复合垂直流人工湿地对氮的净化效果贺 锋, 吴振斌, 成水平, 付贵萍(中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北武汉430072) 摘 要: 采用复合垂直流人工湿地处理武汉东湖污染水的中试结果表明,出水中NH +4-N 、NO -2-N 和凯氏氮(K N )浓度均显著降低,而NO -3-N 含量有所上升;系统最佳运行水力负荷为800mm/d ,超过此负荷后系统净化效果随负荷增加而下降;在东湖现有的污染负荷下,处理系统仍呈现;就基质中K N 的分布而言,水平方向为下行流池含量高于上行流池,垂直方向为上层>中层>下层,而在植物体内的分布则为叶片中含量最高。
关键词: 污染湖水; 复合垂直流人工湿地; 氮的积累与分布中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1000-4602(2004)10-0018-04 基金项目:“十五”国家科技攻关课题(2002AA601021); 中国科学院知识创新工程重要方向项目(K SCX 2-SW -102);武汉市晨光计划资助项目(20025001035)E ffect of I ntegrated V ertical 2flow Constructed Wetland on NitrogenR emovalHE Feng , WU Zhen 2bin , CHE NG Shui 2ping , FU G ui 2ping(State K ey Lab.o f Freshwater Ecology and Biotechnology ,Institute o f Hydrobiology ,ChinaAcademy o f Sciences ,Wuhan 430072,China ) Abstract : A pilot test was conducted with integrated vertical 2flow constructed wetland to treat polluted water from East Lake in Wuhan.Result shows that the concentrations of NH +4-N ,NO -2-N ,K jeldahi nitrogen (K N )in the effluent is reduced remarkably while NO -3-N is increased slightly.The system optimal hydraulic load is 800mm/d.When this optimal value is overloaded ,the purification effectiveness decreases with the in 2crease of hydraulic load.Under the present pollution load in East Lake ,the system still has the potential of bearing pollution.From the K N plane distributing in substrates ,the nitrogen content of down 2flow chamber is higher than that of up 2flow chamber.From the K N vertical distribution ,the nitrogen content of top layer is high 2er than that of medium layer ,bottom layer has the minimum content.The highest concentration is in leafage based on the K N distributing in the plants. K ey w ords : polluted lake water ; integrated vertical 2flow constructed wetland ; nitrogen accumula 2tion and distribution1 材料与方法111 系统的构建复合垂直流人工湿地中试系统建于武汉东湖湖畔,面积为162m 2,由下行流和上行流两池串联而 中国给水排水2004V ol.20 CHI NA W ATER &W ASTEW ATER N o.10成,底部连通。
单池尺寸为9m×9m。
池内填充基质,下行流池深为65cm,上行流池深为55cm。
基质表层种植植物,下行流池表面铺设有进水布水管,上行流池表面铺设有出水收集管。
中试系统进水直接取自东湖子湖(水果湖),取水口距茶港排污口约80m,取水泵房用砖墙围砌,并设有栅栏保护。
受污染湖水经泵提升,输送300 m后排入蓄水池,停留624h后进入系统。
在下行池种植美人蕉(Canna genaralis),上行池种植菖蒲(Acorus calamus)。
112 系统的运行及监测中试系统于1998年5月建成并投入使用,至今仍在正常运行当中。
系统采用间歇进水方式,日常运行负荷以800mm/d为主。
① 水质监测系统自投入运行后,每月监测水质12次。
其中凯氏氮(K N)采用半微量法测定,N O-3-N采用酚二磺酸光度法测定,N O-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定,NH+4-N采用纳氏试剂比色法测定。
其他指标的测定均按国家环保局的标准方法进行[1]。
② 基质砂样分析在下行流和上行流池中各设5个采样点(梅花状),分别在05、2025、4045cm深度处取样,然后将每个深度的5个样混合,分别标记为“上”、“中”、“下”字样,置于通风橱中,挑去混入其中的杂物,用研钵磨碎,并通过0.25mm孔筛选取细砂,装入密封容器中待测。
对砂样的检测指标为K N,检测方法见文献[2]。
③ 植物样分析在各池中随机采样,连根采集、洗净,在60℃下烘至恒重,分不同部位(根、茎、叶)碾碎,部分植物整株碾碎,并通过0.25mm孔筛选后待测。
对植物样的检测指标为K N,检测方法见文献[2]。
2 结果与讨论211 系统进、出水氮浓度的变化运行期间进、出水氮含量变化见图1。
结果表明:①进水中无机氮(NH+4-N、NO-2-N 和NO-3-N)含量高于有机氮(K N减去NH+4-N),且NH+4-N含量最高,分别是NO-3-N和NO-2-N 含量的28和32倍;②湿地进水中NH+4-N和K N 的含量较湖水均有一定程度降低,说明蓄水池有一定的预处理功能;③经过系统处理后NO-3-N含量有所上升,说明存在着较强的硝化作用;④经过系统处理后NH+4-N、NO-2-N和K N浓度均显著降低,对K N的平均去除率为65.71%(标准差为18.78%),对NH+4-N的平均去除率为92.48%(标准差为8.52%),对NO-2-N的平均去除率为89.53%(标准差为10.17%)。
图1 中试系统进、出水氮浓度的变化Fig.1 Nitrogen concentration variation of in fluent and effluent 与文献[3、4]相比,就脱氮效果而言,垂直流湿地优于水平流;复合垂直流向较单一流向效果好;间歇运行优于连续运行。
212 不同水力负荷与脱氮效果的关系不同水力负荷下系统对氮的净化效果见图2。
图2 水力负荷对氮净化效果的影响Fig.2 In fluence of hydraulic load on nitrogenrem oval efficiency由图2可知,随着水力负荷的增加(最佳水力负荷为800mm/d),系统对氮的净化效果逐渐增强,但水力负荷>800mm/d后净化效果开始下降。
213 污染负荷与脱氮效果的关系中试系统在不同污染负荷下对氮的净化效果见图35。
图3 系统污染负荷与K N 去除负荷的关系Fig.3 Relationship between pollution load andK N rem ovalload图4 系统污染负荷与NH +4-N 去除负荷的关系Fig.4 Relationship between pollution load and NH +4-Nrem ovalload图5 系统污染负荷与NO -2-N 去除负荷的关系Fig.5 Relationship between pollution load andNO -2-Nrem oval load 可以看出,系统污染负荷与氮去除负荷之间均存在着线性关系,且相关性很好。
从试验期间的污染负荷来看,均为系统净化量随污染负荷的增加而增加,没有出现下降的拐点(系统污染承载阈值)。
这表明在东湖现有的污染水平下,对湿地系统不会存在污染负荷过重的威胁,也说明系统在较佳水力负荷(800mm/d )下仍有继续承载污染量的潜力。
214 K N 在基质中的积累与分布污水经过湿地处理后,K N 在基质中的滞留、积累和分布状况(见图6)表明,沿水平方向为下行流池的K N 含量高于上行流池;垂直方向上,K N 含量依次为:上层>中层>下层。
图6 K N 在基质中的分布状况Fig.6 K N distribution in substrate该系统由下行流和上行流两池串联而成,水流先垂直向下,通过连通层后再垂直向上,污染物质在系统中流经不同的活性层时逐级得到降解。
从水平分布上看,下行流池在前,首先接触污水,阻截的污染物质相对较多;上行流池在后,污水到达时已得到一定程度的净化,污染物浓度降低,因此表现为下行流池的K N 含量高于上行流池。
在垂直层面上分析,首先从砂样的表观来看,上层呈褐色,中层为浅褐色,下层为淡黄色,据此可初步预测各层K N 含量的大小(色深则K N 含量多,色浅则K N 含量少)。
在人工湿地的设计中一般上层基质粒径较小、比表面积相对较大、滤过和吸附能力相对较强,而污水首先接触的是下行流池的表层,其滞留量自然较大,因此K N 含量表现为上层>中层>下层的结果。
215 K N 在植物中的积累与分布对中试系统植物的根、茎、叶等部位的氮含量进行了测定(见图7),结果表明:不同植物体内氮的分布也不同,对美人蕉表现为叶>根>茎,对菖蒲表现为叶>地下部位(根+块状地下茎)。
与以前的研究[57]相比,不同的物质在不同植物的不同器官中,积累分布规律也不一样,但都存在一个大的趋势,即叶中积累量最大,其他部分次之。
图7 K N 在植物体内的分布状况Fig.7 K N distribution in plants3 结论① 间歇运行的复合垂直流人工湿地系统对氮有良好的去除效果。