污染物控制和改善环境方面已经得到各国的普遍重视和应用[1]。与传统的污水处理工艺相比,人工湿地具有基建与运行费用低、易操作、好管理、生态环境效应显著、处理效果好等优点,使得人工湿地在发展中国家有很强的运用潜力,特别是在管网收集系统不发达的中小城镇和乡村地区[2]。垂直流人工湿地作为人工湿地的类型之一,因其充分利用了湿地的空间,发挥了系统间的协同作用,使污水处理能力得到大幅度提高,且水力负荷更高、硝化能力更强、床体利用更有效,因而在污水处理中已经得到了广泛应用[3]。垂直流人工湿地属于工程设计系统,通过植物、基质以及微生物菌落的协同作用以达到处理废水的目的,但人工湿地在发挥这些作用的过程中,更受人为控制[4]。在应用中,垂直流人工湿地构型、基质类型等筛选完成后,氧环境的影响将会变得明显,通过对出水口位置的优化及植物的筛选能极大地促进污水净化效果的提高。因为不同出水口位置及植物吸收、输氧作用影响到人工湿地内部污染物的运移和氧环境,而氧环境又是微生物活动以及有机物降解和营养盐转化的重要影响因素,直接关系着污水净化效果[5]。因此,研究出水口位置及植物类型对人工湿地氧环境的影响和净化效果具有实践指导意义,但目前对这方面的研究还比较少。鉴于此,以分别栽种美人蕉(CannaindicaLinn)、狼尾草[Pennisetumalopecuroides(Linn.)Spreng]、苏丹草[Sorghumsudanense(Piper)Stapf]的3种植物型垂直流湿地和无植物的对照垂直流湿地(CK)为研究系统,在一定范围内研究不同出水口位置及植物类型对垂直流人工湿地氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3−-N)、全氮(TN)、全磷(TP)和化学耗氧量(COD)净化效果的影响,为深入研究湿地的净化机理和湿地的优化设计提供理论参考。1材料与方法1.1试验装置该垂直流人工湿地建在中国科学院常熟农业生态试验站内,用于处理试验站内工作人员的生活污水。试验设置4个处理,分别为无植物的对照湿地和栽种美人蕉、狼尾草、苏丹草的湿地(分别用CK、M、L、S表示),每个处理3个重复,随机排列。根据该系统较低的污水负荷,设计每块湿地的长×宽×深为1.5m×1.0m×0.6m,填料深为50cm,从下往上依次为:砾石(0~20cm、细砂(20~25cm)、沸石+石灰石填料(25~40cm)和土壤(40~50cm),较浅的基质填料层可以有效防止由于水力停留时间过长形成死水及基质填料吸附的污染物再次溶解释放。目前人工湿地常用的基质一般为土壤、河砂和砾石,这类基质净化效率低,容易吸附饱和,且除磷脱氮的能力不高,致使出水中氮、磷浓度较高[6]。本文选择具有脱氮、脱磷活性较高的沸石+石灰石作为基质填料,期望通过较优的组合,达到理想的污水处理效果。试验装置构建于2009年3月,于5月开始运行,采用全天间歇式进水,实际流入湿地的平均水量约为3m3·d−1,水力负荷为0.15m3·m−2·d−1。布水管比基质层面高15cm,呈“丰”字型布设。试验装置如图1所示。图1试验用垂直流人工湿地示意图Fig.1Schematicdiagramofverticalflow-constructedwetland(VF-CW)914中国生态农业学报2011第19卷1.2试验方法试验设A、B、C3个出水口高度(图1),于2010年7月至8月,以20d为1个周期,每3d采1次水样。第1周期采出水口A水样:出水口A位于湿地上部,在运行过程中,关闭B、C出水口,在A出水口采样;整个基质层为饱和水层。第2周期采出水口B水样:出水口位于湿地中部,在运行过程中,关闭A、C出水口,在B出水口采样;基质层上层0.25m为不饱和水层,下层0.25m为饱和水层。第3周期采出水口C水样:出水口位于湿地底部,在运行过程中,关闭A、B出水口,在C出水口采样;污水从湿地的顶部