人工湿地是一种造价与运行维护费用低的高效、环保处理技术, 在地表污染水体净化方面被广泛应用^[1], 其中潜流人工湿地(subsurface flow wetlands, SSFW)具有水力负荷大、净化效果好等优点, 但是气温的降低会影响人工湿地的运行, 降低污染物的去除效果^[2]。研究表明, SSFW的总氮(TN)和总磷(TP)去除率在低于15 ℃时分别为58.5%和41.8%, 在高于15 ℃时则能达到73.9%和70.1%^[3]。生态滤床是根据人工湿地原理建立的水质净化技术, 通过建立人工生态系统, 将物理沉淀、过滤吸附和系统中植物和微生物的降解功能及其协同作用综合起来^[4], 可直接构建于河岸, 明显改善河流水质^[5]。同样, 温度也对生态滤床的净化效果产生一定影响^[6], 冬季温度低时, 污染物的去除率普遍不高。因此, 如何解决生态滤床在低温情况下运行效率降低的问题成为提高生态滤床处理能力的关键。

笔者设计了一种置入式生态滤床(inserted ecological filter, IEF), 其下部存在水层, 增加了床体内污水的保温效果, 并与传统水平潜流人工湿地对照, 利用相同的重污染河水, 对比置入式生态滤床和潜流人工湿地在不同季度对总氮(TN)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(COD_Mn)的去除效果, 同时考察了置入式生态滤床在沿程和垂直水平上对污染物浓度的影响, 以期提高生态滤床在低温情况下对重污染河水的处理效果, 并为同类技术的应用提供设计参考。

1 材料与方法 1.1 实验装置

构建2个实验装置(图 1)SSFW和IEF, 床体尺寸均为160 cm×50 cm×80 cm(L×W×H), 进水端及出水端各设置长度为20 cm的布水区和集水区, 主体填料区长120 cm。主体结构采用厚度为1 cm的PVC板材焊接而成, 在前端和末端顶部分别设置进水口和出水口, 其中进水口高度为75 cm, 出水口高度为65 cm, 进水和出水均采用三角溢流堰, 下部隔板在满足承重要求的基础上, 最大限度进行穿孔处理, 保证水流的畅通。

SSFW和IEF主体构成相同, 均为基质和植物, 其中, SSFW基质铺设深度为60 cm，IEF基质铺设深度为40 cm, 隔板下部存在20 cm厚度水层。基质采用浙江缙云产天然斜发沸石, 未作改性处理, 粒径为1 cm左右，用水冲洗后去除里面杂质。系统植物采用当地常见的茭草(Zizania latifolia), 移栽时茭草为成苗，种植密度为8株·m^-2。

1.2 实验条件

实验在上海市农业科学院庄行综合试验站内(配备微型气象站)进行, 供试水体来自实验区附近河道, 河道汇水有生活污水、工业废水和农业面源污水, 水质差, 属于重污染河道。实验进水水质状况:ρ(TN)为6.58~8.73 mg·L^-1, ρ(NH₃-N)为2.78~4.53 mg·L^-1, ρ(TP)为0.47~1.13 mg·L^-1, COD_Mn为9.87~15.26 mg·L^-1。实验运行期为2014年7月6日—12月20日, 其中7月、8月和9月为第3季度, 平均气温为26.2 ℃; 10月、11月和12月为第4季度, 平均气温为12.8 ℃。采用连续进水方式, 进水利用水泵直接抽水至储水罐, 后用计量泵向床体供水, 可变流量, 固定水力停留时间, 即恒流泵脉冲频率设为恒定, 实际水力停留时间约为3.4 d。实验进行期间, 每隔2周左右取1次样, 取样时间固定为09:00—10:00, 取样位置如图 2所示。

1.3 测定指标与方法

水样:TN浓度采用过硫酸钾氧化法测定, NH₃-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定, TP浓度采用钼锑抗分光光度法测定, COD_Mn采用酸性高锰酸钾法测定^[7]。

植株样:在实验结束时, 2个系统中随机选取3株茭草, 测定其生物量和TN、TP含量。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 13.0软件进行统计分析, 采用Sigmaplot 12.0软件制图。

2 结果与分析 2.1 TN去除效果

IEF和SSFW出水ρ(TN)随运行时间的变化如图 3所示, 变化分别在1.72~4.51和2.77~4.28 mg·L^-1之间, 远低于进水的6.44~8.73 mg·L^-1。除第1次采样外, SSFW的出水TN浓度均高于IEF; 第4季度气温变低, 两者之间的差距有缩小趋势。IEF的TN去除率在第1次采样时较低(40.0%, 图 3), 随着系统的稳定, 去除率逐渐升高, 达71.7%~80.3%, 进入第4季度, 去除率有降低趋势, 但仍保持在50%以上。

SSFW的TN去除率变化趋势与IEF处理一致, 但明显低于IEF, 最高仅为68.2%, 冬季时降低至40%左右。第3季度IEF和SSFW的TN平均去除率分别为68.0%和56.3%, 第4季度均有所下降, 分别为57.9%和46.7%。IEF的TN浓度沿程变化在实验初期不规律, 实验后期表现为随着沿程距离的增加而呈逐渐下降趋势(A1>A2>A3);在垂直方向上总体表现为A4>A5>A2, 即系统内上层水体TN浓度最高, 其次是下层, 中层最低。方差分析结果表明, TN去除效果在2个系统间差异达极显著水平(P < 0.01), 季节即温度显著影响TN的去除效果(P < 0.05), 第4季度TN去除效果显著低于第3季度(表 1)。

2.2 NH₃-N去除效果

从NH₃-N的浓度变化(图 4)可以看出, 第3季度IEF和SSFW出水ρ(NH₃-N)差异不大, 但在第4季度, IEF始终低于SSFW。NH₃-N去除率在第3季度基本维持在90%左右, 而后随着气温的降低, 去除率都呈下降趋势, SSFW降至30%左右, IEF则稳定在60%左右, SSFW比IEF平均低20.9%。第3季度IEF和SSFW的NH₃-N平均去除率基本一致, 分别为90.0%和89.7%, 第4季度均有所下降, 分别为63.0%和50.1%。IEF的ρ(NH₃-N)随着沿程距离的增加而逐渐下降, 第4季度表现更为明显, 即A1>A2>A3;在垂直方向上差异不显著(A4、A2、A5)。季节即温度对NH₃-N的去除效果有极显著影响(P < 0.01), 但2个系统间没有显著差异(表 1)。

2.3 TP去除效果

SSFW系统的TP出水浓度大于IEF(图 5), 而IEF的TP去除率大于SSFW, 其中最高去除率出现在8月, IEF为83.3%, SSFW为73.5%。随着温度的降低, 去除率下降, 第4季度IEF和SSFW的平均去除率分别为58.7%和48.6%。系统稳定运行后IEF的ρ(TP)在沿程水平上为A1>A2>A3(图 5), 在垂直水平上为A4>A5>A2。方差分析(表 1)表明, TP去除效果在2个系统间达极显著差异(P < 0.01), 季节即温度对TP去除效果的影响也达显著水平(P < 0.05)。

2.4 COD_Mn去除效果

2个系统运行稳定后, IEF出水COD_Mn总是低于SSFW出水(图 6), IEF去除率和SSFW平均去除率分别为51.9%和46.0%。IEF和SSFW的COD_Mn去除率在季节间差异不明显, 第3季度分别为51.9%和46.9%, 第4季度分别为51.8%和44.6%。在沿程和垂直水平上COD_Mn变化规律不明显, 差异不显著。2个系统对COD_Mn的去除效果差异显著(P < 0.05), 但温度(季节)变化对COD_Mn的去除效果影响不显著(表 1)。

2.5 温度对净化效果的影响

为了进一步说明温度对污染物去除的影响程度, 对IEF和SSFW污染物去除率与当天平均气温作相关性分析(图 7)。2个系统中NH₃-N去除率与温度均呈极显著正相关(P < 0.01), 而SSFW对TN去除率与温度呈显著正相关(P < 0.05), 表明温度对氮的去除效果影响较大, 温度越高, 氮的去除效果越好。温度对2个系统中TP和COD_Mn去除效果均无较大影响。

此外, 试验期间还测定了系统内部水体温度, 结果发现7—9月, IEF的平均水温〔(24.9±1.4) ℃〕比SSFW略低〔(25.1±1.7) ℃〕, 而到10—12月, IEF的水温〔(16.4±2.8) ℃〕明显高于SSFW 〔(15.0±2.9) ℃〕, 平均温度提高1.4 ℃, 验证了IEF由于底部水层的存在增加了系统内部的温度。

2.6 植株吸收作用

表 2表明, 实验结束后2个系统中植株的地下部分生物量均高于地上部分生物量, IEF中植株的地上和地下生物量分别比SSFW高7.5%和6.9%。2个系统中植株地上部分TN和TP含量均高于地下部分。IEF中植株地上部分TN和TP含量分别比SSFW高10.6%和7.5%, 地下部分分别高6.6%和9.1%。IEF系统的植株TN和TP吸收分别比SSFW提高16.4%和16.1%。

3 讨论

通过在底部增设一定厚度的水层来增加系统的保温效果, IEF平均水温在第3季度比SSFW低0.2 ℃, 但在第4季度比SSFW高1.4 ℃。第3季度IEF系统对TN、NH₃-N、TP和COD_Mn的平均去除率可达68.0%、90.0%、69.2%和51.9%, 除NH₃-N外, 均显著高于SSFW系统; 第4季度2个系统的去除率均有所下降, 但IEF系统的下降幅度明显低于SSFW系统, 对TN、NH₃-N、TP和COD_Mn的平均去除率依然可达57.9%、63.0%、58.7%和51.8%, 分别比SSFW系统高11.1%、12.8%、10.2%和7.2%。

湿地系统中, N通过微生物的氨化、硝化与反硝化, 植物的吸收, 基质的吸附、过滤、沉淀等途径去除^[8], 其中氨化、硝化与反硝化作用是去除N的主要途径^[9]。运行初期, SSFW的TN去除率比IEF高, 这主要是因为SSFW中的基质添加量是IEF系统的1.5倍, 其吸附容量也远高于IEF。系统稳定运行后, IEF的TN去除效果明显高于SSFW, 可能是因为IEF系统降低了基质厚度, 在基质底部增加了水层, 改变了局部的氧环境, 相比于全部基质层的SSFW系统, IEF系统具有更加符合反硝化微生物活动的微环境, 提高了反硝化脱氮强度。相关性分析发现, 温度对NH₃-N的去除效果影响较大, 2个系统第3季度对NH₃-N的去除率均较高, 这主要是因为此期间温度较高(平均气温26.2 ℃), 而硝化菌适宜温度为20~30 ℃, 因此微生物活性高，代谢强, 硝化反应快。这也与前人得出的水温为22~28 ℃时NH₃-N去除率最高的结果相吻合^[10]。进入第4季度, 气温逐渐降低, 2个系统的TN和NH₃-N去除率均呈不同程度的下降, 主要是由于低温使得微生物活性降低, 影响了硝化反硝化反应进行^[11], 加上植物在冬季逐渐枯萎死亡, 对N等营养的吸收减弱, 从而导致系统脱氮效率降低^[12]。第4季度IEF对TN和NH₃-N的去除率明显高于SSFW, 这可能是由于IEF下部的水层设计, 增加了床体内对污水的保温效果, 其底部进水中溶解氧的带入也提高了滤床底层的溶解氧水平, 使微生物能够正常生长繁殖, 保持一定的活性和代谢强度, 另外, IEF的保温效果更利于植株生长, 使得IEF中植株生物量和氮吸收分别比SSFW提高7.1%和16.4%, 加上IEF较大的地下生物量(比SSFW高6.9%), 庞大的根系表面也可附着大量微生物, 并由根系输氧作用创造了利于好氧反应的微环境^[13], 进而维持了较高的TN和NH₃-N去除效果^[9]。IEF系统对TN的去除效果在沿程上表现为后端最好, 在垂向上以中部最佳。这与以往大家普遍认为的湿地中反硝化作用主要发生在厌氧区域如湿地靠近出水端的中部及后部结果一致^{[1, 14]}。

植物吸收和基质对P的沉积与吸附作用是水体中P去除的主要途径, 其中植物吸收的主要是以磷酸根形式存在的P, 而沉积和吸附作用可以去除各种形态的P^[15]。但人工湿地在较高温度环境下运行时, 基质对除P的作用较小^[16]。此外, 微生物在湿地除P中有着重要作用, 人工芦苇湿地微生物增加, 系统TP平均去除率为20.9%, 比空白高18.3%^[17]。虽然第4季度, 2个系统的TP去除率都有下降趋势, 但IEF的TP去除率始终高于SSFW。这主要是因为IEF系统的保温效果不仅提供了一个有利于植物生长的环境^[18], 加强了植物对P的吸收作用(IEF的P吸收比SSFW增加16.1%), 而且温度的增加保证了微生物的正常活动。虽然IEE系统的基质量低于SSFW, 但除P效果却优于SSFW系统, 这可能是因为IEF中基质的吸附对整个系统除P的贡献较低, 植物吸收和微生物起主导作用, 由植物吸收与微生物活动的加强而带来的除P效应有效弥补并超过了基质量减少而减弱的除P效果。

研究表明, 不溶性有机物通过基质的沉淀、过滤作用从水体中截留下来, 进而被微小生物加以利用, 可溶性有机物则可通过生物膜的吸附和微生物的代谢过程去除^[19]。此外, 湿地植物根系的截留及根系表面微生物的降解作用也能去除部分有机物, 但是植物根系的死亡也会释放有机物, 使去除率下降^[20]。运行初期, 系统不稳定, SSFW的COD_Mn去除率比IEF高, 这主要是由于SSFW中的基质吸附量高于IEF, 随着系统的稳定, IEF的COD_Mn去除率与SSFW相比较高, 可能是IEF系统中的微生物活性要高于SSFW系统。但2个系统的COD_Mn去除率受季节影响的波动相对较小, 说明温度对系统COD_Mn去除效果的贡献不占主要地位^[21]。

由于传统水平潜流人工湿地的构造原因, 可能会出现上部水“短流”现象, 从而降低湿地的处理效率, 该研究设计的置入式生态滤床增加了下部水层, 形成局部下行流和上行流的垂直流流态, 集中了水平流和垂直流湿地的优点, 也是提高污染物处理效率的原因之一。另外, 该研究主要关注的是改进的置入式生态滤床系统对污染河水水质净化的改善效果, 对于其脱氮除磷的内在机理及各去除途径对系统效果的贡献涉及较少, 关于改进的置入式生态滤床系统是否比传统潜流湿地更能促进脱氮除磷相关微生物的活性, 还有待于进一步研究。

4 结论

与SSFW相比, IEF对污染物的去除率较高, 对TN、NH₃-N、TP和COD_Mn的平均去除率分别为63.6%、78.4%、64.7%和51.9%, 比SSFW分别高13.1%、6.9%、12.1%和7.3%。即使在低温季节(10—12月), IEF的处理效率依然能保持较高水平, 对TN、NH₃-N、TP和COD_Mn的平均去除率达57.9%、63.0%、58.7%和51.8%。IEF部分弥补了冬季湿地污染物去除效率低的缺点, 对重污染河水具有明显净化效果, 并对河流水环境治理技术的提升有重要意义。