堵塞对垂直流人工湿地中酶活性和污染物去除效果的影响

＊许巧玲 温学园 汪丽 张凤 王萍

（安顺学院 贵州 561000）

1.前言

人工湿地是一种成熟的处理技术，处理效果好，成本 低，但是随着湿地系统的运行，堵塞成为目前人工湿地运行中不可避免的重要问题，也是影响湿地可持续除污的主要因素之一。研究湿地堵塞后对目标污染物去除的影响对湿地系统的科学运行和管理有实际意义。人工湿地根据其水流方式不同分为表面流湿地，潜流湿地和垂直流湿地三种类型。其中，垂直流人工湿地占地面积较小，有较强的输氧能力，对有机污染物去除有较好的效果，因此被广泛应用于污水处理当中。然而，在实际应用过程中，垂直流人工湿地更容易发生堵塞，基质堵塞会严重阻碍氧运输，导致有效孔隙减小，从而导致系统除污效果降低。孔隙度可以作为衡量基质堵塞的指标。本实验模拟构建两个垂直流人工湿地（湿地CW-B和湿地CW-C），为了排除植物根系对基质的干扰，直接研究基质中物质的累积情况，实验系统都没有种植湿地植物。两个系统的主要填料为河砂，CW-B系统表层添加了生物炭，CW-B为对照（未添加生物炭），实验期间对比了两个系统在运行过程中的除污效果和基质酶活性，为湿地堵塞后的科学管理提供依据。

2.材料方法

(1)构建垂直流人工湿地

实验设置2个平行的垂直流人工湿地，分别为CW-B系统和CW-C系统。湿地构筑物尺寸统一为88cm×67cm×65cm（长度×宽度×高度），自下而上依次铺设15cm厚的砾石块，30cm厚的河砂，20cm的布水区。CW-C系统为对照系统，CW-B系统中表面基质添加少量生物炭。生物炭是废弃生物质在厌氧条件下热解得到的富碳产物。许多研究表明，生物炭具有较大的比表面积、高的多孔结构和较强的阳离子交换能力，可以有效地去除废水中的污染物，也证明生物炭的添加可以改变微生物群落结构，从而提高氮的去除效果。系统在试运行挂膜两周后，于2020年9月13日开始正式运行，采用计量水泵灌水，水力负荷为10cm/d。每周检测一次水质指标。

图1 人工湿地剖面图

(2)进水水质

表1 人工湿地进水水质

(3)指标检测方法

①基质孔隙度检测

取垂直流人工湿地中0～10cm、10～20cm、20～30cm中的基质各10ml（V），烘干后称其重量（ms），根据以下公式计算：

式中，Gs为基质比重；ρw为4℃时蒸馏水的密度：ρd为干密度，ρd=ms/V；ms为烘干基质的重量；V为基质的体积。

基质比重采用比重瓶法测定：先将烘干的比重瓶注满蒸馏水，称瓶加水的重量。再将烘干基质若干克装入比重瓶中，注满蒸馏水，称瓶加基质加水的重量，按下列公式计算：

式中，m1为瓶加水的重量；m2为瓶加基质加水的质量。

②水质指标和酶活性的检测

脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶；TN、TP、COD采用国标法测定。

(4)数据分析

利用Excel2007和SPSS(IBM)26.0软件计分析的平均值和标准误差。本文的统计分析重复为绝对样品重复。

3.结果分析

(1)垂直流人工湿地基质孔隙度

图2 湿地系统中基质孔隙度垂向变化

大量研究已经证实孔隙度可以作为评价堵塞的重要参数。系统运行一个月后就发生不同程度的堵塞，实验结束后，通过监测不同基质层的孔隙度发现两个系统中三个层次中孔隙度大小都表现为上层＞下层＞中层，中层的孔隙度最小，可能因为随水流动方向的影响，导致该实验中不可滤物质主要积累在中层。

(2)湿地系统中污染物去除效果变化

随着系统运行，11月21号CW-B出现上层基质完全雍水，CW-C仅出现小面积雍水。从图3中可看出CW-B和CW-C中TN的平均去除率分别为23.8%，20.8%；COD的平均去除率皆大于77%；TP的平均去除率分别为29.5%，26.8%。实验中添加生物炭基质的CW-B系统在TN、TP的去除效果高于不添加生物炭基质的对照系统CW-C。该实验中堵塞对COD的去除影响不大，直到实验结束，堵塞严重的CW-B系统中COD去除率仍高达87.2%，CW-C中COD去除率为71.8%。堵塞对TP去除影响最大，实验结束时（1月24号），CW-B系统已经严重堵塞2个月，堵塞面积为0.589m2，CW-C系统为部分堵塞，堵塞面积为0.236m2。实验结束时CW-B中TP去除率为4%，CW-C中TP去除率为-9.8%。堵塞程度严重、堵塞时间更长的CW-B系统中TP平均去除率高于CW-C系统中TP的平均去除率。

图3 湿地中各污染物去除效果变化

(3)湿地系统中酶活性变化

图4 湿地中酶活性变化

实验结束后CW-B、CW-C系统中磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性分别为0.89mg/100g·24h、1.11mg/100g·24h、0.15mL/g·20min和0.33mg/100g·24h、0.93mg/100g·24h、0.10mL/g·20min，系统CW-B中的酶活性整体比CW-C系统中的高。

4.讨论

(1)垂直流人工湿地堵塞后对污染物去除效果影响

实验中系统CW-B和系统CW-C去除COD效果都较好，即使两个系统都出现堵塞情况，COD的平均去除率皆大于77%，说明湿地基质堵塞对COD去除效果影响不大，Vymazal调研运行15年后出现积水现象的水平潜流人工湿地对出水COD没有显著影响。两个系统中TN的平均去除率整体偏低，究其原因是由于TN的降解主要靠生物的硝化和反硝化过程，其中反硝化是N完全去除的主要途径，该实验中两个系统中溶解氧平均含量都大于3mg/L，从而导致两个系统的TN平均去除率整体偏低。该实验中，CW-B系统堵塞时间比CW-C的堵塞时间更长，但是CW-B中TP的平均去除率更高，究其原因有两点：①CW-B系统中与磷去除相关的磷酸酶比CW-C系统中活性更高；②CW-B系统中0～10cm基质层中含磷量显著高于CW-C系统中含量，添加生物炭更利于表层基质磷的吸附截留。

(2)垂直流人工湿地堵塞后的酶活性变化

系统CW-B和系统CW-C中的脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶都表现出一致规律，统CW-B大于系统CW-C，究其原因可能因为生物炭的添加，更有利于微生物在基质层附着繁殖。系统堵塞后两个系统中磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性范围分别为0.33～0.89mg/100g·24h、0.93～1.11mg/100g·24h、0.10～ 0.15mL/g·20min比之前酶活性的研究低一个数量级，从酶活性角度看堵塞会降低相关酶活性，尽管在该实验中COD的去除率变化不大，但从长远看仍然会影响COD的降解，因为在湿地中COD降解主要依靠微生物分解作用。

5.结论

在该垂直流人工湿地中，堵塞主要发生在中层10～20cm层，在基质中添加生物炭可以提高脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性，有利于提高湿地TN、TP、COD的去除效果；堵塞初期，堵塞对COD影响最小，对TP影响最大。长期堵塞会降低磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性。