滇池湖滨带人工湿地净化能力研究探讨

中国环境学会  2011年 03月31日


  夏峰,云南省环境科学研究院,13888295588,云南省昆明市气象路王家坝23号,650034;
  李杰,云南省环境科学研究院,13987160394,云南省昆明市气象路王家坝23号,650034;
  陈静,云南省环境科学研究院,13708868882,云南省昆明市气象路王家坝23号,650034。
   
  摘要:本文分析了滇池湖滨带人工湿地各级结构单元的水质指标数据,从PH、SS、BOD5、CODcr、TP、TN的污染消减规律入手,深入探讨了人工湿地对污染河水的净化效果。结果表明:1)人工湿地系统对TP、TN的消减效果最好;CODcr消减效果最差;2)湿地构造及植物群落影响人工湿地对污水的净化能力。
  关键词:人工湿地,净化能力,消减规律


  Abstract: Based on the water quality data of constructed wetland lying on the lakeshore of the Dianchi Lake, the pollutant removal rule of PH、SS、BOD5、CODcr、TP and TN reflected the purification effects of the polluted water. Results showed that: 1) the purification effect in thems of TP and TN was obviously superiority, wherever, effect of CODcr therm was not notable. 2) The wetland structures and the vegetational community bring significant influence on the pollutant removal effect.
  Key words: Constructed wetland, The purification effect, The pollutant removal rule
   
  人工湿地是一种人工建造和监督控制的与自然湿地相类似的地面,由砾石、煤渣、沙和土壤等按一定比例组成基质,并栽种人工选择的水生植物而构成的独特的动植物生态系统(白晓慧等,1999)。湿地净化水质的功能实质上是通过植物吸收及微生物分解等物理化学作用,将流经湿地的污水中含有的悬浮物、营养物、有毒物等固定和沉积在湿地生态系统中。目前,欧州和北美地区已建立大量不同模式的人工湿地系统拦截陆源营养物质;国内也相继建立人工湿地用于实验研究及城市污水的处理(Yonika et al, 1978; Brix et al, 2001; 刘高燕等, 2006; 李兵等, 2008; 敖子强等, 2009)。人工湿地具有投资少、运行成本低、能耗少、环境美化度高、污染物浓度限制小等优点,对净化排水量日变化系数变量大及污染物浓度不定的入湖河流水质尤其适用。本文分析了滇池入湖河流人工湿地各层次结构单元水质指标,讨论了不同湿地构造及植物群落对湿地净化功能与机制的影响,为合理利用与科学管理人工湿地提供技术支持。
   
  1 区域概况


  滇池福保复合人工湿地位于云南省昆明市滇池入湖河流大清河与海河入湖口之间(见图1)。地理坐标为24°56′13″N,102°41′17″E,海拔1887 m。该区年均温约14.5℃,最热月(7月)平均温度约19.7℃,最冷月(1月)平均温度为7.5℃,年平均降雨量为800~1200 mm,空气相对湿度为74%,年度无霜期为270 d(Long et al,2009)。该区为典型的山地低海拔季风气候,无明显冬夏季节变化,但具有典型的旱雨两季。
  福保人工湿地是滇池湖滨带第一块规模化人工湿地,主要处理海河输送的昆明市城市生活污水。福保人工湿地由昆明市环境科学研究所设计,占地约1.33公顷。工程于2004年6月底建成,理论水力停留时间为5天,工艺流程由污水预处理、漂浮植物塘、潜流式碎石滤床和稳定塘等部分组成。


  2 研究方法


  2008年12月至2009年11月期间,本课题组每月在福保人工湿地采集水质样品。采样站位按照水流方向,在人工湿地不同层次单元的出水口设置,采样点设置见表1和图2。水质指标PH、SS、BOD5、CODcr、TP、TN由云南省环境科学研究院环境分析测试中心测定。
  为去除下雨、干旱、污水出水量、植物生长阶段等外部干扰因素,本研究取12个月水质指标的平均值,得到水质指标的年平均值。数据曲线由软件TILIA处理获得。
  表1. 滇池福保人工湿地采样站位

  采样站位

位置

植物

DQ-01

沉淀池

DQ-02

氧化塘

水葫芦

DQ-03

表流湿地(人工曝气)

芦苇

DQ-04

潜流式碎石滤床

马蹄莲

DQ-05

潜流式碎石滤床

美人蕉

DQ-06

潜流式碎石滤床

旱伞竹

DQ-07

稳定塘

水葱、水葫芦


  3 结果与讨论
  表2为滇池福保人工湿地年平均水质指标结果,图3为各站位污染指标变化图。
  表2. 2009年滇池福保人工湿地年平均水质指标

   

pH

SS

(mg/l)

BOD5

(mg/l)

CODcr

(mg/l)

TP

(mg/l)

TN

(mg/l)

DQ-01

7.70

60.41

26.98

63.44

1.25

9.36

DQ-02

7.82

48.05

22.03

60.44

1.18

7.17

DQ-03

7.78

43.50

18.37

46.14

1.10

6.01

DQ-04

7.71

35.76

15.95

46.33

0.96

4.37

DQ-05

7.74

28.88

12.45

35.28

0.74

3.64

DQ-06

7.66

24.37

9.21

29.26

0.45

2.36

DQ-07

7.69

20.42

7.95

26.99

0.28

2.17


  3.1各级湿地单元水质指标的变化规律
  由表2、图3的显示结果可知:
  DQ-01样品采自沉淀池,大量大型垃圾、淤泥在此沉淀,水质变化较小。
  DQ-02样品中,污水经氧化塘(植物为水葫芦)净化处理后,污染物指标SS下降了20.5%,BOD5下降了18.3%,CODcr下降了4.7%,下降了5.9%,TN下降了23.4%。本湿地单元对TN吸收率最高,其次为SS,最低为CODcr。氧化塘对TN的吸收率最高,可能与水葫芦的固氮作用关系密切。CODcr消减率较低,可能与本区是水体环境,微生物的含量、活力较低,对有机物的分解作用较弱有关。水中较小的悬浮颗粒物被水葫芦根系阻挡截留,使得水质中SS含量下降较大。
  DQ-03样品中,污水经过装有人工曝气装置的表流湿地(植物为芦苇)后,污染物指标SS下降了7.5%,BOD5下降了13.6%,CODcr下降了22.5%,TP下降了6.2%,TN下降了12.4%。本湿地单元对CODcr吸收率最高,其次为BOD5,最低为TP。本湿地单元CODcr、BOD5吸收率均为高值,可能由于本单元表流湿地装有人工曝气装置,使得1)大量的氧气注入表流湿地中,使得植物的呼吸作用活跃,植物根系生物膜大量吸附有机物,迅速消解有机物质;同时,2)氧气含量的增加,使得微生物代谢过程加快,产生大量催化生化反应的酶,加快微生物氧化分解有机物的速度。
  DQ-04样品中,污水经过装潜流式碎石滤床(植物为马蹄莲)后,污染物指标SS下降了12.8%,BOD5下降了9%,CODcr上升了0.3%,TP下降了11.2%,TN下降了17.5%。本湿地单元对TN吸收率最高,其次为SS,最低为CODcr。
  DQ-05样品中,污水经过装潜流式碎石滤床(植物为美人蕉)后,污染物指标SS下降了11.4%,BOD5下降了13%,CODcr下降了17.4%,TP下降了17.9%,TN下降了7.9%。本湿地单元对TP吸收率最高,其次为CODcr,最低为TN。
  DQ-06样品中,污水经过装潜流式碎石滤床(植物为旱伞竹)后,污染物指标SS下降了7.5%,BOD5下降了12%,CODcr下降了9.5%,TP下降了22.7%,TN下降了13.6%。本湿地单元对TP吸收率最高,其次为BOD5,最低为SS。
  DQ-04、DQ-05和DQ-06湿地单元均为装有碎石滤床的潜流湿地,只是种植的湿地植物不同。在本区,TP的消减率明显增高,可能由于本区碎石床填料多为石灰石或含铁质石料,填料中Ca 和Fe 可与磷酸根离子反应沉淀而使磷去除。同时,微生物可将有机磷催化生成正磷酸盐,易被湿地植物吸收。此外,在潜流湿地中,SS的去除率合计多达31.5%。可能由于碎石填料表面和植物根系有大量微生物生长而形成生物膜。废水流经生物膜时,大量的SS 被填料和植物根系阻挡截留, 不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快从废水中截留下来,被微生物和植物加以利用而被分解去除。
  DQ-07样品中,污水经过稳定塘(植物为水葱、水葫芦)后,污染物指标SS下降了6.5%,BOD5下降了4%,CODcr下降了3.6%,TP下降了13.7%,TN下降了2%。本湿地单元对TP吸收率最高,最低为TN。在稳定塘中,各残余污染物在此再次沉淀,或继续被植物吸收,含量继续减低。
   
  3.2 人工湿地对污染物消减效果探讨
  经人工湿地处理后,污染物指标SS降至33.8%,BOD5降至29.5%,CODcr降至42.5%,TP降至22.5%,TN降至23.2%。人工湿地对TP、TN的消减效果最好,CODcr消减效果最差。
  所有水质样品中,PH值均在7~8间,且变幅不大。水质均为碱性,可能表示人工湿地系统对水质PH影响较小,基本无法改变水质酸碱度。
  人工湿地对TN的消减效果明显。污水中的氮基本以有机氮和氨氮两种形式存在。一般情况下, 污水大部分有机氮被微生物降解为氨氮,可直接被植物摄取吸收, 通过收割而从废水和湿地系统中去除(李兵等, 2008; 张玲等, 2005)。在本湿地系统中,各级单元对TN的消减效果都很显著,在10%~24%之间;且总消减率为77%,为所有指标中最高。说明人工湿地对TN的消减效率最高,也说明TN消减受人工湿地的构造环境、植物种类等外部条件限制较少。
  值得注意的是湿地对TP的消减过程。含磷化合物的主要形式为:颗粒磷、溶解有机磷和无机磷酸盐。人工湿地对磷的去除是植物吸收、微生物去除及物理化学作用三方面共同作用的结果(李兵等,2008;栾晓丽,2009)。刚进入湿地的磷多以不易被植物吸收的颗粒磷和有机磷为主,因此在DQ-02、DQ-03站位中,即使装有人工曝气装置,植物和微生物的活动都很活跃,TP的消减率仍然很低,仅为5.9%和6.2%。但经过设有碎石滤床的DQ-04、DQ-05和DQ-06时,填料或微生物对磷发生作用,即填料中含有的Ca 、Fe与磷酸根离子发生化学反应生成沉淀物,经吸附沉淀作用,从污水中分离出来;或经微生物分解转化为易被植物吸收利用的无机磷,进入植物体内。因而在潜流湿地TP消减率表现为高值,为11.2%、17.9%和22.7%。剩余的未被潜流湿地植物吸收的无机磷进入稳定塘,也易被水葱、水葫芦等植物吸收,故TP消减率仍表现为高值13.7%。
   
  4 结论


  (1)人工湿地系统对TP、TN的消减效果最好,消减率可达78%;SS、BOD5消减效果也较为理想,消减率约为65%~70%;CODcr消减效果最差,消减率约为57%。
  (2)人工湿地系统对水质PH值影响较小,基本无法改变水质酸碱度。
  (3)人工湿地对TN的消减效率最高,可达77%;且TN消减受人工湿地的构造环境、植物种类等外部条件限制较少。
  (4)TP需经过填料中的Ca 、Fe反应为沉淀物或经微生物分解转化为易被植物吸收利用的无机磷后进入植物体内,消减率才会增高。
  (5)人工曝气装置可使表流湿地消减CODcr、BOD5的效率大大提高。原理可能为:1)大量的氧气注入表流湿地中,使得植物的呼吸作用活跃,植物根系生物膜大量吸附有机物,迅速消解有机物质;2)氧气含量的增加,使得微生物代谢过程加快,产生大量催化生化反应的酶,加快微生物氧化分解有机物的速度。
  (6)潜流式碎石滤床对SS的消减效果明显,可达31.5%。可能由于碎石填料表面和植物根系有大量微生物生长而形成生物膜。废水流经生物膜时,大量的SS 被填料和植物根系阻挡截留, 不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快从废水中截留下来,被微生物和植物加以利用而被分解去除。
   
  致谢:本研究成果由云南省环保厅九湖办专项基金《滇池水域与湖滨湿地近期演变及自然净化能力研究》项目资助完成,特此感谢。同时感谢云南省环境科学研究院高原湖泊研究中心的孔德平博士、范亦农工程师、赵琳娜工程师的指导和协助。
   
  参考文献:
  Brix H, Arias CA, Bubba M. 2001. Media selection for sustainable phosphorus removal in subsurface flow constructed wetland. Water Science and Technology, 44(11-12): 47-54
  D and Lowry P. 1978. Wetland disposal of waste water treatment plant effluent. Environment Planning Inc.,Wayland Mass,
  Long YJ, Li RC. 2009. Ecological investigation of Tuber indicum around Dianchi Lake in Kunming of Yunnan Province. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition), 38(2): 192-197
  敖子强, 彭世寿, 严重玲等. 2009. 利用人工湿地修复黔灵湖的研究. 安徽农业科学, 37 (33): 16522-16523
  白晓慧, 王宝贞, 余梅等. 1999. 人工湿地污水处理技术及其发展应用. 哈尔滨建筑大学学报, 32 (6) : 88-92
  李兵, 张绍修, 肖再亮. 2008. 人工湿地在污水处理中的应用. 西南济排水, 23(2): 7-10
  刘高燕, 孙岩, 王丽娟等. 2006. 对南四湖人工湿地生物降解能力的研究. 广东化工, 33(2): 43-45.
  栾晓丽, 王晓, 赵钰等. 2009. 复合垂直流与潜流人工湿地沿程脱氮除磷对比研究. 环境污染与防治, 31(11):26-34
  张玲, 李广贺, 张旭等. 2005. 滇池人工湿地的植物群落学特征研究. 长江流域资源与环境, 14(5): 570-573
   
   
   
   
   
   
   
   
   

 
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