水位对复合基质垂直流人工湿地净化效果的影响*

梁家成， 王福浩， 赵林婷， 佘宗莲

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2.青岛水务环境公司，山东 青岛 266021)



水位对复合基质垂直流人工湿地净化效果的影响*

梁家成1， 王福浩2， 赵林婷1， 佘宗莲1**

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2.青岛水务环境公司，山东 青岛 266021)

垂直流人工湿地；水位；复合基质；饱和区

引用格式：梁家成，王福浩，赵林婷,等.水位对复合基质垂直流人工湿地净化效果的影响[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(8): 116-121.

LIANGJia-Cheng,WANGFu-Hao,ZHAOLin-Ting,etal.Effectofwaterlevelontheperformanceofverticalflowconstructedwetlandsfilledwithcompositesubstrate[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina, 2016, 46(8): 116-121.

人工湿地内溶解氧含量和分布对氮的硝化、反硝化及生物的吸收同化有较大的影响[6]，因而，改善湿地内溶解氧的分布，创造硝化、反硝化反应各自所需要的环境条件是提高湿地脱氮效果的有效手段。部分饱和垂直流人工湿地包括下层饱和区(水位界面至湿地床床底的区域)和上层非饱和区(填料表面至水位界面的区域)，通常非饱和区为好氧环境，饱和区为缺氧或厌氧环境，这为在一个湿地单元内实现连续硝化反应和反硝化反应提供了有利条件[7]；针对进水水质特征，通过改变水位可以控制饱和区和非饱和区的深度，调整好氧区和厌氧区的分布[8]，从而实现高效硝化和反硝化。到目前为止，关于水位变化对垂直流湿地处理功能影响的研究尚未见报道，因此，本研究利用实验室规模的垂直流人工湿地，采用连续进水的方式，研究水位变化对有机物和氮去除效果的影响，探讨湿地内污染物和环境参数的空间分布。

1　材料和方法

1.1 实验装置

本研究采用2个实验室规模的垂直流人工湿地，结构如图1所示。湿地床体为聚氯乙烯圆柱体，内径30cm、高度100cm；2个湿地均填充85cm厚的基质，上层均为厚度35cm、粒径5～10mm的炉渣；中层填充厚度相同(35cm)、粒径不同的砾石，湿地1的粒径为10～20mm，湿地2的粒径为5～10mm；底层均铺设厚度15cm的粗砾石(粒径50～100mm)作为支撑层。用蠕动泵将进水连续送到湿地表面，水流垂直流经基质，出水通过与底部出水口连接的出水软管排出，通过改变出水软管的高度来调节湿地内的水位。沿湿地床高度设置6个水样取样口，与床底距离分别为85、66、51、36、19和2cm。2个湿地内均种植黄花鸢尾。

图1　垂直流人工湿地试验装置

1.2 实验条件

1.3 样品采集及分析方法

2　结果与讨论

2.1 不同运行水位时环境参数的变化

图2为各水位条件下湿地1中DO和ORP在水位界面以下的沿程变化。方差分析显示，水位对2个湿地内DO和ORP有显著影响(P < 0.05)。高水位(51～85cm)时，饱和区上层(水位界面至界面以下17～20cm区域)DO浓度较高，为1.2～2.5mg/L，溶解氧来源为进水(4.4～5.2mg/L)、大气复氧和植物根系泌氧；饱和区底层(床体底部至底部以上2～17cm区域)处于缺氧状态，DO低于0.5mg/L；饱和区中层(饱和区底层上界面至饱和区上层下界面的区域)溶解氧低于1.2mg/L。中、低水位(2～51cm)时几乎整个填料床均处于好氧状态，只在床体底部至底部以上2cm的区域出现缺氧环境。陶敏等[10]研究表明，氧是硝化过程中的电子受体，湿地内溶解氧会影响硝化反应的进程，提高湿地内氧含量可提高硝化效率。ORP能够综合溶解氧、有机物质以及微生物活性等指标来反映系统中的生态环境[11]。由图2(b)可知，湿地进水ORP值高于90mV，在饱和区界面以下各取样口的ORP值均下降至-90mV以下。据Ong等人[12]报道，湿地ORP在100mV以下有利于反硝化过程的进行，可知本实验在饱和区界面以下形成了有利于反硝化的还原环境。由于湿地本身具有一定的保温作用，2个湿地出水温度(17.6～28.4 ℃)基本高于进水温度(17.8～24.3 ℃)，此温度范围对硝化/反硝化是适宜的[13]。此外，湿地出水pH值(7.72～8.03)略高于进水(7.67～7.90)，在硝化细菌和反硝化细菌生长繁殖适宜的pH值范围内[14-15]。

图2　湿地1中DO(a)和ORP(b)分布图

2.2 水位对净化效果的影响

图3　湿地系统中污染物去除率

图4　湿地1中和 COD的沿程分布

2.2.2 磷的净化效果人工湿地对磷的去除是通过微生物累积、植物吸收和填料的物理化学作用协同完成的。大量研究表明，人工湿地填料吸附磷是除磷的主要途径[20]。填料对磷的吸附主要是化学吸附，即可溶性磷被填料中的Ca、Al、Fe等吸附及络合形成难溶性沉淀被去除。人工湿地使用的基质包括天然矿物(砾石、石灰石、泥煤等)和工业副产物(炉渣、粉煤灰等[21])。炉渣含有大量的Ca、Al、Fe物质[22]，炉渣的最大吸附量(1 449mg/kg)高于砾石(494mg/kg)，并且最大吸附量与基质粒径显著相关[23]。本研究为获得较好的磷去除率，湿地上层选用吸附效果较好的炉渣，湿地对磷的净化效果见图3(d)，湿地1(中层砾石粒径为10～20mm)和湿地2(中层砾石粒径为5～10mm)对TP的去除率分别为33.3%～56.0%和61.0%～84.8%，湿地2对磷的去除效果显著高于湿地1(P <0.05)，原因可能是基质粒径越小比表面积越大，使基质表面磷吸附点位越多，对磷的吸附去除效率越高，Seo等[24]也发现基质粒径减小会使磷吸附量增加。本研究中较高的TP去除率主要是反应器处于运行初期，基质对磷吸附量尚未饱和。但填料对磷的吸附容量是有限的。Vohla等[25]的研究表明，运行5年后，由于磷在系统内的积累使磷去除率急剧下降，甚至会发生磷的解吸。因此，下一步需要深入研究湿地长期运行后基质对磷的去除作用。

2.2.3COD的净化效果人工湿地中有机物的去除主要通过微生物的代谢作用来完成的。由图3(e)可知，除85cm运行水位外，2个湿地COD的去除率均大于67%。低水位(2～19cm)时，COD去除率达到75.5%～81.1%，高于高水位(66～85cm)时的去除率(50.5%～68.6%)。这主要是因为溶解氧是影响有机物去除的重要因素，高水位时湿地内溶解氧含量较低，使有机物去除率较低。由4(d)可知，2个湿地在85cm水位时COD在饱和区上层降解明显，呈现较高的去除率，而在饱和区底层几乎无变化；51和66cm水位时，在非饱和区和饱和区上层COD去除迅速，去除率为40.5%～61.5%；在2、19和36cm水位时，COD的去除主要发生在非饱和区。结合图2(a)溶解氧的沿程变化可知，随着硝化作用和有机物氧化作用对溶解氧的消耗，在湿地饱和区底层，由于缺乏有效的溶解氧补给，好氧环境明显不如饱和区上层及非饱和区，因此有机物降解作用下降。

3　结语

水位对TP的去除无显著影响(P > 0.05)，基质粒径对TP去除率有显著影响(P < 0.05)。相同水位条件下，填充小粒径砾石的湿地(湿地1)中TP去除率(49.1%～54.5%)高于填充大粒径砾石的湿地(湿地2)(59.3%～71.3%)。

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责任编辑庞旻

EffectofWaterLevelonthePerformanceofVerticalFlowConstructedWetlandsFilledwithCompositeSubstrate

LIANGJia-Cheng1,WANGFu-Hao2,ZHAOLin-Ting1,SHEZong-Lian1

(1.TheKeyLaboratoryofMarineEnvironmentandEcology,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.QingdaoWaterEnvironmentalCompany,Qingdao266021,China)

verticalflowconstructedwetlands;waterlevel;compositesubstrate;saturatedzone

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07203-008)资助

2015-11-02；

2015-12-22

梁家成(1989-),男，硕士生。研究方向为水污染控制。E-mail:liangjiacheng2010@163.com

**通讯作者：E-mail:szlszl@ouc.edu.cn

X523

A

1672-5174(2016)08-116-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150378

SupportedbytheSpecialGrandNationalScience&TechnologyProjectofChinaforWaterPollutionControlandTreatment(2014ZX07203-008)