人工濕地基質(zhì)類型和粒徑對(duì)水質(zhì)凈化效率影響研究

水處理網(wǎng)訊:人工濕地是指通過模擬天然濕地結(jié)構(gòu)與功能,選擇一定的地理位置與地形,根據(jù)人們的需要人為設(shè)計(jì)與建造的濕地.它由水體、基質(zhì)、水生植物和微生物四大基本要素構(gòu)成.基質(zhì)是人工濕地中水生植物和微生物的生長載體,一般由不同級(jí)配、比例的單一或混合填料構(gòu)成.選擇合適的基質(zhì)材料,可以為污水在濕地系統(tǒng)中的滲流提供良好的水力條件,為植物和微生物的生長提供良好的載體.基質(zhì)是人工濕地系統(tǒng)中重要的營養(yǎng)聚集場所,它本身還可以通過物理化學(xué)吸附、沉降絡(luò)合等作用有效去除污水中的氮、磷、難降解有機(jī)物等污染物質(zhì).因此,選擇合適的基質(zhì)材料,是構(gòu)建人工濕地、提高人工濕地凈化污水能力的關(guān)鍵措施.

國內(nèi)外學(xué)者在基質(zhì)除污性能上已作了大量研究,發(fā)現(xiàn)頁巖、鋼渣、無煙煤等基質(zhì)能有效去除污水中的磷,煤灰渣、砂子、無煙煤、生物陶粒等基質(zhì)對(duì)有機(jī)物的去除效果較好,沸石、陶瓷濾料、高爐渣等基質(zhì)對(duì)氮素有較高的去除率.但是,不同的基質(zhì)材料在粒徑上往往難以統(tǒng)一,甚至存在較大差異,過去在比較不同基質(zhì)類型對(duì)污染物質(zhì)的去除效率時(shí)往往忽略了基質(zhì)粒徑的影響.比較不同基質(zhì)類型的除污效能時(shí),必須要考慮粒徑的作用,確保粒徑統(tǒng)一的情況下對(duì)不同基質(zhì)進(jìn)行比較.目前對(duì)基質(zhì)粒徑的研究主要集中在濕地堵塞方面,基質(zhì)粒徑對(duì)污水中污染物質(zhì)的凈化效果的影響尚沒有一個(gè)明確的參考值.

因此,本文就不同粒徑下(2~4、4~8mm)對(duì)3種常用人工濕地基質(zhì)(無煙煤、沸石、礫石)的除污性能作了研究,并比較了相同基質(zhì)類型下不同粒徑對(duì)COD、TN、TP去除率的影響,分析了基質(zhì)粒徑和基質(zhì)類型對(duì)COD、TN、TP這3種典型污染物質(zhì)去除效能的貢獻(xiàn),以期為人工濕地基質(zhì)的選擇提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)一步提高人工濕地的水質(zhì)凈化效率.

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與基質(zhì)

如圖1,實(shí)驗(yàn)裝置為人工實(shí)驗(yàn)柱,柱體采用有機(jī)玻璃材料,直徑10cm,高60cm,柱體中鋪設(shè)50cm高的基質(zhì)層(在實(shí)驗(yàn)柱底部填充大粒徑的實(shí)驗(yàn)基質(zhì)以防止堵塞),下方設(shè)置錐形排水口.實(shí)驗(yàn)選用了沸石、礫石和無煙煤這3種常用的人工濕地基質(zhì),每種基質(zhì)分別選取了3種常見的粒徑,分別為1~2、2~4、4~8mm粒徑的沸石,2~4、4~8、8~16mm粒徑的礫石、以及2~4、3~5、6~8mm粒徑的無煙煤.共9組處理,每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù).

圖1人工實(shí)驗(yàn)柱系統(tǒng)

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與進(jìn)水

實(shí)驗(yàn)前期(4月中旬),用實(shí)際生活污水培養(yǎng)人工實(shí)驗(yàn)柱系統(tǒng),以模擬真實(shí)的微生物環(huán)境.5月初,人工實(shí)驗(yàn)柱排出實(shí)際生活污水后,注入人工配置的污水,開展水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn).配置污水所用底水為亞熱帶林業(yè)研究所內(nèi)的池塘水,參考馮華軍等對(duì)浙江省生活污水的水質(zhì)調(diào)查結(jié)果模擬生活污水水質(zhì),分別用蔗糖、硝酸鈣、硫酸銨、磷酸二氫鉀調(diào)整了化學(xué)需氧量、總氮、銨態(tài)氮和總磷的濃度,使進(jìn)水污染物濃度保持在較高水平,進(jìn)水pH為7(表1).

表1實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)期長兩個(gè)月,采取間歇進(jìn)水方式,一次性注入配置污水2L,使污水恰好沒過基質(zhì)層2~5cm,研究水力停留時(shí)間(hydraulicretentiontime,HRT)為7d時(shí),3種基質(zhì)和粒徑大小對(duì)污水中COD、TN和TP的去除效果.本研究采取了較長的水力停留時(shí)間,目的在于使污水與基質(zhì)充分接觸,既延長污水中污染物質(zhì)與基質(zhì)表面微生物的作用時(shí)間,也為基質(zhì)的吸附、沉淀等物理化學(xué)反應(yīng)提供充足的反應(yīng)時(shí)間,有助于體現(xiàn)基質(zhì)之間的差異性.

1.3指標(biāo)測定與統(tǒng)計(jì)分析

水樣測試指標(biāo)為化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN),分別采用重鉻酸鉀法、過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法和過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法進(jìn)行測定.

使用MicrosoftExcel2010和SPSS20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖：對(duì)相同粒徑不同基質(zhì)類型的數(shù)據(jù)、相同類型不同基質(zhì)粒徑的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行LSD法顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)和Duncana,b,c多重比較(α=0.05);對(duì)總樣本進(jìn)行主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)(P<0.05),得到基質(zhì)粒徑和基質(zhì)類型對(duì)污染物去除率變異的貢獻(xiàn)值.

2結(jié)果與分析

2.1COD的去除

從圖2可以看出,不同粒徑沸石和無煙煤基質(zhì)對(duì)COD的去除率均表現(xiàn)為大粒徑優(yōu)于小粒徑：4~8mm>2~4mm>1~2mm(沸石),6~8mm>3~5mm>2~4mm(無煙煤),且不同粒徑之間在0.05水平上差異顯著,4~8mm沸石和6~8mm無煙煤對(duì)COD的平均去除率分別達(dá)到了53.74%和62.93%.不同粒徑礫石對(duì)COD的去除效果表現(xiàn)為：4~8mm>8~16mm>2~4mm,且3種粒徑之間存在顯著性差異(P<0.05).

圖2

以3~5、6~8mm無煙煤對(duì)COD(TN、TP)去除率的均值為4~8mm無煙煤的COD(TN、TP)去除率;小寫英文字母為Duncana,b,c多重比較結(jié)果,不同字母之間表示COD去除率存在顯著性差異(P<0.05),下同圖2不同基質(zhì)和粒徑對(duì)COD的平均去除率

在2~4、4~8mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)COD的去除效果均表現(xiàn)為礫石最好,分別為44.45%、60.76%.方差分析結(jié)果顯示,在4~8mm粒徑下,無煙煤和礫石對(duì)COD的去除效果要顯著優(yōu)于沸石(P<0.05),但在2~4mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)COD的去除率之間無顯著性差異(P>0.05).

2.2TN的去除

圖3結(jié)果顯示,3種基質(zhì)對(duì)TN均有較高的去除率.沸石對(duì)TN的平均去除率最高,1~2mm沸石對(duì)TN的平均去除率達(dá)到了88.64%;其次是無煙煤,平均去除率在60%以上;礫石基質(zhì)對(duì)TN的去除效果相對(duì)差一些,但2~4mm礫石對(duì)TN的平均去除率也高達(dá)68.49%.方差分析結(jié)果顯示,不同粒徑的沸石之間、礫石之間以及無煙煤之間對(duì)TN的去除率均存在顯著性差異(P<0.05),總體上表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑.在2~4、4~8mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)TN的去除效果均表現(xiàn)為：沸石>無煙煤>礫石.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖3

圖3不同基質(zhì)和粒徑對(duì)TN的平均去除率

2.3TP的去除

從圖4可以看出,無煙煤對(duì)TP的去除效果最好,平均去除率在60%以上,其次是礫石,去除率在20%~40%之間,沸石對(duì)TP的去除效果最差,平均去除率僅在15%以上.表2結(jié)果顯示,不同粒徑的沸石之間、礫石之間和無煙煤之間對(duì)TP的去除效果在0.05水平上均存在顯著性差異;其中,礫石和無煙煤表現(xiàn)為小粒徑優(yōu)于大粒徑,沸石基質(zhì)則表現(xiàn)出與此相反的趨勢：4~8mm沸石對(duì)TP的去除效果顯著優(yōu)于1~2、2~4mm(P<0.05).

圖4

圖4不同基質(zhì)和粒徑對(duì)TP的平均去除率

表2基質(zhì)類型和基質(zhì)粒徑對(duì)COD、TN、TP去除影響的統(tǒng)計(jì)分析1)

在2~4mm粒徑下,3種基質(zhì)對(duì)TP的去除效果表現(xiàn)為：無煙煤>礫石>沸石,且方差分析結(jié)果顯示,3種基質(zhì)對(duì)TP的去除效果之間均存在顯著性差異(P<0.05);在4~8mm粒徑下,無煙煤基質(zhì)對(duì)TP的去除率(62.68%)也顯著高于沸石(27.29%)和礫石(27.98%).