不同级配基质垂直流人工湿地对中水的净化效果分析

盛辛辛，赵凤岐，曹谨玲，刘青

（山西农业大学 动物科技学院，山西 太谷030801）

近年来，随着经济社会的快速发展，我国水污染日益严重，水资源的压力也不断增大。目前国内外建立的污水处理工艺一般为二级工艺设计，但实际运行当中由于受污水量、处理费用、设备处理能力等多种因素的限制，处理后的中水仍处于富营养化状态。因此，节能降耗型的水处理技术成为生态环境建设中重要的研究课题。人工湿地作为新型的污水处理技术，其工艺简单、成本低、管理方便，对于城市节能减排、废水利用、改善生态环境具有十分重要的现实意义。近几十年来，德国、美国等国家人工湿地发展迅速，应用范围不断扩大，除了用于处理城市污水外，还应用于家畜与家禽粪水、面源污染［1］、工业废水、暴雨径流［2～3］、垃圾场渗滤液、富营养化湖水［4］的处理。据统计，我国废水中生活污水占总排放量的53．8%［5］，在污水处理的总量中占有很大的比例。从目前情况看，利用人工湿地处理以生活污水为主的中水，并用于水产养殖的研究还相对较少。鉴于此，本试验把经二级处理后的生活污水，引入不同基质配比的复合垂直流人工湿地小试系统，从防止湿地堵塞，提高氮磷去除效果出发，重点研究了植物湿地床基质材料的科学选择和配比对中水深度净化的影响，使处理后的水质符合生态渔业用水指标。

1 材料与方法

1．1 试验系统进水水质

本试验所用湿地进水为中水，其水质透明度低，氮磷含量高，呈严重富营养化状态。且水面有一定量的悬浮物，夏季高温季节腥臭味明显，其水质指标见表1。

表1 中水水质指标表Table 1 Index changes of reclai med water

1．2 试验动物

选用体质健壮，无伤病的红鲫鱼500尾、孔雀鱼100尾、长尾金鲫100尾。红鲫鱼和长尾金鲫由太原鱼种场提供，红鲫鱼平均体长（3．80±0．56）c m，平均体重（2．66±0．61）g，长尾金鲫平均体长（8．20±0．62）c m，平均体重（11．50±0．48）g。孔雀鱼购自太谷县花鸟市场。

1．3 人工湿地小试系统

本处理系统位于山西农业大学动物科技试验站，由预处理池（二级沉淀）、高位储水设备和湿地组成（见图1）。其中，湿地采用填充不同基质配比的玻璃钢箱（0．9 m×0．6 m×0．6 m）组成，按不同高度梯度分A、B、C三级，高度差为0．4 m。其中A级为下行流湿地单元（芦苇），B级为上行流湿地单元（美人蕉），C级为下行流湿地单元（水蓼）。小试系统进水采用自制打孔PVC管布水，出水口位于箱体底部，连接PVC出水管。高位储水箱、植物滤床与养殖池相连接的进出水管道，均装有阀门和水龙头，可自由调控进出水流量。试验共设4个组，每组设置3个重复，基质配比见表2。基质材料粗炉渣、煤矸石取自学校锅炉房，其余基质材料购于建材市场。本试验使用的石灰石粒径为10～40 mm，粗沙粒径为2～5 mm，煤矸石粒径为20～60 mm，卵石粒径为8～20 mm，碎石粒径为5～20 mm，粗炉渣粒径为20～70 mm。

表2 人工湿地基质配比Table 2 The Substrate composition in constructed wetlands

图1 复合垂直流人工湿地平面图Fig．1 Plan of integrated vertical－flow constructed wetland

1．4 系统运行条件

本研究小试系统植物生物滤床设置于二级沉淀池附近，7、8月高温季节设置遮荫网，防止试验箱内水温过高。此垂直潜流湿地进水后水位保持在粗沙层以上5～8 c m。试验时间为2010年7月16日至2010年8月20日。湿地采用间歇进水，日进水次数为两次，水力停留时间为24 h。

1．5 养殖试验

红鲫鱼用于各试验组养殖试验，孔雀鱼用于出水的繁殖试验，分别分为四个试验组和对照组，试验组分别用各组出水养殖，对照组用自来水养殖，红鲫鱼每组用鱼100尾；孔雀鱼每组雌雄各10尾；长尾金鲫用于湿地总出水养成试验。

1．6 指标测定

氨氮、亚硝酸盐、磷、溶解氧、p H等水质指标采用意大利哈纳（HANA－HI9804）多用途多参数水质综合流动实验室配套装置进行快速检测，其中溶解氧和p H为电极法；鱼的体重用电子天平称量，体长用直尺测量。

1．7 数据处理

运用SPSS19．0统计软件处理试验数据，通过单因子方差分析和Duncan＇s多重比较，显著水平以P＜0．05为标准。鱼体试验中的成活率和增重率计算公式如下：

2 结果与分析

2．1 人工湿地不同基质结构对溶解氧和p H的影响

从表3可以看出，四组出水的溶解氧含量都显著降低，经方差分析，四组出水都显著低于进水（p＜0．05），其中第一和第四组相对较高。

由表4可知，本试验中四组出水的p H相差不大，但与进水有显著性差异（P＜0．05），四组出水p H相对进水来说都有下降，但是下降幅度不大。试验中第一、三和四组的基质配比中都有粗炉渣，炉渣中含有的 Ca O、Mg O、Fe2O3、Al2O3、K2O、Na2O等碱性氧化物被水浸泡后进入水体中，能提高水的碱度［6］，因此出水p H都保持碱性。

表3 人工湿地各组进出水溶解氧含量变化（平均值±标准误）Table 3 Dissolved oxygen content of wetland influent and effluent water（Mean± SD）

表4 人工湿地各组进出水p H变化（平均值±标准误）Table 4 The change of p H of wetland influent and effluent water（Mean±SD）

2．2 人工湿地不同基质级配对氨氮去除率的影响

氨氮含量是衡量水体污染和富营养化程度的重要指标。污水中氨氮去除主要靠基质和植物根系表面微生物的硝化和反硝化作用［7～10］。本试验是在各小试单元植物配比结构和填料粒径一致的条件下来观测不同基质配制结构对氨氮去除率的影响。从表5可以看出，四组出水的氨氮含量与进水相比都显著降低（P＜0．05），且各组之间均有显著性差异，氨氮平均含量第三组＜第一组＜第四组＜第二组，这表明基质级配对湿地去除氨氮效果有较大影响。基质配比中有炉渣填料的第一、三、四组对氨氮的去除效果较好，其氨氮的去除率分别为83．54%、85．15%、80．41%，而用煤矸石和石灰石作填料的第二组的去除氨氮效果最差，去除率为69．02%。

表5 人工湿地各组进出水氨氮含量变化（平均值±标准误）Table 5 Change of Ammonia nitrogen content in wetland influent and effluent water（Mean±SD）

2．3 人工湿地不同基质级配对亚硝酸氮含量的影响

四组出水亚硝酸盐含量与进水相比都显著升高（P＜0．05），且各试验组差异显著（P＜0．05）。而在第1、第6和第8次测定中，第一组和第四组差异不显著（P＞0．05）（表6）。从表6可知，第一和第四组出水亚硝酸盐含量较高，效果较差。

表6 人工湿地各组进出水亚硝酸盐含量变化（平均值±标准误）Table 6 Change of Nitrite content in wetland influent and effluent water（Mean± SD）

2．4 人工湿地不同基质结构对磷的影响

从表7可知，四组出水的磷含量与进水相比均显著降低（P＜0．05），但在8次观测中第一与第二、第四组分别有5次差异不显著（P＞0．05），这表明第一和第二、第四组去除磷效果相近。第三组与第一、二、四组有显著性差异，且第三组出水磷的平均含量最高，这表明卵石粗炉渣组去除磷效果最差。

表7 人工湿地各组进出水磷含量的变化（平均值±标准误）Table 7 Change of Phosphorus content in wetland influent and effluent water（Mean± SD）

2．5 养殖试验观测结果

各组湿地出水养殖的红鲫鱼成活率都在94%以上，增重率与用自来水养殖的对照组红鲫鱼相比差距不大，其中第二、第三组的增长率高于对照组。用四组湿地出水养殖的孔雀鱼均能够正常生长繁殖，子鱼成活率都在83%以上（表8）。用总出水养殖的长尾金鲫的成活率为99%，平均增重率为87．9%。

3 讨论

3．1 人工湿地基质填料的选择

Vacca等［11］的研究表明，人工湿地对营养物质起主要转移和矿化作用的是基质中的微生物。苗伟红［12］报道，基质的比表面积越大，对生物膜的生长环境越有利，就越利于除氮。人工湿地对磷的去除是植物的吸收、微生物的去除作用［13］和基质的理化作用等共同作用的结果，但其中最主要的是基质对磷素的吸附作用［14］。连小莹等［15］对炉渣芦苇床湿地的研究得出氨氮去除率为80．1%，碎砖、砾石细砂组合的芦苇床湿地的氨氮去除率为68．5%。本试验是在各组湿地植物种植结构相同的条件下，考察了不同基质配比结构对氨氮和活性磷的去除效果。试验中，第一、三、四组的基质配比中都含有粗炉渣，这三组对氨氮的去除率分别为83．54%、85．15%、80．41%，大于刘慎坦等［16］的单一炉渣基质的去除率59．6%。这说明粗炉渣要与其他基质合理搭配，才能达到更好的去污效果。

表8 湿地出水养殖鱼成活和发育情况Table 8 Survival and develop ment of fish

本试验结果表明，卵石、粗炉渣、碎石、粗沙组合效果最好。其它组合中有粗炉渣的试验组效果好，无粗炉渣的效果较差。综合考察粗炉渣优点有二：第一，表面粗糙，呈蜂窝状结构，内部孔隙率高，比表面积大，既有利于微生物的附着生长，促进基质生物膜的形成，又可增强基质通气性，便于基质复氧，增强氨氮转化的效率。粗炉渣质地较硬，且不易碎，有利于解决目前人工湿地易堵塞，影响其使用年限的难题。第二，粗炉渣来源广泛，价格低廉，有利于合理利用资源、以废治废。鉴于以上原因，粗炉渣可作为人工湿地基质填料的首选。

3．2 溶解氧、p H对氨氮－亚硝酸盐氮转化的影响

人工湿地中，微生物作用于氨氮的过程为正反两个方面。在有氧条件下氨氮在硝化细菌、亚硝化细菌的作用下转化为亚硝酸盐氮、硝酸盐氮，即硝化反应。缺氧条件下在反硝化细菌作用下硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，即反硝化作用。氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的相互转化是一个动态反应，受p H、温度、溶氧诸环境因子影响［5］。本试验四个组出水亚硝酸盐氮含量与进水相比较，都有不同程度升高，而亚硝酸盐氮作为中间产物，其含量升高，说明湿地硝化与反硝化作用都正在进行之中，且反硝化作用占主要方面，这可能与污水在湿地中停留时间短有关。这也提示：需通过调节湿地的水力停留时间和水力负荷降低其含量，此问题也有待进一步研究。

本试验湿地进水p H平均为8．87，四组出水p H在7．94～8．09之间，而硝化细菌的适宜p H是7．8～8．9，反硝化细菌的适宜p H 为7．0～8．0，湿地硝化和反硝化作用在此范围内均可进行，亚硝酸盐氮升高说明此p H更有利于反硝化作用。尽管湿地p H降低，但仍呈弱碱性环境，这与湿地基质呈碱性环境有关，而这种弱碱性水环境对于鱼类养殖是适宜的。

本试验进水溶氧平均为7．98 mg·L－1，四组出水溶氧降低，在1．93～3．25 mg·L－1之间，这显示湿地硝化作用对氧的消耗，是污水处理中的正常现象。在上述溶氧范围内硝化作用仍可顺利进行，因此溶解氧不是造成亚硝酸盐氮升高的原因，但随着溶氧降低，硝化作用向反硝化方面转化。当然，水体溶氧低的情况下，进行鱼类养殖时需要采取增氧措施。

3．3 根据不同的养殖对象，建立不同层次的渔业水质指标

在渔业用水中氮磷含量是重要水质指标。从表5和7可知，本试验中设置的四个组合，其出水氨氮含量在0．83～1．60 mg·L－1之间；出水活性磷含量在分别为0．05～0．11 mg·L－1之间。我国湖泊水质是以鲤科鱼类为标准的，氨氮含量以0．05～0．10 mg·L－1为允许值［17］，本试验氨氮含量略超出此标准。但是，目前国内已开始采用一些定量指标来判断和指导养鱼的水库和库湾水质肥度，试验出水水质可作为湖泊、水库、湿地生态养殖用水。王武［17］研究认为，精养鱼池在夏秋季节氨氮含量通常在0．5～4 mg·L－1之间，参照这一范围，本试验出水氨氮也符合池塘渔业用水要求。本试验从表8人工湿地出水用于红鲫、长尾金鲫的养成试验以及孔雀鱼的繁殖试验看，均取得好的效果。

关于渔业用水，不同国家有不同标准。欧洲内陆渔业委员会经过对鲑鳟鱼类慢性毒性试验建议以氨氮含量0．02 mg·L－1为渔业用水标准。有些国家的水质标准中，对湖水水质已制定了全氮标准，如日本规定水的硝态氮或亚硝态氮均不超过10 mg·L－1。我国渔业养殖模式主要有海淡水的工厂化养殖、池塘养殖以及湖泊、水库养殖等各种方式，养殖对象千差万别，对水体的生境条件也有不同要求，所以针对不同养殖环境制定不同水质标准有待进一步研究。吴振斌等［18］首次将复合垂直流人工湿地同池塘养殖结合，通过构建养殖湿地生态系统，验证了人工湿地对水产养殖用水和废水净化与回用的可行性。但随着我国人工湿地在生态环境建设中的广泛应用，污水的深度净化，用于水产养殖并制定不同层次的水质标准仍是一个需要重点研究的问题。

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