低温下表面流人工湿地中氨氮型富营养化水体净化研究

低温下表面流人工湿地中氨氮型富营养化水体净化研究郑少奎,张燕燕,杨志峰,刘加刚(北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室,北京　100875)摘要:以氨氮为主要氮组分的富营养化水体为研究对象,采用批量培养方式对比研究了618～712℃水温下浮水植物系统(2种水葫芦Eichhornia crassipes 、浮萍L em na minor )、泡沫板系统(无生命覆盖物系统)及空白系统(无覆盖物系统)的脱氮效果,并探讨了614～1112℃水温下不同起始COD 浓度(27～105mg/L )对各污染物去除的影响.结果表明,溶解氧(DO )是影响NH +42N 去除的关键因子之一,好氧时期各系统NH +42N 去除率占整个时期NH +42N 去除率的61%～88%.3种植物系统中NH +42N 的去除率(45%～56%)普遍高于泡沫板系统(38%)与空白系统(38%),而TN 和COD 去除效果差异则与植物类型有关;随着水体中起始COD 浓度的升高,系统中DO 逐渐由好氧状态降至0,该结果对NO -32N 去除率影响最大(去除率由67%上升至95%),而对其它水质指标(COD ,TN ,NH +42N )的影响相对较小.关键词:表面流人工湿地;氨氮;浮水植物;低温;脱氮中图分类号:X52　文献标识码:A 文章编号:025023301(2006)1022014205收稿日期:2005208216;修订日期:2005210226基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601012)作者简介:郑少奎(1973～),男,博士,副教授,主要研究方向为富营养化水体治理和应用环境微生物学.Purif ication of Ammonia 2Type Eutrophic W aterbody in Surface Flow Constructed Wetland at a Low T emperatureZHEN G Shao 2kui ,ZHAN G Yan 2yan ,YAN G Zhi 2feng ,Liu Jia 2gang(State K ey Laboratory of Water Environment Simulation ,School of Environment ,Beijing Normal University ,Beijing 100875,China )Abstract :Denitrification in three floating 2plant systems ,including two subspecies of hyacinth and duckweed ,and foamy board system were investigated by batch cultivation at a low water temperature of 618℃to 712℃.E ffect of initial COD on the system at a water temperature of 614℃to 1112℃was also discussed.The results were obtained as follows :DO was one of the im portant factors ,NH +42N removals in aerobic condition were 61%～88%in overall period.NH +42N removal in plant systems was higher than that in the foamy board and control systems while differences of TN and COD removals among plant system ,foamy board system and control system were determined by the floating 2plant type.The increase of initial COD concentration ,followed by the decrease of DO from >4mg/L to 0mg/L ,resulted in an obvious improvement of NO -32N removal.However ,it had a less effect on other water quality norms such as COD ,TN and NH +42N.K ey w ords :surface flow constructed wetland ;ammonia nitrogen ;floating plant ;low water temperature ;denitrification 近年来我国江河湖泊富营养化趋势日益严重,污水的脱氮除磷越来越受到人们的关注.人工湿地脱氮除磷效果明显[1],并且投资少、效果好、运行维护方便[2,3],成为土地较宽裕但经济欠发达的中小城镇污水处理的优选方案[4].表面流人工湿地在外观形式和功能结构上都十分类似于天然湿地系统,其所特有的区域生态效益更有利于当地的生态环境[5].因其有易于收割、不受水深限制等优点,所以浮水植物成为表面流人工湿地的重要植物类型,并广泛用于湖泊富营养化的控制.在进入表面流人工湿地的城市污水中,N H +42N 约占总氮量的50%[6],其去除与转化是表面流人工湿地脱氮的关键.由于表面流湿地保温效果较差,在冬季低温条件下容易影响微生物数量及活性[7,8],因此研究低温条件下表面流人工湿地NH +42N 去除效果及植物在NH +42N 降解中的作用具有重要意义.本研究比较了低温下不同系统(水葫芦Eichhornia crassipes 、浮萍L em na m i nor 、泡沫板及空白系统)中N H +42N 降解情况,并探讨了浮水植物在N H +42N 去除中的作用,此外还考察了不同起始COD 水平对植物系统中N H +42N 降解的影响.1　材料与方法1.1　试验场地、湿地植物与土著微生物培养第27卷第10期2006年10月环 境 科 学ENV IRONM EN TAL SCIENCEVol.27,No.10Oct.,2006试验于2004211～2005201在江苏省宜兴市大浦镇的蔬菜大棚内进行.试验中采用植物均为当地土著植物,包括2种水葫芦亚种(分别称为水葫芦A、水葫芦B)和浮萍.土著微生物培养:在168L塑料水箱中加入自来水2314L(水深20cm),于室内(22℃)静置3d,以去除自来水中漂白剂,减少其对微生物的抑制.然后加入当地的稻田土及河沟底泥各2kg,并投加适量(N H4)2SO4、葡萄糖和KH2PO4使水质满足10 mg/L TN、50mg/L COD和2mg/L TP水平,随即开始土著微生物培养,5d后取混合液1L投加到各批量培养系统(168L塑料水箱)作为接种物.1.2　不同系统N H+42N去除研究在5个168L塑料水箱中分别加入7112g (N H4)2SO4、1132g KH2PO4、1511g葡萄糖和94L 已静置3d的自来水(水深40cm),并分别接种1L 土著微生物.将在清水中培养待用的水葫芦A (3450g)、水葫芦B(2050g)及浮萍(370g)分别放入3个塑料水箱内,种植密度分别为9132kg/m2, 5154kg/m2,1kg/m2.在第4个水箱中用泡沫板覆盖于水表面,第5个水箱作为空白对照.试验期间水温在618～712℃之间,每天摘去枯死枝叶,并取样分析各个水质指标.1.3　不同COD浓度影响研究在4个168L水箱中分别加入(N H4)2SO4414 g,KH2PO40182g,葡萄糖加入量分别为0g,4168 g,9136g,14104g,然后加入约94L的自来水(水深40cm),将由试验112得出的脱N H+42N效果最佳的植物放入水箱中,整个试验温度范围为614～1112℃,每天摘去枯死枝叶,并取样分析各个水质指标.1.4　检测分析试验期间,每天上午11:00取样1次,采样前用玻璃棒在水箱内搅拌数秒,然后用注射器抽取水面下5cm深处水溶液100mL立即进行水质分析,包括化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、硝态氮(NO-32N)、氨氮(N H+42N)、p H、溶解氧(DO)等水质指标.其中TN、TP、NO-32N、N H+42N采用SKALAR流动分析仪(荷兰),COD采用HANNAC9800消解加热器和COD快速测定仪测试,p H采用HANNA8424微电脑p H计测试,DO采用HI9143便携式微电脑溶氧仪测试.2　结果与讨论2.1　不同系统脱氮研究采用水葫芦A、水葫芦B、浮萍、泡沫板及空白系统开展如下3方面的对比研究:①低温下不同浮水植物的脱氮效果;②有生命覆盖系统与无生命覆盖系统(泡沫板系统)对脱氮效果的影响;③植物覆盖系统与无覆盖系统(空白对照)对脱氮效果的影响.试验中不同系统内水质指标随时间的变化如图1～5所示.从图中可以看出,在各个系统中NO-32N、N H+42 N、TN、DO、COD指标均在第1～4d内下降幅度较大,其后均趋于稳定或下降幅度明显变小,而p H值在整个试验期间并没有明显变化.浮萍、泡沫板和空白系统中DO分别在第4d时降至0,而其它系统中DO则在第5d时降至0.值得注意的是,各系统中的NO-32N最后都降到了0,达到了完全去除.整个试验期间,TP的浓度在0195～2mg/L之间,并未发生明显变化.图1　水葫芦A系统中各水质指标的变化Fig.1　Evolution of water quality norms in hyacinth-A system 根据整个试验周期内DO值的不同,将16d内各系统的N H+42N、TN、COD去除率按好氧期和整个时期归纳于表1.从表1可以看出,好氧时期各系统N H+42N去除率占整个时期N H+42N去除率的61%～88%,这说明N H+42N主要是在好氧阶段去除,表明DO是N H+42N去除的关键影响因子之一;TN在好氧期去除率在19%～34%之间,占整个时期TN去除率的43%～67%;COD则在好氧期表现了较好的去除效 图2　水葫芦B 系统中各水质指标的变化Fig.2　Evolution of water quality norms in hyacinth-Bsystem图3　浮萍系统中各水质指标的变化Fig.3　Evolution of water quality norms in duckwwwd system果,在4d 内各系统COD 去除率占整个时期COD 去除率的53%～70%.从表1还可以看出,水葫芦A 系统在整个时期中对N H +42N 、TN 的去除率最高,分别达56%和60%,水葫芦B 对COD 的去除率最高,达73%,但其对N H +42N 的去除率为50%.与植物系统相比,泡沫板系统和空白系统中N H +42N 去除率较低,表明图4　泡沫板系统中各水质指标的变化Fig.4　Evolution of water quality norms in foamy boardsystem图5　空白系统中各水质指标的变化Fig.5　Evolution of water quality norms in the control植物的存在促进了N H +42N 的去除.这可能是由于水生植物可通过通气组织将氧气从上部输送至根系,经释放和扩散,使根系周围呈现好氧环境,为硝化细菌的生存、繁殖提供了条件.水葫芦系统中TN 和COD 的去除率明显高于泡沫板系统和空白系统,而浮萍系统中TN 和COD 的去除率与其差别不明显.表1　好氧期和整个时期污染物的去除情况/%Table 1　Pollutants removal in the aerobic phase and overall periods/%试验系统NH +42NTNCOD起始值/mg ・L -1好氧期去除率整个时期去除率起始值/mg ・L -1好氧期去除率整个时期去除率起始值/mg ・L -1好氧期去除率整个时期去除率水葫芦A 11183856151534601053767水葫芦B 11184450151129471033973浮萍11133545131529431024059泡沫板11102338141019421043858空白111525381419194410144632.2　不同COD 浓度的影响通过改变葡萄糖投加量,探讨了不同COD 起始浓度对脱氮的影响,试验采用N H +42N 去除效果较好的水葫芦A 系统.不同COD 浓度下系统中TN 、N H +42N 、COD 、DO 、p H 随时间的变化曲线如图6～8所示.不同COD 浓度试验中N H +42N 、NO -32N 、TN 、COD 的起始浓度及去除率归纳于表2.图6　起始COD 浓度27mg/L 时水质指标的变化Fig.6　Evolution of water quality norms for initial COD concentration of 27mg/L从图6～8中可以看出,当起始COD 浓度为27mg/L 时,DO >4mg/L ;当COD 起始浓度为55mg/L 时,DO 在第7d 时出现较低值,随后迅速上升至2mg/L 以上;而COD 浓度起始值为105mg/L 时,DO 在第5d 迅速下降至0,而后DO 值维持在0附近;当COD 浓度起始值为157mg/L 时,水体中DO 随着COD 降低而迅速下降,在第7d 时降至为0.在COD 影响下DO 值变化对不同水质指标去除率存在不同影响.从表2可以看出,当起始COD 浓度从27mg/L 逐渐增加到105mg/L 时,COD 去图7　起始COD 浓度55mg/L 时水质指标的变化Fig.7　Evolution of water quality norms for initial COD concentrationof 55mg/L图8　起始COD 浓度105mg/L 时水质指标的变化Fig.8　Evolution of water quality norms for initialCOD concentration of 105mg/L表2　主要污染物始浓度及去除率Table2　Initial levels of different pollutants and their removal efficienciesCOD NO-32N NH+42N TN起始/mg・L-1去除率/%起始/mg・L-1去除率/%起始/mg・L-1去除率/%起始/mg・L-1去除率/% 273021667101722141528 554421555111414141513 1054421595111944151543除率为30%～44%,N H+42N去除率为14%～44%, TN去除率在13%～43%之间,NO-32N去除率为55%～95%.表明起始COD浓度对NO-32N去除率存在较大影响,并且其去除率随起始COD浓度的上升而增加.这主要是因为较高浓度COD造成较低DO浓度,使NO-32N的微生物反硝化脱氮过程成为可能.3　结论 (1)不同系统脱氮研究结果表明,植物的存在有利于N H+42N的去除,不同植物系统对TN和COD 去除效果不同,某些植物系统对TN和COD去除能力强于无生命覆盖系统和空白系统. (2)较高起始COD浓度容易造成浮水植物型表面流人工湿地中较低的DO浓度,使NO-32N的微生物反硝化脱氮过程成为可能,对其它水质指标变化的影响相对较小.参考文献:[1]刘真,章北平.人工湿地污水处理系统的分析与优化[J].华中科技大学学报(城市科学版),2003,20(4):64～67.[2]杨敦,周琪.人工湿地脱氮技术的机理及应用[J].中国给水排水,2003,19(1):23～24.[3]于少鹏,王海霞,万忠娟,等.人工湿地污水处理技术及其在我国发展的现状与前景[J].地理科学进展,2004,23(1):22～29.[4]王薇,俞燕,王世和.人工湿地污水处理工艺与设计[J].城市环境与城市生态,2001,14(1):59～62.[5]Robert H Kadlec.Overview:Surface flow constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech.,1995,32(3):1～12.[6]张军,周琪,何蓉.表面流人工湿地中氮磷的去除机理[J].生态环境,2004,13(1):98～101.[7]Philip A M Bachand,Alexander J Horne.Denitrification inconstructed free2water surface wetlands:II.Effects ofvegetation and temperature[J].Ecological Engineering,2000,14:17～32.[8]Christian R Picard,LauChl2an H Fraser,David Steer.Theinteracting effects of temperature and plant community type onnutrient removal in wetland microcosms[J].BioresourceTechnology,2005,96:1039～1047.。