模拟人工湿地脱氮除磷效果及其影响因素研究

潘长森，王小娇

(成都信息工程学院，四川成都 6102250)

湖泊富营养化是一种由于氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象，控制排入湖泊的氮磷量是缓解湖泊富营养化的重要途径。国家环保总局华南环保所于1990年7月在深圳建造了白泥坑人工湿地工程，达到良好处理效果［1］。笔者采用建筑垃圾作为填料，选择美人蕉作为湿地植物，以卡鲁赛尔氧化沟为主体构建模拟潜流人工湿地，尽可能恒定进水水流，处理成都信息工程学院教学区化粪池初沉池出水，通过除磷脱氮效果评价建筑垃圾作为基质的人工湿地在实际应用中的可行性。人工湿地系统与其他处理工艺相比，其占地面积较大，易受气温影响［2］。靖元孝等的研究表明，在人工湿地系统中，植物对氮磷的去除起着重要作用，种植风车草后，氮磷去除率分别比不种植植物的系统提高了28%和19%［3］。徐丽花等发现，采用石灰石作为基质可有效去除磷，而采用沸石－石灰石复合基质可有效去除总磷和总氮［4］。李旭东等的研究结果表明，使用沸石为基质的人工湿地可以有效去除污水中的总氮［5］。根据Reddy研究发现，人工湿地中7%～87%的磷可能通过基质吸附或者沉淀反应降解［7］。胡小琴的研究认为，人工湿地系统除磷效率主要受基质选择的影响，由于化粪池出水TP含量较高，可采用煤渣加高有机质含量的草炭和土壤，去除率可达77.6%～85.0%［8］。模拟人工湿地系统分别经过污水静止浸泡、植物种植自适应［9］、植物迅速生长及植物生长减慢几个阶段。

1 试验方法

模拟人工湿地反应器尺寸为155 cm×95 cm×40 cm，基质为以红砖为主要成分的建筑垃圾。试验装置进水通过高位水箱供应，有效体积为0.09 m3，以保持试验装置进水水压稳定并且具备一定故障延迟能力。试验装置示意图如图1所示，试验期间进水水质变化范围:COD 80～420 mg/L，总磷3.7～11.0 mg/L，氨氮37.7～119.3 mg/L。氨氮采用GB7479－87纳氏试剂比色法测定，总磷使用过硫酸钾－微波消解法测定［10］。

2 结果与分析

2.1 模拟人工湿地氨氮去除效果影响因素分析

2.1.1 温度对氨氮去除率的影响。选择所得试验数据中光照强度变化较小的一天进行分析，可认为植物和微生物生长情况不变。温度及氨氮去除率变化如图2所示。可见，随着温度的升高，氨氮去除率出现明显上升趋势，上升幅度与温度基本一致。采样时间在 08:00、10:00、14:00、16:00、18:00、20:00的光照强度测定结果分别为109 500、112 400、112 900、103 100、51 500、135 Lux。使用 SPSS对该时段温度(T)与氨氮去除率(Nrr)进行Bivariate相关性分析。结果表明，不考虑光照强度影响，T与Nrr在0.05水平(双侧)上有显著相关性，Nrr=1.231 5T+52.147，R=0.993(图 3)，拟合结果方差分析(ANOVA)显著性水平为0.034＜0.05。

氨氮去除率与温度呈现明显正相关，这是由于该模拟人工湿地运行到后期，基质吸附作用基本趋于饱和，对脱氮效果影响较大的因素主要为微生物硝化作用及植物吸收。微生物硝化作用最适宜温度为30℃，植物光合作用也在30℃左右具有较高的速率［11］。故温度可在一定范围内增强微生物的活动，同时能对光合作用起到一定程度的促进作用，从而对系统脱氮效果起到影响。

2.1.2 光照与氨氮去除率关系分析。分别选择5月17、22、23、27及28日5 d数据进行分析，该阶段温度为(28.1±0.24)℃，进水pH为(7.93±0.008)。光照强度与氨氮去除率关系如图4所示。氨氮去除率变化趋势与光照强度有一定关系，对数据使用SPSS进行Bivariate相关性分析，结果表明，光照强度与氨氮去除率相关性不显著。对光照强度(L)与氨氮去除率进行直线拟合，Nrr=0.000 5L+21.254，R=0.450(图5)。虽然相关系数＞0.3，但是由于其拟合结果ANOVA分析显著性水平为0.246，远高于0.05，故可认为Nrr与L之间不存在线性关系。由于光合作用中需要消耗水中氨氮，同时通过根系输氧在靠近根系的区域形成好氧区域，从而利于硝化细菌进行硝化作用。在一定光照强度范围内，光照强度的增加对氨氮去除率有着促进作用。

2.1.3 pH对氨氮去除率的影响。分别选择5月6、7、11、14、15、16及18日的数据进行分析，温度为(24±0.89)℃，该阶段pH和氨氮去除率变化如图6所示。可见，氨氮去除率随着pH的升高先升高再下降。硝化作用最适宜pH为7.5～8.2，该试验最佳去除效果出现在7.7～8.0之间。

2.1.4 脱氮效果影响因素综合分析。氨氮处理效果随时间的变化如图7所示。可见，随着时间的推移，氨氮去除率变化出现明显先下降，后上升，最后再下降的趋势。人工湿地运行初期，由于植物生长缓慢，微生物附着相对较少，系统脱氮主要依靠基质过滤和吸附，随着基质吸附饱和，基质间隙出现堵塞，过滤和吸附作用减弱，去除率出现下降。最后，随着植物花期临近，植物由营养生长转变为生殖生长，叶面生长速度减慢，对氮的需求量减小，故氨氮脱除效果呈现下降趋势。

对5月5～29日(去除天气情况为雨的数据)氨氮进出水浓度、去除率及面积负荷去除率进行分析，结果见图8。5月5～15日期间，植物生长迅速，氨氮去除率及面积负荷去除率出现明显上升趋势。5月15日之后，植物生长放缓，去除率增长趋势减弱，出现稳定趋势，而后期随着进水浓度的增加，氨氮去除率出现下降趋势，但是系统氨氮面积负荷去除率略有回升，并出现稳定趋势。

对温度、光照、进水pH及进水氨氮浓度与氨氮去除率进行Bivariate相关性分析，结果如表1所示。分析结果表明，进水pH与氨氮去除率及面积负荷去除率在0.01(双侧)水平存在显著正相关性，二者符合线性关系。进水pH与氨氮去除率关系为η=48.4pH－315.73，R=0.710(图9a)，ANOVA分析显著性水平为0.003。进水pH与氨氮面积负荷去除率关系为ξ=2.83pH－19.85，R=0.722(图9b)，ANOVA分析显著性水平为0.002。同时，氨氮去除率与氨氮进水浓度在0.05(双侧)水平存在显著负相关，二者线性拟合效果不佳。这是由于基质去除能力有限，在停留时间不加长的情况下，系统无法对较高浓度的含氮废水达到较好的去除效果。

2.2 模拟人工湿地总磷去除效果影响因素分析

2.2.1 温度对总磷去除率的影响。笔者选用5月22日08:00～16:00所得温度与总磷去除率数据进行分析，总磷去除率随温度变化如图10所示。对温度与总磷去除率进行Bivariate相关性分析，结果表明，温度与总磷去除率并未出现显著相关性。温度及总磷去除率散点图如图11所示。

可见，虽然总磷去除率随温度上升呈上升趋势，但是在温度的影响下，总磷去除率变化范围较小，说明温度的影响对总磷去除率的变化来说并非主要原因，而总磷去除中占主导地位的是基质过滤吸附，该过程中温度影响较小。

2.2.2 光照对总磷去除率的影响。分别选择5月17、22、23、27及28日5 d数据对光照和总磷去除率的关系进行分析，光照强度与总磷去除率关系如图12所示。对光照强度及总磷去除率进行Bivariate相关性分析，结果表明，光照强度与总磷去除率并未出现显著相关性。由图13可知，随着光照强度的增强，总磷去除率出现上升趋势。这是由于植物光合作用速率在一定范围内和光照呈现正比关系，光合作用越强，植物根系输氧能力越强，在根系附近形成好氧微区域，有利于微生物在好氧条件下进行超量吸磷，而远离根系的基质为微生物提供厌氧环境，有利于微生物将聚磷酸盐分解为正磷酸盐。

2.2.3 pH对总磷去除率的影响。选择5 月6、7、11、14、15、16及18日的数据对pH与总磷去除率的关系进行分析，pH与总磷去除率变化如图14所示。对pH及总磷去除率进行Bivariate相关性分析，结果表明，pH变化与总磷去除率并未有显著相关性。可能是生物脱磷的适宜pH大致是6.0～8.0，而该试验进水pH几乎都在适宜范围内，而美人蕉生命力较强，对水质pH变化不敏感，故pH对该模拟人工湿地系

统除磷效果影响不明显。

2.2.4 除磷效果影响因素综合分析。该模拟人工湿地运行期间总磷去除率变化如图15所示。总磷去除率总体出现先下降后上升，最后再下降的趋势，其变化趋势大体和氨氮相似。开始时随着基质吸附饱和及基质间隙堵塞，总磷去除率呈现下降趋势。随后随着污水浸泡时间加长，微生物大量附着，形成稳定的生物膜，同时植物出现明显生长，微生物和植物一方面去除水中污染物，同时也分解基质间污染物，缓解基质吸附饱和，减轻基质堵塞，总磷去除率出现上升，并且随着植物快速生长达到最高。其后花期临近，去除率出现明显下降趋势，但是花期到来后，由于开花等生殖生长过程需要大量磷元素，总磷去除率再次出现上升现象。

对5月5～29日(不含降雨)总磷去除率进行分析，总磷进出水浓度、总磷去除率及面积负荷去除率随时间变化趋势如图16所示。总磷去除率在5月24日前后虽出现明显下降趋势，但是总磷面积负荷去除率下降幅度较小，总体趋于平稳。去除率下降是由于进水总磷浓度升高，超过该模拟人工湿地去除能力，但是后期处理效果总体趋于平稳。

表2 总磷去除率与各影响因素相关性分析结果

对温度、光照强度、pH及进水总磷浓度和总磷去除率进行Bivariate相关性分析，其结果如表2所示。分析结果表明，温度与总磷面积负荷去除率、进水总磷浓度与总磷面积负荷去除率在0.01(双侧)水平有显著相关性，pH与总磷去除率、光照强度与总磷面积负荷去除率在0.05(双侧)水平有显著相关性。

温度与总磷面积负荷去除率存在明显线性关系:ξ=0.024 5T－0.459，其相关系数R为0.794(图17)，ANOVA分析显著性水平为0.000 5。由图17可知，较高的温度对总磷面积负荷去除率有积极影响，在29℃时出现最高面积负荷去除率，这主要是由于温度在一定范围内升高将促进微生物活动和光合作用。Panswad等的研究表明，聚磷菌生长的最佳温度为25～30℃［12］。进水浓度与总磷面积负荷去除率之间不存在明显线性关系，也没有看出明显规律，可能是因为系统除磷受各种外界因素综合影响较大，其散点图如图18所示。pH与总磷去除率存在明显线性关系:η=23.6pH－109.46，其相关系数R为0.574(图19)，ANOVA分析显著性水平为0.025。说明该模拟人工湿地系统对pH相对较高的污水具有更好的除磷效果。Pijuan等对EBPR除磷的研究结果也表明，7.5～8.0之间为最佳pH范围［13］。光照强度和总磷面积负荷去除率存在明显线性关系:ξ=1.62×10－6L+0.101，相关系数R为0.625(图20)，ANOVA分析显著性水平为0.011。可见，光照强度在一定范围内有助于提高总磷面积负荷率。可能是因为随着光照强度的加强，植物光合作用增强，植物对可溶性磷酸盐的吸收量增加，同时根系输氧作用增强，促进微生物好氧聚磷，提高单位面积除磷能力。

3 结论

(1)模拟人工湿地系统氨氮平均去除率为58.93%，平均出水浓度为41.31 mg/L;总磷平均去除率为73.09%，平均出水浓度2.21 mg/L。

(2)在一定范围内温度升高对系统脱氮效果产生有利影响。光照强度和氨氮去除率正相关，光照强度增强有助于系统脱氮。系统对偏碱性污水具有较好的氨氮去除效果，最佳pH为7.7～8.0之间。同时发现系统脱氮效果易受外界因素影响。温度与总磷面积负荷去除率、进水pH与总磷去除率以及光照强度与总磷面积负荷去除率均存在显著线性关系。温度升高可在一定范围内线性增强单位面积模拟人工湿地除磷能力，提高其面积负荷去除率;该模拟人工湿地系统对pH偏高的污水具有较好除磷效果;植物对除磷有不可忽视的作用。

(3)以建筑垃圾为基质的人工湿地虽然能达到较为稳定的脱氮除磷效果，而且不易出现堵塞现象，但是其出水氨氮、总磷含量较高，无法作为污水二级处理替代工艺。故在实际应用中，应该考虑建筑垃圾与沸石、钢渣等吸附效果良好的基质材料进行合理配搭。

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