表流型人工濕地工程對(duì)微污染水源地水質(zhì)改善的比較研究
導(dǎo)讀:：應(yīng)用于微污染水源地的人工濕地凈化技術(shù)。通過(guò)對(duì)河流型水源地主要污染物CODMn和NH3-N為分析指標(biāo)。為提高冬季濕地凈化效果。
關(guān)鍵詞：微污染，水源地，生態(tài)濕地，凈化效果
目前，以生態(tài)凈化措施為主，輔助其它生物物理凈化措施的技術(shù)正被廣泛應(yīng)用在微污染原水凈化領(lǐng)域。常用的生態(tài)凈化技術(shù)主要有人工濕地、生態(tài)草人工介質(zhì)、生態(tài)浮床、浮島等，其中生態(tài)草人工介質(zhì)、生態(tài)浮床及浮島等技術(shù)主要應(yīng)用于中小型水處理工程[1,2]。人工濕地是一種結(jié)合濕地植物、土壤和微生物作用來(lái)處理受污染水體的生態(tài)技術(shù)，由于在大型水處理工程中的優(yōu)勢(shì)，作為主要處理技術(shù)在微污染原水處理工程領(lǐng)域日益受到重視。
1應(yīng)用于微污染水源地的人工濕地凈化技術(shù)
應(yīng)用于微污染原水處理的成熟可靠的人工濕地主要有潛流型人工濕地和表流型人工濕地技術(shù)。潛流型人工濕地具有水平流、垂直流和復(fù)合流等多種形式，根據(jù)文獻(xiàn)[3~5]其具有凈化效率高、衛(wèi)生條件好的優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)應(yīng)用中存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)進(jìn)水懸浮物濃度要求高、易堵塞、運(yùn)行管理復(fù)雜、造價(jià)高及維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，尤其是堵塞問(wèn)題，雖然對(duì)其研究較多[6]，但還未有成熟的適合于生產(chǎn)應(yīng)用中的解決辦法。
表流型人工濕地是近自然濕地，由于其對(duì)進(jìn)水懸浮物濃度要求不高，不易堵塞，便于管理，造價(jià)低等特點(diǎn)，適合于生產(chǎn)應(yīng)用。常規(guī)型表流人工濕地由壕溝和挺水植物床濕地構(gòu)成，其氧化-還原的交替環(huán)境為微生物降解創(chuàng)造條件。水和污染物通過(guò)濕地時(shí)和土壤、植物根及根區(qū)微生物發(fā)生作用，產(chǎn)生截留作用。
為提高冬季濕地凈化效果，在常規(guī)型表流人工濕地的基礎(chǔ)上結(jié)合四季常綠型沉水植物提出了復(fù)合型表流人工濕地技術(shù)，其主要是通過(guò)挺水植物和四季常綠型沉水植物床構(gòu)成，水通過(guò)植物間隙推流流動(dòng)。植物間隙為生物膜的構(gòu)成創(chuàng)造條件。水和污染物通過(guò)時(shí)和土壤、植物間的生物膜、沉水植物發(fā)生作用，產(chǎn)生截留、吸附、吸收作用站。
2表流型人工濕地工程對(duì)微污染水源地水質(zhì)改善效果的比較研究
表流型人工濕地對(duì)水源地水質(zhì)改善效果的研究文獻(xiàn)報(bào)道較多[7~9]，但在工程應(yīng)用上的效果研究不多。本次比較研究，選取水網(wǎng)地區(qū)、氣候相近的長(zhǎng)江下游流域A市以常規(guī)型表流人工濕地為主要技術(shù)新建的飲用水源地工程和B市以復(fù)合型表流人工濕地為主要技術(shù)新建的飲用水源地工程為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)河流型水源地主要污染物CODMn和NH3-N為分析指標(biāo)，比較研究?jī)煞N技術(shù)應(yīng)用于工程上的實(shí)施效果。
2.1工程概況
A市新建的飲用水源地工程包括預(yù)處理區(qū)、常規(guī)型表流人工濕地凈化區(qū)、深度凈化區(qū)，其中常規(guī)型表流人工濕地設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為0.23m/d，規(guī)模為25萬(wàn)m3/d，運(yùn)行期間系統(tǒng)為連續(xù)進(jìn)出水，濕地植物以挺水植物-蘆葦為主，工程于2008年9月至2009年5月進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，每月監(jiān)測(cè)10期，共計(jì)監(jiān)測(cè)50期，期間2008年11月對(duì)濕地區(qū)蘆葦進(jìn)行了收割。
B市新建的飲用水源地工程包括預(yù)處理區(qū)、復(fù)合型表流人工濕地凈化區(qū)、深度凈化區(qū)環(huán)境保護(hù)，其中復(fù)合型表流人工濕地設(shè)計(jì)水力負(fù)荷0.64m/d，規(guī)模為30萬(wàn)m3/d，運(yùn)行期間系統(tǒng)為連續(xù)進(jìn)、出水，濕地植物以挺水植物-香蒲和四季常綠型沉水植物-苦草與輪葉黑藻為主。工程于2010年8月至2011年1月進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，每月監(jiān)測(cè)8期，共計(jì)監(jiān)測(cè)48期，期間2010年11月份對(duì)濕地區(qū)香蒲進(jìn)行了收割。
兩處工程均為飲用水源地工程，出水水質(zhì)目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中III類標(biāo)準(zhǔn)。
2.2對(duì)CODMn凈化效果比較分析
兩處工程的進(jìn)水均來(lái)自自然河道，監(jiān)測(cè)期工程進(jìn)出水CODMn平均濃度及去除率如表1，監(jiān)測(cè)期月均進(jìn)出水CODMn平均濃度及去除率如圖1和圖2。
表1 濕地進(jìn)出水CODMn濃度分析
Tab1 the Influent and Effluent CODMn ofthe constructedwetlands
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名稱 |
水力負(fù)荷 |
進(jìn)水濃度(mg/L) |
出水濃度(mg/L) |
去除率 |
|
常規(guī)型表流濕地 |
0.23m/d |
6.37±0.68 （4.64~8.16）1） |
5.61±0.70 （4.16~7.84） |
12%±7% （2%~28%） |
|
復(fù)合型表流濕地 |
0.64m/d |
5.65±0.49 （4.80~6.80） |
4.82±0.42 （4.00~5.72） |
14%±7% （2%~32%） |
注：1)表中顯示值為平均值±方差，括號(hào)內(nèi)為范圍。
從表1可以看出，常規(guī)型表流人工濕地工程在水力負(fù)荷0.23m/d條件下運(yùn)行對(duì)CODMn的平均去除率為12%;復(fù)合型表流人工濕地工程在水力負(fù)荷0.64m/d條件下運(yùn)行對(duì)CODMn的平均去除率為14%。兩工程對(duì)CODMn的平均去除率相當(dāng)，基本在10%左右，說(shuō)明兩種型式的表流人工濕地對(duì)河道水源中CODMn的去除率不高。
圖1 常規(guī)型表流濕地對(duì)CODMn去除效果
Fig1 CODMnremoval by the normal surface-flow constructed wetland
從圖1可以看出，監(jiān)測(cè)期常規(guī)型表流人工濕地工程月均對(duì)CODMn的去除率在1月份達(dá)到峰值，而11月份濕地中的挺水植物已經(jīng)被收割，1月份時(shí)濕地中已沒(méi)有蘆葦?shù)韧λ参，說(shuō)明常規(guī)型表流濕地去除CODMn的主要?jiǎng)恿Σ皇撬参铩?/p>
圖2 復(fù)合型表流濕地對(duì)CODMn去除率分析
Fig2 CODMn removal by thecompound surface-flowconstructed wetland
從圖2可以看出，監(jiān)測(cè)期復(fù)合型表流人工濕地工程月均對(duì)CODMn的去除效果的差異不顯著，去除率在15%左右，雖然11月份挺水植物已經(jīng)收割，并且植物的生物量出現(xiàn)明顯降低環(huán)境保護(hù)，但CODMn的去除效果在短期震蕩后并未出現(xiàn)明顯下降。說(shuō)明水生植物并不是濕地中CODMn去除的主要?jiǎng)右颉?/p>
比較圖1和圖2，雖然兩工程進(jìn)水水質(zhì)不一樣，但對(duì)CODMn的去除效果均不高，并且根據(jù)月均CODMn去除率分析，濕地內(nèi)植物不是去除CODMn的主要?jiǎng)右，這與童昌華[10]的研究結(jié)論基本一致。
2.2對(duì)NH3-N凈化效果比較分析
兩處工程監(jiān)測(cè)期濕地進(jìn)水NH3-N濃度差異較大，進(jìn)出水NH3-N平均濃度及去除率如表2，監(jiān)測(cè)期月均進(jìn)出水NH3-N平均濃度及去除率如圖3和圖4。
表2 濕地進(jìn)出水NH3-N濃度分析
Tab2 the Influent and Effluent NH3-N of the constructed wetlands
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名稱 |
水力負(fù)荷 |
進(jìn)水平均濃度(mg/L) |
出水平均濃度(mg/L) |
平均去除率 |
|
常規(guī)型表流濕地 |
0.23m/d |
1.56±0.91 （0.46~4.34） |
1.16±0.85 （0.19~3.83） |
28%±20% （1%~92%） |
|
復(fù)合型表流濕地 |
0.64m/d |
0.84±0.57 （0.12~2.48） |
0.20±0.12 （0.05~0.39） |
69%±21% （19%~95%） |
從表2可以看出，常規(guī)型表流人工濕地工程在水力負(fù)荷0.23m/d條件下運(yùn)行對(duì)NH3-N的平均去除率為28%，復(fù)合型表流人工濕地工程在水力負(fù)荷0.64m/d條件下運(yùn)行對(duì)NH3-N的平均去除率為69%，水生植物可能是去除NH3-N的主要?jiǎng)右蛑唬Ｒ?guī)型表流濕地中水生植物主要為挺水植物，復(fù)合型表流濕地中水生植物除挺水植物外還配置有沉水植物，后者中水生植物與水體接觸的表面積高于前者。
圖3 常規(guī)型表流濕地對(duì)NH3-N去除率分析
Fig1 NH3-N removal by the normalsurface-flowconstructed wetland
從圖3可以看出，監(jiān)測(cè)期常規(guī)型表流人工濕地工程對(duì)NH3-N的去除率在3月份出現(xiàn)谷值，2008年9月至2009年3月逐步降低，3月份后升高。對(duì)NH3-N的去除率與濕地內(nèi)水生植物的生物量基本呈現(xiàn)正相關(guān)變化，11月份蘆葦?shù)韧λ参锸崭詈，濕地?nèi)水生植物的生物量呈現(xiàn)逐月降低，3月份蘆葦?shù)韧λ参镩_(kāi)始萌發(fā)，生物量開(kāi)始增加。說(shuō)明水生植物是影響濕地對(duì)NH3-N去除的主要?jiǎng)右蛑弧?/p>
圖4 復(fù)合型表流濕地對(duì)NH3-N去除率分析
Fig4 NH3-N removal by thecompound surface-flowconstructed wetland
從圖4可以看出，監(jiān)測(cè)期復(fù)合型表流人工濕地工程對(duì)NH3-N的去除效果基本平穩(wěn)環(huán)境保護(hù)，雖然11月份由于挺水植物的收割而出現(xiàn)短暫下降，但12月與1月均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。黎慧娟等人[10]的研究表明弱光環(huán)境對(duì)苦草生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生很大抑制作用。8~11月由于挺水植物對(duì)沉水植物的遮光抑制了沉水植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響NH3-N的去除效果，11月份以后弱光環(huán)境的消除刺激了沉水植物的生長(zhǎng)，而在濃度閾值范圍內(nèi)，沉水植物的生長(zhǎng)可以增加對(duì)NH3-N的吸收[11~15]，而童昌華等人[16]的研究表明低溫季節(jié)沉水植物對(duì)氮仍有較好的吸收效果。
3討論
A市工程與B市工程主要差異為B市工程中增加了沉水植物的布置，若只分析污染物去除率，增加了沉水植物的B市工程有著較好的去除率，但兩處工程的進(jìn)水條件不同，其中進(jìn)水NH3-N濃度有著較大的差異性，A市工程進(jìn)水NH3-N濃度范圍為0.46~4.34mg/L，B市工程進(jìn)水NH3-N濃度范圍為0.12~2.48mg/L。
金相燦等人[12]的研究表明NH3-N濃度從1.5mg/L時(shí)，對(duì)輪葉黑藻產(chǎn)生脅迫，影響輪葉黑藻生長(zhǎng)，NH3-N濃度為0.2mg/L時(shí)輪葉黑藻正常生長(zhǎng)。顏昌宙等人[13]的研究表明，培養(yǎng)液中NH3-N濃度超過(guò)4mg/L時(shí)，輪葉黑藻的相對(duì)生長(zhǎng)率明顯下降。Ni L Y[14]對(duì)金魚(yú)藻的實(shí)驗(yàn)研究表明，水培條件下1.0mg/L的NH3-N濃度促進(jìn)金魚(yú)藻的生長(zhǎng)，5mg/L的NH3-N濃度開(kāi)始抑制金魚(yú)藻的生長(zhǎng)。
根據(jù)前人的研究，沉水植物對(duì)NH3-N等污染物的去除和生長(zhǎng)適應(yīng)性具有閾值要求，在污染物濃度閾值范圍內(nèi)可以促進(jìn)沉水植物的生長(zhǎng)并能加速污染物的去除環(huán)境保護(hù)，若超出濃度閾值范圍，沉水植物的生長(zhǎng)將受到抑制，并降低對(duì)污染物的去除效果。B市工程進(jìn)水NH3-N濃度正處于閾值范圍內(nèi)，當(dāng)遮光等限制性因素消除后，B市進(jìn)水NH3-N濃度促進(jìn)了沉水植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而加速了污染物的去除效果。
工程中對(duì)復(fù)合型表流人工濕地應(yīng)用時(shí)，應(yīng)確定進(jìn)水污染物條件，當(dāng)進(jìn)水污染物濃度在植物生長(zhǎng)閾值范圍內(nèi)，可以初步選用;當(dāng)進(jìn)水污染物濃度超出植物生長(zhǎng)閾值時(shí)，應(yīng)首先采取物理、化學(xué)、微生物等預(yù)處理措施降低污染物濃度至閾值限制值，在植物配置時(shí)，順?biāo)鞣较虬撮撝涤筛呦虻筒贾弥参铩?/p>
4結(jié)論
①?gòu)?fù)合型表流人工濕地系統(tǒng)與常規(guī)型表流人工濕地系統(tǒng)對(duì)CODMn的凈化效果基本相當(dāng)，在10%左右，相對(duì)較低，并且濕地內(nèi)植物系統(tǒng)對(duì)CODMn的作用有限。
②閾值范圍內(nèi)，去除弱光等限制條件后低溫季節(jié)復(fù)合型表流人工濕地對(duì)NH3-N有較高的凈化效率。NH3-N去除效果受植物系統(tǒng)影響顯著。
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