复合人工湿地运行2a净化水禽污水效果

第27卷第12期农业工程学报Vol.27No.122342011年12月TransactionsoftheCSAEDec.2011复合人工湿地运行2a净化水禽污水效果崔丽娟，李伟，张曼胤，赵欣胜，张岩，王义飞（中国林业科学研究院湿地研究所，北京，100091）摘要：通过构建表流与潜流湿地相结合的复合人工湿地来处理水禽污染的富营养化水体，研究了运行2年的复合人工湿地对化学需氧量（CODcr）、总悬浮物（TSS）、全氮（TN）和全磷（TP）的去除作用。研究表明，复合人工湿地对CODcr、TSS、TN和TP的2年平均去除率分别为42.64%、72.64%、31.69%和52.67%；对污染物CODcr、TSS、TN、TP的去除效果随复合人工湿地运行时间变化而有所差异。在表流湿地中，夏季对CODcr的平均去除率要优于秋季，秋季潜流湿地和复合人工湿地对CODcr的平均去除率优于夏季。在对TSS的平均去除率，表流湿地、潜流湿地和复合人工湿地都表现为秋季优于夏季。表流湿地对TN的平均去除率表现为夏季显著优于秋季。在对TP的平均去除率中，表流湿地和复合人工湿地都表现为秋季优于夏季，而潜流湿地对TP的去除效果表现为秋季低于夏季。通过对进出水中的TP、TN、TSS和CODcr进行回归分析发现，除复合人工湿地和表流湿地区TSS的进水质量浓度与出水质量浓度无明显相关性外，其他复合人工湿地不同构建类型进出水的CODcr、TN、TP质量浓度均存在显著线性相关关系。该研究可为我国北方地区应用复合人工湿地处理富营养化水体提供理论依据。关键词：湿地，污水，化学需氧量，氮，磷，复合人工湿地，表流湿地，潜流湿地doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.044中图分类号：X524文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-12-0234-07崔丽娟，李伟，张曼胤，等.复合人工湿地运行2a净化水禽污水效果[J].农业工程学报，2011，27(12)：234－240.CuiLijuan,LiWei,ZhangManyin,etal.Effectsofwaterfowlsewagetreatmentbyintegratedartificialwetlandrunningfor2years[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(12):234－240.(inChinesewithEnglishabstract)0引言人工湿地是人工建造和控制运行的湿地类型，由基质（多为碎石）和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲等）组成，是一种独特的植物-水-土壤-微生物湿地生态系统[1-2]。它根据自然湿地生态系统中物理、化学、生化反应的协同作用来处理污染物。一般设计参数包括：水流负荷、渗滤基质、滞水深度和时间、水体流动的调控指标、植物配置类型及管理模式等[3-5]。根据人工湿地中不同的水流方式分为表流湿地和潜流湿地。不同人工湿地类型在净化污水时的能力大小不同，为了充分发挥各湿地类型的特征，人们在应用中可根据现有地形地势、污染物类型及水体受污染浓度，单独使用某一种人工湿地类型或组合使用[6-10]。表流湿地是污水在人工湿地的土壤等基质表层流动，依靠植物根茎的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用，使污水得以净化的人工湿地形式。表流湿地一般水力负荷较小，冬季受温度下降和湿地植物枯萎的影响，净化功能会随之降低[6-7]。潜流湿地是污水在人工湿地的土壤表层以下流动，主要依靠基质的过滤及表面生物膜的吸附、降解作用，使污水得收稿日期：2010-11-22修订日期：2011-08-09基金项目：北京市科技计划重大项目“北京市湿地生态系统保护与恢复关键技术研究和示范”（D08040600580000）；国家十一五科技支撑计划项目“湿地生态系统保护与恢复技术试验示范”（2006BAD03A19）作者简介：崔丽娟（1968－），女，吉林白城人，研究员，主要从事湿地生态研究。北京中国林业科学研究院湿地研究所，100091。Email:[e-mail]以净化的人工湿地形式[8-9]。潜流湿地的污染水体在湿地基质的表面下流动，一方面可以充分利用基质表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层基质截留等作用，提高处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响较小[8-9,11]。本试验在北京市野生动物救护中心建立复合人工湿地处理系统，目的是为了改善并维持救护中心人工湖湖水水质。通过研究表流湿地与潜流湿地共建的复合人工湿地对富营养化的水体的净化效果，为中国北方地区大规模应用复合人工湿地处理富营养化水体提供理论依据。1材料与方法1.1复合人工湿地构建研究区位于北京市顺义区的北京市野生动物救护中心，该中心建设各类建筑物总面积共计4359m2，各种野生动物笼网面积2563m2以及其他配套设施。此外，该中心还建设有提供野生水禽栖息、嬉戏的人工湖约1hm2，人工湖湖水主要来源于地下水，除雨水外，无流动的新鲜水源补充，水循环和水交换能力较差，加上水禽的活动及粪便的排入使得湖水富营养化严重。平均进水水质为总磷（totalphosphorus，TP）：0.10～1.98mg/L；总氮（totalnitrogen，TN）：4.71～80.26mg/L；总悬浮物（totalsuspendedsolids，TSS）：31.40～559.90NTU；化学需氧量（chemicaloxygendemand，CODcr）：22.61～147.50mg/L，平均水力停留时间为24h。第12期崔丽娟等：复合人工湿地运行2a净化水禽污水效果235复合人工湿地由表流湿地和潜流湿地组合构成，共分为11部分（A-K）；前9部分（A-I）为表流湿地，第10部分（J）为潜流湿地，最后一部分（K）保持开敞水面（图1）。设计的复合人工湿地为表流湿地与潜流湿地单元串联建设而成。在整个复合人工湿地中，无任何动力提升设备，完全依靠水体的自身重力自然流动。表流湿地系统由9个小单元串联组成，采用铺设土工膜防渗隔离，平均构造深度0.45m；潜流湿地系统由一个面积300m2，构造深度0.7m的复合人工湿地构成。具体配置见表1。注：A为东方香蒲段，B为凤眼莲段，C为菖蒲段，D为慈姑+藨草段，E为针蔺段，F为荇菜段，G为水芹段，H为大薸段，I为茭白+黑三棱段，J泽泻+千屈菜段，K为开敞水面。图1复合人工湿地系统组成示意图Fig.1Integratedconstructedwetlandsystemdiagram表1复合人工湿地基质及湿地植物配置表Table1Configurationofmatrixandwetlandplantsonintegratedconstructedwetland构建类型段落长度/m基质水深/m水生植物A60砾石5cm＋壤土5cm＋砂土50cm0.45东方香蒲（Typhaorientalis）B40砾石10cm＋砂土50cm0.85凤眼莲（Eichhorniacrassipes）C40砾石5cm＋壤土5cm＋砂土50cm0.35菖蒲（Acoruscalamus）D40壤土5cm＋砾石5cm＋砂土50cm0.2慈姑+藨草（Sagittariatrifolia+Scirpustriqueter）E20砂土50cm0.15针蔺（Eleocharisvalieculosa）F25砾石10cm＋砂土50cm0.8荇菜（Nymphoidespeltatum）G20壤土5cm＋砾石5cm＋砂土50cm0.2水芹（Oenanthejavanica）H30砾石10cm＋砂土50cm0.55大薸（Pistiastratiotes）表流湿地I28砾石5cm＋壤土5cm＋砂土50cm0.35茭白+黑三棱（Zizanialatifolia）+（Sparganiumstoloniferum）潜流湿地J70砾石60cm＋砾石30cm-0.05泽泻+千屈菜（Alismaplantago-aquatica）+（Lythrumsalicaria）开敞水面K25—0.25无注：潜流湿地每平方米竖立1根PVC管，长100cm，直径10cm；表流湿地地面坡度设计为1%，潜流湿地底面坡度4%。1.2测试方法复合人工湿地建成并经过1个月的试运行之后，出水数据基本趋于稳定。从2008年7月开始监测复合人工湿地中表流湿地进、出水处与潜流湿地进、出水处水质的变化，至2009年10月。在2008年的冬季对水葫芦和大薸进行打捞，其他植物保持不变；并于2009年5月，按照相同密度在B段和I配置水葫芦和大薸。进行水样采集与测试，每个断面中设3个重复。其中，水温和pH值采用YSI-6820型多参数水质监测仪现场测定。TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定。CODcr的测定采用重铬酸钾法测定；TSS采用重量法测定[12]。TSS的测试由于测试仪器的原因，未测定2009年数据。1.3数据处理与分析CODcr、TSS、TN和TP去除率（R）的计算公式如下[4,7]00100iRCCC=−×（）式中，Ci为第i次CODcr、TSS、TN和TP质量浓度，mg/L；C0为初始质量浓度，mg/L。采用SPSS18.0统计分析软件分别对TP、TN、TSS和CODcr等指标因子进行单因子方差分析（One-WayANOVA），并对CODcr、TSS、TN和TP的进出水质量浓度进行回归分析。2结果与分析2.1复合人工湿地对水禽污水的净化效果从复合人工湿地对污染物的2年去除效果来看，CODcr、TSS、TN和TP的平均去除率分别为(42.64±25.45)%、(72.64±18.57)%、(31.69±22.61)%和(52.67±21.00)%（表2）。复合人工湿地对污染物CODcr、TSS、TN、TP的去除效果随复合人工湿地运行时间变化而有所差异。其中，运行1年与2年复合人工湿地的TP的去除效果相似，CODcr第一年的平均去除率优于第二年的去除效果，但是差异是不显著的（p0.05），而TN第一年的平均去除率低于第二年的去除效果，差异显著的（p0.05）。CODcr是反映水体中还原物质污染程度的综合性指标，常用来指示水体中有机物的质量分数[13]。污水中CODcr的去除是在微生物对有机物的分解、矿化和植物吸附、吸收共同作用而得以实现的[13-15]。表流湿地与潜流湿地运行第一年的CODcr平均去除率要优于第二年的净化效果，但是差异是不显著的（p0.05）（表2）。表流湿地和潜流湿地对CODcr的去除率随时间变化有较大波动，其中表流湿地CODcr去除率最小值为1.70%，最大值为83.47%，2008年随着时间的变化，去除率出现增加-减少-增加-减少-增加-减少的不规律变化趋势，2009年变化相对较少；潜流湿地去除率最小值为0.82%，最大值为农业工程学报2011年23679.10%，呈现不规律时间变化；复合人工湿地对CODcr的去除率最高值为95.95%，最低值为6.25%（图2a）。表2复合人工湿地对CODcr和TSS、TN、TP的去除率对比Table2ComparationofremovaleffectsofCODcr,TSS,TNandTPbyintegratedconstructedwetland%运行时间类型CODcrTSSTNTP表流33.09±33.76a62.64±18.84a9.93±9.75a36.54±26.73a潜流29.97±25.27a31.47±18.42a13.11±23.04a27.48±25.56a第一年复合人工湿地52.56±27.54a72.64±18.57a21.94±22.63a53.739±25.48a表流15.37±8.20a－23.10±21.73a33.42±15.23a潜流17.15±16.78a－27.04±12.79a25.97±18.09a第二年复合人工湿地29.89±16.44a－44.22±16.40b5