Phosphorus Removal of Agriculture Wastewater Through Subsurface Constructed Wetland
Zhang Rongshe¹ ,Zhou Qi¹ ,Shi Yunpeng¹ ,Zhang Xiangfeng²
(1. Pollution Control and Resource Reuse Lab,School of Environmental Science and Engineering ,Tongji University ,Shanghai 　200092 , China Email : zhrs555 @sina.com; 2. Dept . of Environmental Science and Engineering , Tsinghua University ,Beijing 　100084 ,China)

Abstract:Phosphorus removal in subsurface constructed wetland treating agriculture non-pointed wastewater was studied in pilot-scale. The experimental results showed that the removal rates of TP increased with HRT increasing when the nominal hydraulic retention time was less than 5 days. The pH decreased distinctly when the retention time was too longer in the batch and sequence style , it may bring on a lower removel rate of TP. The amount of TP that can be removed by harvesting were about 1518 % and 915 % compared to the total quantity of removing in Phragmitas communis and zizania caducif lora constructed system respectively. Temperature impacted on the romovel of TP , the removel rate of TP decreased 30% in the winter compared to summuer.
Keywords :sub-surface constructed wetland ; agriculture non-point pollution ; phosphorus removal
　　 研究證明,磷是引起湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因子,有效地控制入湖水源中磷的含量,對(duì)于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化和延緩湖泊衰老具有重要意義^[1,2] . 近年來(lái),隨著城市點(diǎn)源污染的有效治理,大面積農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)引起人們的普遍關(guān)注,我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量的磷肥用于增產(chǎn)增效,土壤貧瘠,導(dǎo)致土壤固磷能力下降,大量磷肥和土壤有效磷隨暴雨徑流和農(nóng)業(yè)排灌進(jìn)入地表水體. 調(diào)查顯示,農(nóng)業(yè)面源所產(chǎn)生的污染已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)城市點(diǎn)源產(chǎn)生的污染量^[3,4] . 但是對(duì)于面源污染的控制采用點(diǎn)源的方法顯然由于
其運(yùn)行與管理問(wèn)題而無(wú)法實(shí)施,必須采用生態(tài)方法進(jìn)行面源污染治理,在此基礎(chǔ)上,天然和人工濕地就成為一種有效地控制農(nóng)業(yè)面源污染的方法^[5～7]. 本文在中試規(guī)模上重點(diǎn)研究和分析了潛流礫石濕地除磷效果及其影響因素. 為潛流濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).
1 　試驗(yàn)裝置與方法
1. 1 　試驗(yàn)裝置和方法
　　中試試驗(yàn)系統(tǒng)建在云南省呈貢縣大漁鄉(xiāng)一片天然濕地中,共3 條礫石潛流濕地床,1 號(hào)為無(wú)植物對(duì)照床,2 號(hào)為蘆葦床,3 號(hào)為茭草床,所選蘆葦和茭草為天然濕地中的優(yōu)勢(shì)植物,床體采用聚乙烯膜作底部防滲處理, 長(zhǎng)10m , 寬1.5m ,深0.6m ,底部填0.4m 直徑為3～5cm 的破碎礫石, 上鋪0.2m 當(dāng)?shù)赝寥? 前后各有0.5m 的進(jìn)出水區(qū),采用頂部穿孔管進(jìn)水和底部穿孔管出水,控制水位0.4m. 試驗(yàn)系統(tǒng)建成后,植物恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定2個(gè)月后,開(kāi)始進(jìn)行間歇運(yùn)行除磷效果試驗(yàn)1個(gè)月,然后進(jìn)行2個(gè)月的連續(xù)進(jìn)水,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)流試驗(yàn),共考察了空床水力停留時(shí)間(礫石的空隙率0.45) 為1d、3d、5d、7d 時(shí)潛流濕地對(duì)磷的去除效果,試驗(yàn)共進(jìn)行3 個(gè)多月. 入水總磷分高低濃度2個(gè)階段進(jìn)行.
1. 2 　檢測(cè)分析方法
　　總磷采用鉬銻抗分光光度比色法,植物全磷采用鉬銻抗分光光度比色法.
2 　試驗(yàn)結(jié)果與分析
2. 1 　潛流濕地除磷效率
　　試驗(yàn)考察了間歇式和連續(xù)流2 種方式運(yùn)行情況下潛流濕地的除磷效果.
2. 1. 1 　間歇式試驗(yàn)
　　間歇式試驗(yàn)采用序批式進(jìn)水方式,一次進(jìn)水后,在不同停留時(shí)間或稱為反應(yīng)時(shí)間時(shí)取水樣分析其總磷濃度的變化,不同停留時(shí)間下總磷的濃度變化如圖1.

　　從圖1 可以看出,入水總磷在停留1d 時(shí),濃度急劇下降,去除率較高. 停留時(shí)間2d 和3d時(shí),總磷濃度漸漸升高,說(shuō)明反應(yīng)后期磷有析出現(xiàn)象. 同時(shí)說(shuō)明,過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間對(duì)于除磷產(chǎn)生負(fù)面影響.
2. 1. 2 　連續(xù)流試驗(yàn)
　　連續(xù)流試驗(yàn)分為2 個(gè)階段進(jìn)行,第1 階段入水總磷濃度較低,直接采用農(nóng)田排灌水,試驗(yàn)空床水力停留時(shí)間(礫石空隙率為0.45) 為7d和5d. 第2 階段入水配一定KH₂PO4 ,濃度較高,空床水力停留時(shí)間分別3d 和1d. 2 個(gè)階段的進(jìn)出水濃度變化見(jiàn)圖2 和圖3.

　　從圖2 ,圖3 可以看出,2 個(gè)階段的試驗(yàn)入水有一定的波動(dòng),出水相對(duì)穩(wěn)定,礫石潛流濕地?zé)o論對(duì)低濃度還是高濃度入水均有較好的處理效果. 其中蘆葦濕地出水總磷濃度最低,除磷能力要好于茭草濕地,植物濕地除磷效果明顯優(yōu)于無(wú)植物空白床,說(shuō)明植物能夠改善濕地除磷效果. 對(duì)4個(gè)停留時(shí)間下,總磷進(jìn)出水濃度進(jìn)行平均后計(jì)算去除效率,結(jié)果見(jiàn)表1.
　　從磷的去除率看,水力停留時(shí)間小于5d時(shí),磷的去除率隨停留時(shí)間延長(zhǎng)而增加,大于5d ,除空白對(duì)照床除磷效率略有增加外,蘆葦和茭草床除磷效率均有不同程度地下降,這與間歇式試驗(yàn)結(jié)果基本相符,說(shuō)明潛流濕地除磷有一個(gè)最佳水力停留時(shí)間,過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間不利于磷的去除．

表1 　不同停留時(shí)間總磷去除率
Table 1 　TP removal tare in different HRT

床型 HRT = 7d HRT = 5d HRT = 3d HRT = 1d 出水濃度
/mg·L^-1 去除率
/% 出水濃度
/mg·L^-1 去除率
/% 出水濃度
/mg·L^-1 去除率
/% 出水濃度
/mg·L^-1 去除率
/% 空白床 0.057 61.03 0.061 55.57 0.40 62.35 0.60 50.04 蘆葦床 0.038 73.71 0.019 86.57 0.17 83.77 0.28 76.47 茭草床 0.044 69.80 0.037 73.02 0.38 64.45 0.77 35.70

2. 2 　潛流濕地除磷影響因素
　　濕地系統(tǒng)中除磷的主要機(jī)理包括吸附、沉淀、植物吸收和絡(luò)合. 主要影響因素有pH、溫度和植物的種類^[8] .
2. 2. 1 　pH 值的影響
　　人工濕地中沉淀和吸附是磷的主要去除機(jī)理,其決定因素是吸附位點(diǎn)的數(shù)量和pH值^[7].pH 值不僅影響填料的吸附特性,而且也決定沉淀物的生成. 在酸性條件下,無(wú)機(jī)磷被吸附在鐵和鋁的水合氧化物上,并可能生成鐵鹽和鋁鹽沉淀. 堿性條件下,磷以不溶性鈣鹽沉淀是其主要轉(zhuǎn)化過(guò)程. 礦物吸附磷大于有機(jī)土壤對(duì)磷的吸附^[9]. 因此水質(zhì)的酸堿度變化對(duì)磷的去除有較大的影響.
　　試驗(yàn)系統(tǒng)填料均為礫石填料,富含鈣離子.入水pH 值8.5～9.0 ,這些均有利于磷的吸附沉淀. 間歇性試驗(yàn)中,水力停留時(shí)間3d 后pH 值減小到6.5～7.0 左右,這說(shuō)明在停留時(shí)間較短時(shí),入水的堿性條件使得磷在礫石表面較快地吸附沉淀,隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng),pH 值逐漸降低,部分吸附或沉淀的磷發(fā)生解析或溶解,導(dǎo)致停留時(shí)間2d、3d 時(shí),水中磷的濃度逐漸升高(見(jiàn)圖1) .
　　連續(xù)性試驗(yàn)因試驗(yàn)周期較長(zhǎng),每一停留時(shí)間出水pH 值均有一定變化,以空床水力停留時(shí)間7d 為例,在空白床和蘆葦床中進(jìn)行沿程取樣測(cè)定沿程pH 值的變化,結(jié)果見(jiàn)圖4.

　　水流在潛流濕地中基本按推流式前進(jìn),試驗(yàn)床的長(zhǎng)寬比為6.7 ,因此沿程距離的變化實(shí)際反應(yīng)了不同的水力停留時(shí)間,圖4 即顯示了隨著停留時(shí)間延長(zhǎng),出水的pH 值逐漸減小. 當(dāng)pH 值減小到一定程度,就不利于磷的吸附沉淀發(fā)生,甚至導(dǎo)致部分已經(jīng)吸附或沉淀的磷溶出,從而減小磷的去除效率,可以解釋名義水力停留時(shí)間為7d 時(shí),除磷效率還有所下降,除非pH值轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?磷重新生成鐵鹽和鋁鹽沉淀. 但是,在水力停留時(shí)間不長(zhǎng),pH 值變化不至于嚴(yán)重影響磷的沉淀過(guò)程時(shí),隨著反應(yīng)停留時(shí)間的延長(zhǎng),吸附沉淀過(guò)程進(jìn)行的越完全,去除率也就越高. 這一點(diǎn)在表1 中反映得較明顯,即名義水力停留時(shí)間小于5d 時(shí),除磷效率逐漸增加.
　　水中pH 值的變化與植物的作用和氮的去除有關(guān),植物充氧導(dǎo)致根區(qū)周圍溶解氧水平升高,進(jìn)而導(dǎo)致碳酸根濃度的降低和pH 值的升高,有利于磷的去除. 另外,植物根區(qū)大量的微生物活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致水中pH 值的變化. 氮的去除主要由硝化和反硝化作用導(dǎo)致pH 值的變化,進(jìn)而影響磷的去除.
2. 2. 2 　植物的影響
　　無(wú)機(jī)磷也是濕地植物必需的養(yǎng)分,廢水中無(wú)機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可變成植物的ATP ,DNA 及RNA 等有機(jī)成分,通過(guò)植物的收割而去除. 植物通過(guò)根部吸收磷運(yùn)送到其它組織,但不是所有形式的無(wú)機(jī)磷均能被植物吸收,為了從濕地中去除磷, 植物定期收割是必需的^{[9 ,10]} ,一般通過(guò)植物吸收去除的磷僅有濕地去除的總磷的一小部分. 在連續(xù)流試驗(yàn)前后對(duì)植物的全磷含量進(jìn)行了分析和植物生長(zhǎng)量的監(jiān)測(cè),根據(jù)試驗(yàn)前后植物的生長(zhǎng)量、含水率和干物質(zhì)全磷含量,可以計(jì)算出植物對(duì)磷的吸收量. 同
時(shí)根據(jù)進(jìn)出水濃度和流量值可以計(jì)算出系統(tǒng)的去除總量. 結(jié)果表明,在試驗(yàn)階段內(nèi)蘆葦吸收的磷量約占去除磷量的15.8 % ,茭草吸收量約占去除量的9.5 % ,同時(shí)分析了試驗(yàn)前中后期濕地上層土壤中磷含量的變化,結(jié)果表明土壤磷含量基本不變,說(shuō)明植物吸收的磷主要來(lái)源于水中,證明依靠植物吸收除磷量是不顯著的. 對(duì)表1 的數(shù)據(jù)分析表明,蘆葦床和茭草床除磷效率平均高出空白床的23 %和3 % ,這說(shuō)明植物除吸收磷外,還可以通過(guò)其它途徑改善除磷效果,例如植物對(duì)水中pH 值的改變和根系生長(zhǎng)對(duì)流態(tài)的改變等.
2. 2. 3 　溫度的影響
　　溫度是影響除磷效果的另一因素,溫度除影響吸附沉淀反應(yīng)速率外,對(duì)植物的生長(zhǎng)影響較大,因?yàn)殡S著溫度的降低,往往伴隨著植物的衰老,如果植物不及時(shí)收割,植物吸收的磷會(huì)緩慢釋入水中,影響磷的去除效率^[10] . 為證明溫度對(duì)除磷效果的影響,在冬季對(duì)水力停留時(shí)間為5d 時(shí)的除磷效果進(jìn)行了考察,空白床、蘆葦床和茭草床除磷效率分別為22.7 %、41.6 %和37.5 % ,試驗(yàn)時(shí)平均氣溫為10℃. 與連續(xù)流試驗(yàn)水力停留時(shí)間5d (見(jiàn)表1) 時(shí)相比較,平均氣溫為18 ℃,除磷效果明顯下降. 說(shuō)明溫度對(duì)磷
的去除影響較大,這主要表現(xiàn)在溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度和植物生長(zhǎng)的影響.
3 　結(jié)論
(1) 潛流濕地具有較強(qiáng)的除磷能力,設(shè)計(jì)水力負(fù)荷建議在空床水力停留時(shí)間5d 較為合適,較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間不會(huì)增加磷的去除率,反而部分吸附或沉淀的磷會(huì)釋放出來(lái)降低磷的去除效率.
(2) 植物對(duì)磷吸收量?jī)H占去除量的一小部分, 蘆葦和茭草吸收磷量約占去除磷量的15.8 %和9.5 % ,但植物對(duì)磷的去除效果有明顯地改善作用.
(3) 溫度和pH 是影響除磷效果的主要因素,停留時(shí)間5d 時(shí),冬季除磷效果較夏季降低30 %以上. 引起系統(tǒng)pH 值變化因素較多,過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)pH 值的降低,會(huì)導(dǎo)致磷的析出或溶解,降低磷的去除效果.

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