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養化的限制性因子,有效地控制入湖水源中磷的含量,對于控制水體富營養化和延緩湖泊衰老具有重要意義^[1,2] . 近年來,隨著城市點源污染的有效治理,大面積農業非點源污染已經引起人們的普遍關注,我國農業生產中大量的磷肥用于增產增效,土壤貧瘠,導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業排灌進入地表水體. 調查顯示,農業面源所產生的污染已經遠遠超過城市點源產生的污染量^[3,4] . 但是對于面源污染的控制采用點源的方法顯然由于
其運行與管理問題而無法實施,必須采用生態方法進行面源污染治理,在此基礎上,天然和人工濕地就成為一種有效地控制農業面源污染的方法^[5～7]. 本文在中試規模上重點研究和分析了潛流礫石濕地除磷效果及其影響因素. 為潛流濕地系統的設計提供參考依據.
1 　試驗裝置與方法
1. 1 　試驗裝置和方法
　　中試試驗系統建在云南省呈貢縣大漁鄉一片天然濕地中,共3 條礫石潛流濕地床,1 號為無植物對照床,2 號為蘆葦床,3 號為茭草床,所選蘆葦和茭草為天然濕地中的優勢植物,床體采用聚乙烯膜作底部防滲處理, 長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 當地土壤. 前后各有0.5m 的進出水區,采用頂部穿孔管進水和底部穿孔管出水,控制水位0.4m. 試驗系統建成后,植物恢復和系統穩定2個月后,開始進行間歇運行除磷效果試驗1個月,然后進行2個月的連續進水,待系統穩定后,開始進行連續流試驗,共考察了空床水力停留時間(礫石的空隙率0.45) 為1d、3d、5d、7d 時潛流濕地對磷的去除效果,試驗共進行3 個多月. 入水總磷分高低濃度2個階段進行.
1. 2 　檢測分析方法
　　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 　試驗結果與分析
2. 1 　潛流濕地除磷效率
　　試驗考察了間歇式和連續流2 種方式運行情況下潛流濕地的除磷效果.
2. 1. 1 　間歇式試驗
　　間歇式試驗采用序批式進水方式,一次進水后,在不同停留時間或稱為反應時間時取水樣分析其總磷濃度的變化,不同停留時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,濃度急劇下降,去除率較高. 停留時間2d 和3d時,總磷濃度漸漸升高,說明反應后期磷有析出現象. 同時說明,過長的水力停留時間對于除磷產生負面影響.
2. 1. 2 　連續流試驗
　　連續流試驗分為2 個階段進行,第1 階段入水總磷濃度較低,直接采用農田排灌水,試驗空床水力停留時間(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,空床水力停留時間分別3d 和1d. 2 個階段的進出水濃度變化見圖2 和圖3.

　　從圖2 ,圖3 可以看出,2 個階段的試驗入水有一定的波動,出水相對穩定,礫石潛流濕地無論對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于無植物空白床,說明植物能夠改善濕地除磷效果. 對4個停留時間下,總磷進出水濃度進行平均后計算去除效率,結果見表1.
　　從磷的去除率看,水力停留時間小于5d時,磷的去除率隨停留時間延長而增加,大于5d ,除空白對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,這與間歇式試驗結果基本相符,說明潛流濕地除磷有一個最佳水力停留時間,過長的水力停留時間不利于磷的去除．

表1 　不同停留時間總磷去除率
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
　　濕地系統中除磷的主要機理包括吸附、沉淀、植物吸收和絡合. 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理,其決定因素是吸附位點的數量和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,無機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化過程. 礦物吸附磷大于有機土壤對磷的吸附^[9]. 因此水質的酸堿度變化對磷的去除有較大的影響.
　　試驗系統填料均為礫石填料,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. 間歇性試驗中,水力停留時間3d 后pH 值減小到6.5～7.0 左右,這說明在停留時間較短時,入水的堿性條件使得磷在礫石表面較快地吸附沉淀,隨著停留時間的延長,pH 值逐漸降低,部分吸附或沉淀的磷發生解析或溶解,導致停留時間2d、3d 時,水中磷的濃度逐漸升高(見圖1) .
　　連續性試驗因試驗周期較長,每一停留時間出水pH 值均有一定變化,以空床水力停留時間7d 為例,在空白床和蘆葦床中進行沿程取樣測定沿程pH 值的變化,結果見圖4.

　　水流在潛流濕地中基本按推流式前進,試驗床的長寬比為6.7 ,因此沿程距離的變化實際反應了不同的水力停留時間,圖4 即顯示了隨著停留時間延長,出水的pH 值逐漸減小. 當pH 值減小到一定程度,就不利于磷的吸附沉淀發生,甚至導致部分已經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間為7d 時,除磷效率還有所下降,除非pH值轉變為酸性,磷重新生成鐵鹽和鋁鹽沉淀. 但是,在水力停留時間不長,pH 值變化不至于嚴重影響磷的沉淀過程時,隨著反應停留時間的延長,吸附沉淀過程進行的越完全,去除率也就越高. 這一點在表1 中反映得較明顯,即名義水力停留時間小于5d 時,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,植物充氧導致根區周圍溶解氧水平升高,進而導致碳酸根濃度的降低和pH 值的升高,有利于磷的去除. 另外,植物根區大量的微生物活動也會導致水中pH 值的變化. 氮的去除主要由硝化和反硝化作用導致pH 值的變化,進而影響磷的去除.
2. 2. 2 　植物的影響
　　無機磷也是濕地植物必需的養分,廢水中無機磷在植物吸收及同化作用下可變成植物的ATP ,DNA 及RNA 等有機成分,通過植物的收割而去除. 植物通過根部吸收磷運送到其它組織,但不是所有形式的無機磷均能被植物吸收,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. 在連續流試驗前后對植物的全磷含量進行了分析和植物生長量的監測,根據試驗前后植物的生長量、含水率和干物質全磷含量,可以計算出植物對磷的吸收量. 同
時根據進出水濃度和流量值可以計算出系統的去除總量. 結果表明,在試驗階段內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 % ,同時分析了試驗前中后期濕地上層土壤中磷含量的變化,結果表明土壤磷含量基本不變,說明植物吸收的磷主要來源于水中,證明依靠植物吸收除磷量是不顯著的. 對表1 的數據分析表明,蘆葦床和茭草床除磷效率平均高出空白床的23 %和3 % ,這說明植物除吸收磷外,還可以通過其它途徑改善除磷效果,例如植物對水中pH 值的改變和根系生長對流態的改變等.
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速率外,對植物的生長影響較大,因為隨著溫度的降低,往往伴隨著植物的衰老,如果植物不及時收割,植物吸收的磷會緩慢釋入水中,影響磷的去除效率^[10] . 為證明溫度對除磷效果的影響,在冬季對水力停留時間為5d 時的除磷效果進行了考察,空白床、蘆葦床和茭草床除磷效率分別為22.7 %、41.6 %和37.5 % ,試驗時平均氣溫為10℃. 與連續流試驗水力停留時間5d (見表1) 時相比較,平均氣溫為18 ℃,除磷效果明顯下降. 說明溫度對磷
的去除影響較大,這主要表現在溫度對化學反應速度和植物生長的影響.
3 　結論
(1) 潛流濕地具有較強的除磷能力,設計水力負荷建議在空床水力停留時間5d 較為合適,較長的水力停留時間不會增加磷的去除率,反而部分吸附或沉淀的磷會釋放出來降低磷的去除效率.
(2) 植物對磷吸收量僅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,停留時間5d 時,冬季除磷效果較夏季降低30 %以上. 引起系統pH 值變化因素較多,過長的水力停留時間會導致系統pH 值的降低,會導致磷的析出或溶解,降低磷的去除效果.

參考文獻:
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