基质对人工湿地污水蒸发量及净化能力的影响

徐德福,李映雪,郑建伟,赵晓莉,方 华 (南京信息工程大学,江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室,江苏 南京 210044)

基质对人工湿地污水蒸发量及净化能力的影响

徐德福*,李映雪,郑建伟,赵晓莉,方 华 (南京信息工程大学,江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室,江苏 南京 210044)

选择5种常见的人工湿地基质(土、沙、沙+土、有机质+沙和有机质+沙+土),研究了不同基质对污水蒸发量及净化能力的影响.结果表明,不同基质对污水的蒸发量存在差异,其大小顺序为:(有机质+沙+土)＞(有机质+沙)＞沙＞土＞(沙+土);有机质+沙+土和有机质+沙 2种基质的污水蒸发量显著高于其他基质(P＜0.05)并与其温度比较高有关.5种基质的温度存在差异,有机质+沙+土的温度显著高于土和沙两种基质的温度(P＜0.05),有机质+沙+土的温度比土的温度高2.2℃;相关分析显示,基质的污水蒸发量与高锰酸钾指数去除率和氨氮去除率呈正相关,其中与氨氮去除率呈显著正相关(P＜0.05).基质加入有机质可增加基质的温度,提高基质的污水蒸发量,有利于提高基质对有机物和氮的去除效率.

人工湿地；基质；污水；温度；蒸发；净化能力

蒸发是自然界水循环中重要一环,有关农业和水资源问题的研究和解决都与蒸发量有关[1].植被以及土壤性质如质地、有机质含量、水分及盐分含量对水分蒸发量均产生不同影响[2].近年来,利用人工湿地处理城市及工业排放的污水的研究颇受关注.目前研究主要集中于人工湿地基质对微生物数量[3]和酶活性[4]的影响;人工湿地基质对磷的吸附能力的影响[5-6];人工湿地基质对堵塞的影响[7];湿地土壤对苯胺的吸附能力的影响[8],垂直流人工湿地不同填料对运行效果[9]的影响等方面.而有关不同基质对污水蒸发量及净化能力的研究鲜见报道.为此,本实验选择几种常见的湿地基质,研究了不同基质对污水蒸发量及净化能力的影响,为提高人工湿地的净化能力提供理论依据.另外,人工湿地是一个开放的系统,其水分蒸发对人工湿地物质的循环与转化以及温室气体的排放等都有着重要的作用.因此,研究不同基质对污水蒸发量的影响对了解人工湿地中物质的迁移与转化有着重要的意义.

1 材料与方法

1.1 实验材料

沙子采用南京长江段支流江沙,其主要成分为二氧化硅,其粒径 0～0.25mm,0.25～0.50mm, 0.50～1.0mm,1.0～2.0mm和2.0～5.0mm的质量百分比(不同粒径沙子质量与总质量之比)分别为19.2%,31.7%,25.3%,12.5%和 11.3%.土壤取自南京信息工程大学农业试验站,土壤质地黏重,土壤有机质含量为 12.1g/kg,全氮为 0.99g/kg,碱解氮为 57.9mg/kg,速效磷为 70.94mg/kg,速效钾为50.39mg/kg,pH值为 7.26[10].有机质采用腐熟的稻草秸秆,并将其剪碎(＜1cm),备用.

1.2 装置与处理

本实验采用的实验装置见图 1,将1个塑料桶(上口直径 30cm,下底直径 23cm,高 30cm)放在1个塑料盆中(上口直径 40cm,下底直径30cm,高13cm),在塑料桶底部有6个污水通道,可实现塑料桶与塑料盆之间的污水交换.在塑料桶底部放1层尼龙网(300目),以防止基质从塑料桶中漏出.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

实验设 5个处理,分别如下:土壤(Ⅰ);沙子(Ⅱ);沙子+土壤完全混合(体积比 1:1)(Ⅲ);3%有机质与 97%沙子混合(质量比)(Ⅳ);沙子与土壤1:1(体积比)混合后再与 3%的有机质混合(质量比)(Ⅴ). 2010年3月24日分别将相同体积(7L)的上述基质放入塑料桶中,然后向每个处理中加入相同量的污水,使整个基质处于湿润状态,每种处理设3次重复,共15个处理.全部实验在塑料大棚中进行,大棚主要作用是遮雨.

1.3 污水处理实验

2010年8月2日将前期实验的塑料盆取下、洗净并向每个塑料盆中准确加入4L富营养化水,水力负荷为 8cm/d [有机负荷 CODMn为 0.65g/ (m2⋅d)],其水质见表 1. 4d后(相对于水力停留时间 4d),测定塑料盆中污水的剩余体积,并分析水中总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)和CODMn.

表1 实验用污水水质(mg/L)Table 1 The tested wastewater quality(mg/L)

1.4 指标分析与测定

污水体积直接采用量筒测定.TN、NH4+-N、NO3

--N、TP和 CODMn均采用《水和废水监测分析方法》[11]中的标准方法测定.基质表层温度采用非接触式红外测温仪(Raynger ST20,美国Raytek公司)在无风时测定,测定时间为中午12:00～13:30.测定方法为将塑料桶中的基质表层中心设一个点,围绕中心再设5个点;每个处理都在相同的位置测定6个测试点的温度,计算平均值代表该处理的温度.为了降低测定时间(顺序)对温度的影响,先按处理的编号从小号到大号依次测定,测定完成后,立即再从大到小测定.完成1次循环后,计算2次测定的平均值为基质表层的温度.

1.5 基质蒸发量和去除率计算方法

基质每日污水蒸发量=(加入污水体积－污水剩余体积) ÷ (4d×基质表面积)

基质污染物去除率=(加入污水体积×污染物浓度－剩余体积×污染物浓度) ÷ (加入污水体积×污染物浓度)

1.6 数据处理与分析

利用 DPS 统计软件进行统计分析,采用邓肯多重极差对不同处理间差异进行显著性检验,显著性水平为P=0.05.

2 结果与分析

2.1 基质的污水蒸发量

不同基质的污水蒸发量存在差异,见图2.

从图 2可以看出,5种基质的污水蒸发量的大小顺序为:处理Ⅴ＞处理Ⅳ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ＞处理Ⅲ,其中处理Ⅴ和处理Ⅳ2种基质的污水蒸发量显著高于处理Ⅰ和处理Ⅲ2种基质的蒸发量(P＜0.05),而处理Ⅱ的污水蒸发量又显著高于处理Ⅲ的污水蒸发量(P＜0.05).处理Ⅴ的污水蒸发量是处理Ⅲ污水蒸发量的1.42倍.

图2 不同基质污水的蒸发量Fig.2 The quantity of evaporation wastewater in different substrates

2.2 基质表面温度

5种基质表层温度见图3.从图3可见,5种基质表层温度存在差异,以处理Ⅴ的温度最高,且明显高于处理Ⅰ和处理Ⅱ2种基质的表层温度(P＜0.05).处理Ⅴ的表层温度比处理Ⅰ表层温度高2.2℃.处理Ⅴ、处理Ⅳ、处理Ⅲ、处理Ⅱ和处理Ⅰ的温度分别为 31.9,31.1,30.7, 30.3,29.7℃.

图3 不同基质表层温度Fig.3 The temperature of different surface substrates

2.3 基质对CODMn的去除能力

从图4可以看出,处理Ⅴ对CODMn的去除率最高,处理Ⅳ其次,处理Ⅲ对 CODMn的去除率最低,处理Ⅴ对 CODMn的去除率显著高于处理Ⅲ(P＜0.05).5种基质对 CODMn的去除率大小顺序为:处理Ⅴ(59.4%)＞处理Ⅳ(55.0%)＞处理Ⅰ(54.0%)＞处理Ⅱ(50.6 %)＞处理Ⅲ(43.8 %).

图4 不同基质对CODMn的去除率Fig.4 The removal efficiency of CODMn of different substrates

2.4 基质对NH4+-N的去除能力

从图 5可以看出,处理Ⅴ和处理Ⅳ2种基质对 NH4+-N的去除率显著高于处理Ⅰ和处理Ⅲ2种基质(P＜0.05).处理Ⅲ对NH4+-N的去除率最低,处理Ⅴ对 NH4+-N的去除率是处理Ⅲ的 1.1倍.5种基质对 NH4+-N去除率大小为:处理Ⅴ(92.3%)＞处理Ⅳ(91.8%)＞处理Ⅱ(90.7%)＞处理1(85.9%)＞处理Ⅲ(82.9%) .

图5 不同基质对NH4+-N的去除率Fig.5 The removal efficiency of NH4+-N of different substrates

2.5 基质对NO3--N去除能力

不同基质对NO3--N的去除率存在差异见图6,以处理Ⅳ对 NO3--N的去除率最高,处理Ⅴ对NO3--N的去除率其次,处理Ⅰ对NO3--N的去除率最低.处理Ⅳ与处理Ⅰ对 NO3--N的去除率存在显著差异(P＜0.05).5种基质对NO3--N的去除率大小顺序为:处理Ⅳ(84.9%) ＞处理Ⅴ(74.2%) ＞处理Ⅱ(70.6%) ＞处理Ⅲ(69.3%) ＞处理Ⅰ(65.9%).

图6 不同基质对NO3--N的去除率Fig.6 The removal efficiency of NO3--N of different substrates

2.6 基质对TN的去除能力

不同基质对TN的去除率也存在差异(图7),其中处理Ⅴ、处理Ⅳ和处理Ⅰ对TN的去除率比较高,且显著高于处理Ⅱ和处理Ⅲ(P＜0.05).5种基质对TN的去除率大小顺序为:处理Ⅴ(89.4%)＞处理Ⅳ(87.2%)＞处理Ⅰ(86.6%)＞处理Ⅱ(69.4%)＞处理Ⅲ(64.8%).

图7 不同基质对TN的去除率Fig.7 The removal efficiency of TN of different substrates

2.7 基质对TP的去除能力

不同基质对TP的去除率见图8,从图8可以看出处理Ⅱ对 TP的去除率最高,处理Ⅲ其次,而处理Ⅳ最低,其中处理Ⅱ对 TP的去除率显著高于其他基质对TP的去除率(P＜0.05).

图8 不同基质对TP的去除率Fig.8 The removal efficiency of TP of different substrates

5种基质对TP的去除率大小顺序为:处理Ⅱ(89.2%) ＞处理Ⅲ(63.0%) ＞处理Ⅰ(54.2%) ＞处理Ⅴ(44.9%) ＞处理Ⅳ(41.8 %).

3 讨论

不同基质的污水蒸发量存在差异,其大小顺序为处理Ⅴ＞处理Ⅳ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ＞处理Ⅲ.处理Ⅱ与处理Ⅰ相比,处理Ⅰ质地黏重,孔隙度比较低,而处理Ⅱ的孔隙度比较高,因此,沙子的污水蒸发量高与其孔隙度含量比较高有关.韩任峰等[12]比较了 2种质地土壤的水分蒸发量,发现轻壤土水分蒸发量大于重壤土.刘福汉等[13]也报道,轻壤土的水分累计蒸发量和日蒸发量均大于表黏层轻壤土,主要与土壤毛管水上升速度轻壤土＞表黏层轻壤土有关,因为毛管水上升速度与黏土的性质有关,黏粒的表面积大,毛管孔隙直径很小,对土壤毛管上升水流摩擦阻力大,吸附力强,因而传导慢,降低了毛管水上升的速度,从而对水蒸发的阻滞力较大.处理Ⅲ的污水蒸发量低于处理Ⅱ与处理Ⅰ的污水蒸发量可能与沙子加入土壤后,切断土壤的毛细管,从而导致处理Ⅲ的蒸发量小于处理Ⅰ,相应地土壤与沙子混合后沙子的孔隙度降低,也导致处理Ⅲ的污水蒸发量低于处理Ⅱ.关红杰等[14]也报道,砂石覆盖能起到抑制土壤蒸发的作用,主要是由于疏松的砂石层切断了土壤的毛细管作用,抑制了土壤水分蒸发.处理Ⅴ和处理Ⅳ两种基质的污水蒸发量高于处理Ⅱ和处理Ⅰ(P＜0.05),可能与有机质的加入有关,有机质的加入可进一步改善沙子和土壤的孔隙度,从而导致处理Ⅳ和处理Ⅴ的污水蒸发量高于沙子.该结果与王珍等[15]的研究相一致.另外,处理Ⅴ和处理Ⅳ两种基质的污水蒸发量高于处理Ⅱ和处理Ⅰ还与其表层温度比较高有关(图 3).蓝智君等[16]研究发现土壤水分蒸发强度受温度和有机质含量的影响,即有机质含量高的土壤,色泽深,吸热性能强,土壤温度也高,蒸发量大,且土壤饱和导水率与有机质含量呈正相关.因此,处理Ⅴ和处理Ⅳ两种基质的蒸发量高于其他3种基质,与其有机质的加入,基质表层温度比较高有关.

基质的污水蒸发量与 CODMn、NH4+-N、 NO3--N、TN和TP的去除率相关分析见表2.

表2 不同指标的相关性Table 2 Correlation of different indicators

从表2中可以看出,蒸发量与CODMn去除率呈正相关,而与 NH4+-N去除率呈显著正相关(P＜0.05).即基质的水分蒸发量越大,对CODMn和NH4+-N的去除率越高,其原因可能与CODMn和NH4+-N的去除途径有关.有机物的去除过程包括吸附和降解,水分蒸发越多,更多的有机物将在基质表层积累,有利于基质对有机物的吸附和微生物降解,从而提高CODMn去除率.NH4+-N的去除过程包括挥发、基质吸附和硝化与反硝化脱氮,水分蒸发量越多,可能导致更多的 NH4+-N以挥发的途径去除.夏发辉[17]报道当氨氮浓度低于100mg/L时,随着初始浓度的增加,蛭石对氨氮的去除率增加.因此,NH4+-N去除率的增加可能与污水蒸发量高,NH4+-N的积累,增加了基质对NH4+-N 的吸附有关.图 6可以看出,土壤对NO3

--N的去除率最低,可能与NO3--N带负电荷,土壤也带负电荷,而同种电荷相排斥有关,从而降低了基质对NO3--N的吸附.在本实验中,基质对CODMn去除率与 TN去除率呈显著正相关(P＜0.05)(表 2),主要与氮的硝化与反硝化途径有关.因为微生物硝化与反硝化越强,氮去除越多,相应地需要供给微生物的碳越多,而微生物的生长与繁殖所需要的碳源与能源是由有机物供给,从而导致对有机物的去除率提高.从图8可以看出,沙子或土壤中加入有机质后基质对磷的去除率降低,其原因可能是:有机分子与磷竞争矿物表面的吸附点.有机质吸附在土壤的非特殊吸附点上,增加了土壤的负电荷,增强对磷的排斥作用,而减少对磷的吸附[18-19].有机质含有一定的磷量[20],加入有机质后基质对磷的去除率降低可能与有机质中磷的溶出有关,因此,基质中有机质含量的增加不利于磷的去除.

从图4～图7可以看出,无论是沙子还是土壤,加入有机质均能提高对 CODMn、NH4+-N、NO3--N、TN的去除率,其原因可能有3方面:一是有机质的加入为微生物提供了碳源与能源,从而提高了基质中微生物的活性,有利于污水中有机物的分解和硝化与反硝化脱氮.二是有机质的加入提高了基质的温度,加快了基质中的反应速度,从而在一定程度上提高了基质的净化能力.三是有机质加入基质后提高了基质的蒸发量,有利于基质对有机物和氮的吸附,提高对有机物和氮的去除效率.上述结论也说明,在冬季,特别是在北方,适当的有机质覆盖基质,可以达到人工湿地保温的效果,有利于提高人工湿地的净化能力.

4 结论

4.1 不同基质表层温度存在差异,以处理Ⅴ的温度最高,而处理Ⅰ和处理Ⅱ2种基质的表层温度则比较低,处理Ⅴ的表层温度比处理Ⅰ的表层温度高2.2℃.不同基质的蒸发量也存在差异,其大小顺序为:处理Ⅴ＞处理Ⅳ＞处理Ⅱ＞处理Ⅰ＞处理Ⅲ,处理Ⅴ和处理Ⅳ的蒸发量比较高与其温度较高有关.

4.2 基质蒸发量影响了基质对污水的净化能力,其中蒸发量与 CODMn去除率呈正相关,而与NH4+-N去除率呈显著正相关(P＜0.05).基质中加入有机质可以提高基质对有机物和氮的去除率.

4.3 有机质加入基质可增加基质温度,增加基质的蒸发量,提高基质对有机物和氮的去除率.在冬季由于人工湿地中植物的枯死,基质对人工湿地污水的去除具有重要的作用,选择合适的基质有利于提高人工湿地的净化能力.

[1] 汪增涛,孙西欢,郭向红,等.土壤蒸发研究进展 [J]. 山西水利, 2007,1:76-78.

[2] 孙 艳,王益权,刘 军.紧实胁迫条件下土壤水分的蒸发及数学模拟 [J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2009,37(11): 219-223.

[3] Liang Wei, Wu Zhen-bin, Cheng Shui-ping, et al. Roles of substrate microorganisms and urease activities in wastewater purification in a constructed wetland system [J]. Ecological Engineering, 2003,21,191–195.

[4] 吴振斌,梁 威,成水平,等.人工湿地植物根区土壤酶活性与污水净化效果及其相关分析 [J]. 环境科学学报, 2001,21(5):622-624.

[5] 崔理华,朱夕珍,骆世明.人工湿地基质磷吸附特性与其物理化学性质的关系 [J]. 中国环境科学, 2007,27(2):250-254.

[6] Xu Defu, Xu Jianming, Wu Jianjun, et al. Studies on the phosphorus adsorption capacity of substrates used in constructed wetland systems [J]. Chemosphere, 2006 (63):344-352.

[7] 叶建锋,徐祖信,李怀正.垂直潜流人工湿地堵塞机制:堵塞成因及堵塞物积累规律 [J]. 环境科学, 2008,29(6):1508-1512.

[8] 宋艳宇,宋长春,柴俊海,等.三江平原湿地土壤对苯胺的吸附-解吸作用 [J]. 中国环境科学, 2008,28(9):781-785.

[9] 武俊梅,王 荣,徐 栋,等.垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究 [J]. 中国环境科学, 2010,30(5):633-638.

[10] 郑有飞,石春红,吴芳芳,等.大气臭氧浓度升高对冬小麦根际土壤酶活性的影响 [J]. 生态学报, 2009,29(8):4386-4391.

[11] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002:254-257.

[12] 韩任峰,李玉山.两种质地土壤的蒸发性能及表层松土的墒情效应 [J]. 土壤通报,1982,13(6): 4-7.

[13] 刘福汉,王遵亲.潜水蒸发条件下不同质地剖面的土壤水盐运动[J]. 土壤学报, 1993,30(2):173-181.

[14] 关红杰,冯 浩.砂石覆盖厚度和粒径对土壤蒸发的影响 [J].灌溉排水学报, 2009,28(4):41-44.

[15] 王 珍,冯 浩.秸秆不同还田方式对土壤结构及土壤蒸发特性的影响 [J]. 水土保持学报, 2009,23(6):224-228.

[16] 蓝智君,赵 英. 黑土有机质含量与土壤水分蒸发关系的研究[J]. 农业系统科学与综合研究,2000,16(2):145-148.

[17] 夏发辉.人工湿地中新型填料净化污水能力研究 [D]. 株洲:中南林学院, 2003.

[18] Moshi A O, Wild A, Greenland G D. Effect of organic matter on the charge and phosphate adsorption characteristics of Kiuyu red clay from Kenya [J]. Geoderma, 1974,11:275-285.

[19] Erich M S, Fitzgeald C B, Porter G A. The effect of organic amendments of phosphorus chemistry in a potato cropping systems [J]. Agriculture, Ecosystems and Environments, 2002,88: 79-88.

[20] 高新昊.农作物秸秆资源化利用及日光温室番茄长季节栽培肥水管理技术 [D]. 南京:南京农业大学, 2006.

Effect of substrates on evaporation and purification of wastewater in constructed wetland.

XU De-fu*, LI Ying-xue, ZHENG Jian-wei, ZHAO Xiao-li, FANG Hua(Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：927～932

The study investigated the effect of five common substrates (soil, sand, a mixture of soil and sand, a mixture of sand and organic matter, and a mixture of sand, soil and organic matter) on evaporation and purification of wastewater in constructed wetland. The evaporation capacities of wastewater in the substrates were different following the order of mixture of sand, soil and organic matter＞ mixture of mixture of sand and organic matter＞ sand ＞ soil ＞ mixture of sand & soil. The evaporation capacity was significantly higher in the mixture of sand, soil and organic matter and the mixture of sand and organic matter than in the other three tested substrates (P＜0.05),which was related to the substrate temperature. Temperatures of the five substrates were different and the mixture of sand, soil and organic matter had significantly high temperature compared with soil or sand (P＜0.05). The temperature of the mixture of sand, soil & organic matter was 2.2℃ higher than that of the soil. The correlation analysis showed that there was significantly positive correlation between the evaporation capacity of wastewater and the removal efficiency of NH4+-N (P＜0.05). The addition of organic matter can increase the temperature and evaporation capacity of wastewater in the substrate, which contribute to the enhanced removal efficiency of organic carbon and nitrogen in the wastewater.

constructed wetland；substrate；wastewater；temperature；evaporation；purification capacity

X506

A

1000-6923(2011)06-0927-06

2010-10-08

国家自然科学基金资助项目(40901257);环保公益性行业科研专项(201009012);江苏省高等学校实践创新训练计划项目(09CX0021)

* 责任作者, 副教授, zysdfx@sina.com

徐德福(1975-),男,贵州遵义人,副教授,博士,主要从事污染水体生态修复研究.发表论文27篇.