垂直流模擬濕地

1、實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：垂直流濕地模擬實(shí)驗(yàn)摘要：人工濕地是處理水污染的一種有效措施，普遍應(yīng)用于城市污水的整治中。而不同的濕地結(jié)構(gòu)對(duì)污水的處理效果有著很大的不同，本文中通過(guò)垂直流模擬濕地的對(duì)照實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的濕地處理結(jié)構(gòu)做出實(shí)驗(yàn)研究，得出了一系列在實(shí)際應(yīng)用中有影響的結(jié)論，希望可以在今后的濕地處理系統(tǒng)選擇中給出建議。關(guān)鍵詞：垂直流 濕地 總氮 總磷 流速 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜斯竦厥且环N由人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤地類(lèi)似的地面，它是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。人工濕地根據(jù)水流方式的差異可分為三種：自由表面流人工濕地(SFW)，水平潛流人工濕地(SSFW)，垂直流人工濕地(VFW

2、)。為了使出水水質(zhì)達(dá)到指定的排放標(biāo)準(zhǔn)，必須對(duì)濕地進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，針對(duì)不同類(lèi)型的濕地其設(shè)計(jì)方法和構(gòu)建過(guò)程在某些方面會(huì)有所不同。垂直流人工濕地在凈化污水方面有較好的效果，尤其是脫氮除磷方面。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)在裝置內(nèi)填入各種填料，以不同的順序填充后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬垂直流濕地（VFW），人為的配置污水（模擬生活污水，污染物質(zhì)以N、P為主）作為污染源，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)照物料填充方式，了解不同物料的不一樣的填充方式對(duì)其凈化處理能力大小的影響，了解垂直流濕地凈化水體的能力大小，觀(guān)測(cè)垂直流濕地對(duì)N、P兩種污染物質(zhì)的去除效率，從而對(duì)垂直流濕地在污水凈化方面的重要作用得到一個(gè)更深刻的認(rèn)識(shí)，也希望得到不同垂直流濕地系統(tǒng)中效果最

3、好的一種填充方式，為以后將垂直流濕地系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的污水處理中奠定基礎(chǔ)。2 實(shí)驗(yàn)原理人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類(lèi)似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動(dòng)的過(guò)程中，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水、污泥進(jìn)行處理的一種技術(shù)。其作用機(jī)理包括吸附、滯留、過(guò)濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉(zhuǎn)化、植物遮蔽、殘留物積累、蒸騰水分和養(yǎng)分吸收及各類(lèi)動(dòng)物的作用。人工濕地處理系統(tǒng)可以分為：自由水面人工濕地處理系統(tǒng)、人工潛流濕地處理系統(tǒng)、垂直水流型人工濕地處理系統(tǒng)。本次污水凈化過(guò)程主要去除其中的氮、磷。其原理如下：2.1

4、 氮的去除顆粒間相互引力作用及植物根系的阻截作用可以出去污水中的一部分氮。而人工濕地主要利用生物脫氮及植物吸收的方法來(lái)除去污水中的氮，可通過(guò)生物硝化-反硝化作用去除氮，但是由于有限的氧氣大多都被有機(jī)物消耗掉了，所以導(dǎo)致硝化作用的速率較慢，所以硝化作用受到了影響。并且在有機(jī)物分解的同時(shí)，使反硝化作用的碳源也受到了影響。因此，人工濕地對(duì)氮的去除率較低。2.2 磷的去除垂直流人工濕地系統(tǒng)磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化學(xué)作用和微生物的同化作用以及植物攝取作用。其中，化學(xué)作用主要是吸附和化學(xué)沉淀作用,生物作用包括微生物的同化作用和植物的攝取作用。為了提高除磷效果, 應(yīng)該選擇吸附和沉淀效果好的基質(zhì)

5、，如礫石等含有鈣離子的基質(zhì)。3 實(shí)驗(yàn)材料本次實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用到的填料為土壤、細(xì)沙、粗沙、沙石、蛭石、腐殖質(zhì)。直徑15cm、高30cm的PVC管。多條帶閥門(mén)的小水管，集水器一個(gè)，蓄水池一個(gè)。自來(lái)水、尿素、淀粉、復(fù)合肥，溶液配制的各種玻璃儀器、分光光度計(jì)。4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1 污水的配置本次試驗(yàn)所用的污水，是按照一級(jí)A 標(biāo)（COD=50mg/L，P%=0.5mg/L，N%=15mg/L）的標(biāo)準(zhǔn)配的，從開(kāi)始到最后用的是同一種污水的配方。具體如下：水缸的長(zhǎng)寬高分別為：98厘米、38厘米、48厘米。污水配比各藥品用量開(kāi)始加入總量（g）濃度（mg/L）十二水磷酸氫二鈉0.0866135.78尿素0.4821432

6、.14蔗糖1.55223103.484.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐渲?.2.1 濕地裝置第一種裝置方案（1至4號(hào)柱子）：材料配比（由上而下）：公分石（5cm）、土壤（10cm）、腐殖質(zhì)（5cm）、公分石（5cm）各層重量：5cm公分石2.446市斤10cm土壤3.170市斤5cm腐殖質(zhì)0.550市斤5cm公分石2.446市斤第二種裝置方案（5至8號(hào)柱子）：材料配比（由上到下）：粗砂（4cm）、細(xì)沙（12cm）、腐殖質(zhì)（5cm）、公分石（4cm）各層重量：4cm 粗砂 2.000市斤 12cm 細(xì)沙 4.000市斤 5cm 腐殖質(zhì) 0.550市斤4cm 公分石 1.623市斤原有柱的填方式情況如下：一至四

7、：土壤（3.8市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.6706市斤）（占15%）五至八：蛭石（4.0市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.7059市斤）（占15%）九至十二：砂（5.0市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.8824市斤）（占18%）十三至十六：砂（2.5市斤）+蛭石（2.5市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.8824）（占18%）。注：每層填料加入時(shí)應(yīng)與層面水平，可以適當(dāng)輕壓，但不能破壞各層的填料的物理性質(zhì)以及位置。裝好后，想管子中小心加入適量的水，使填料充分浸泡在水中。4.2.2 流量控制裝置將經(jīng)過(guò)改造后的一次性輸液器作為流量控制裝置。將靜脈針去掉，通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器來(lái)控制流速。4.3 污水的配比情況本次試驗(yàn)從開(kāi)始至結(jié)尾所用的污水是同一配方，是按

8、照一級(jí)A標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)配置的。 污水配比中所用的復(fù)合肥、尿素、淀粉的量分別為：3.35mg/L、31.52 mg/L、46.875 mg/L。污水中總氮的含量為15mg/L,總磷的含量為0.5 mg/L。4.4 測(cè)定方法收集排出水，總氮用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定；總磷用鉬酸銨分光光度法；本次試驗(yàn)共進(jìn)行兩次污水中（在不同時(shí)間取的兩次水樣）的污染物含量測(cè)定。兩次都測(cè)定總氮含量及總磷含量。4.4.1 總氮的測(cè)定（1）水樣的測(cè)定用吸管取10.00mL水樣置于比色管中，加入5mL堿性過(guò)硫酸鉀溶液，將比色管置于手提蒸氣滅菌器中，加熱，使溫度達(dá)120124后開(kāi)始計(jì)時(shí)?；?qū)⒈壬苤糜诩矣脡毫﹀佒?。保持?/p>

9、溫度加熱半小時(shí)，冷卻、開(kāi)閥放氣，移去外蓋，取出比色管并冷卻至室溫。加19鹽酸1mL，用無(wú)氨水稀釋至25mL標(biāo)線(xiàn)，混勻。移取部分溶液至10mm，石英比色皿中，在紫外分光光度計(jì)上，以無(wú)氨水作參比，分別在波長(zhǎng)為220與275nm處測(cè)定吸光度，并計(jì)算出校正吸光度下個(gè)吸光度的總氮含量。（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制分別取標(biāo)準(zhǔn)使用液0ml，0.5ml，1.0ml，2.0ml，3.0ml，5.0ml，7.0ml，8.0ml，加入5ml過(guò)硫酸鉀，定容至10ml包裹好于120124 ，0.5h，冷卻，分別加入1ml（1+9）鹽酸，定容至25ml，取液于10mm石英比色皿，220和275nm以無(wú)氨水為參比測(cè)定吸光度，做出總

10、氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。4.4.2 總磷的測(cè)定（1）水樣的測(cè)定吸取25ml的水樣（2個(gè)平行樣）于50ml具塞刻度管中，加過(guò)硫酸鉀溶液4ml，加塞后管口包一小塊紗布并用線(xiàn)扎緊，以免加熱時(shí)玻璃塞沖出。將具塞刻度管放在大燒杯中，置于高壓蒸汽壓力鍋中加熱，待鍋內(nèi)壓力達(dá)1.1kg/cm2時(shí)，保持此壓力30min，停止加熱，待壓力表指針降為0時(shí)，取出冷卻，如溶液混濁，則用濾紙過(guò)濾。用于測(cè)量。（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制取數(shù)支50ml具塞比色管，分別加磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用液0、0.5、1.0、3.0、5.0、10.0、15.0（ml），加水至25ml。加過(guò)硫酸鉀溶液4ml，消解。顯色：向比色管中加入1ml10抗壞血酸溶液，混合。3

11、0s后加2ml鉬酸鹽溶液充分混合，放置15min。測(cè)量：用10mm比色皿裝入水體，于700nm波長(zhǎng)處，以零濃度溶液為參比，測(cè)量吸光度。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的處理運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的制作及計(jì)算。5.1測(cè)定水體中總氮和總磷的濃度1d、7d測(cè)定的總氮、總磷測(cè)定時(shí)，總氮的所有樣品稀釋倍數(shù)為10，總磷的所有水樣稀釋2倍，最終所得結(jié)果是經(jīng)過(guò)倍數(shù)換算的同等標(biāo)準(zhǔn)。表1 6種填充方案的氮磷處理效果（包括停留1天和停留7天）處理方式停留1天停留7天1dTP（mg/L）1dTN（mg/L）7dTP（mg/L）7dTN（mg/L）10.066a0.035a7.034a6.900a20.119b0.141b4.

12、741bc2.715b30.111b0.161c9.865b8.435a40.217c0.169d2.300b1.952b50.210c0.178a7.302b6.022a60.213c0.178c9.470b6.358a不同小寫(xiě)字母標(biāo)注表示同列數(shù)據(jù)有顯著差異（lsd0.05）從表1中我們可以看出：根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A標(biāo)，TP=0.5mg/L,TN=15mg/L的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量本次模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，6種模擬濕地處理方案的總氮總磷含量已經(jīng)達(dá)標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期的處理效果。從停留時(shí)間上來(lái)比較可以知道，停留時(shí)間越長(zhǎng)，模擬濕地系統(tǒng)對(duì)氮磷的處理效果越差。前4組都是老處理法的氮磷濃度值，可以看出

13、總體效果比5、6兩個(gè)處理發(fā)要好，這是由于老處理法的實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)在柱子內(nèi)部形成了穩(wěn)定的生物膜，近似于自然中的濕地系統(tǒng)，而新處理法的時(shí)間較短，處理能力還不穩(wěn)定，所以出現(xiàn)了處理效果不如老處理法的情況。從相關(guān)性角度來(lái)看，每種處理法的差異較小，而不同的處理法之間存在著較為明顯的差異，也有特殊情況，就是處理1的停留一天效果和處理5停留一天效果差異較小，停留七天的處理效果基本上差異也不大。表2 氮磷濃度處理結(jié)果比較從表2中我們可以更直觀(guān)的看出處理1天和處理7天之間的效果對(duì)比，同時(shí)從不同處理方案的處理效果上也可以看出第4種處理法的總體效果是最好的，而第3種處理法的總體效果是最差的。表3不同處理及停留時(shí)間

14、對(duì)氮、磷污染物去除率的影響處理停留1d去除率%停留7d去除率%TPTNTPTN187.43a57.99bc93.22a58.79bc264.55b68.56b65.70bc82.00a344.30c34.74d60.98c44.07c458.73b86.26a67.67b88.34a563.65b51.61c67.89b60.09b663.65b37.24d69.39b57.86bc不同小寫(xiě)字母標(biāo)注表示同列數(shù)據(jù)有顯著差異（lsd0.05）表4 不同方案在不同停留時(shí)間中去除率的比較在上述的分析中我們已經(jīng)知道了停留時(shí)間對(duì)處理效果有很大的影響，而除了停留時(shí)間外，最能夠決定處理效果的因素是不同的處理方

15、案的填充物、填充順序和填充質(zhì)量。因此，從表3中可以看出，在停留時(shí)間相同的處理結(jié)果中，對(duì)除氮磷的效果都不同。通過(guò)表4中德柱狀圖比較可知，對(duì)于除磷來(lái)說(shuō)第1種填充方案（土壤、腐殖質(zhì)）對(duì)磷的去除效果最好，第2種填充方案（砂、腐殖質(zhì)），第5種填充方案（公分石、土壤、腐殖質(zhì)、公分石）和第6種填充方案（粗砂、細(xì)沙、腐殖質(zhì)、公分石）的對(duì)磷去除率差異較小，第3種填充方案（蛭石、腐殖質(zhì)）對(duì)總磷的去除效果最差，4號(hào)處理的對(duì)磷處理效果處于中等效果，處理效果的順序?yàn)椋?號(hào)處理>2號(hào)處理>5號(hào)處理=6號(hào)處理>4號(hào)處理>3號(hào)處理。對(duì)于除氮來(lái)說(shuō)第4種填充方案的處理效果最好，第3種填充方案的處理效果最差

16、，其余4組的處理效果很接近，沒(méi)有較大的差別，處理效果的順序?yàn)椋?號(hào)處理>2號(hào)處理>1號(hào)處理>5號(hào)處理>6號(hào)處理>3號(hào)處理。5.2 流速測(cè)定及分析結(jié)果本次試驗(yàn)中用一定配比的污水進(jìn)行定期的流速測(cè)定，由于不同的裝置其流速的快慢不一所以在未加入填料之前測(cè)一次流速，記錄每個(gè)柱子的流速情況（用水測(cè)流速即可），然后分別測(cè)10s、20s、40s、60s、90s、120s、180s、300s的排水量，并保證污水連續(xù)加入在填料之上，計(jì)算出流速如下表：表5 平均流速記錄表柱子平均流速（市斤/秒）9-2510-910-1610-2310-30 11-1311-20 11-2712-4 一

17、0.0040.0040.0030.0030.0040.0030.0030.0020.003二0.0070.0070.0050.0080.0060.0030.0040.0030.004三0.0080.0080.0090.0140.0090.0070.0070.0070.004四0.0150.0140.0150.0190.0130.0150.0120.0140.015五0.0250.0240.0230.020.0170.0170.0170.0170.015六0.0150.0140.0130.0130.010.0090.0090.010.009七0.0150.020.0190.0180.0140.0

18、170.0160.0160.017八0.010.0090.010.0120.0090.0090.0070.0090.006九0.0060.0040.0060.0680.0690.0610.0540.050.055十0.040.0410.0390.0370.0290.0240.0170.0130.007十一0.0280.0250.0250.0260.0240.0220.0210.0220.021十二0.0370.0140.0210.030.0280.050.0490.060.043十三0.0480.0470.0430.0420.0440.0410.0340.0340.024十四0.040.039

19、0.040.0370.0350.0360.030.0320.031十五0.0230.020.0190.0170.0160.0140.0130.0130.012十六0.0170.0160.0140.0140.0120.0130.0130.010.0110.0070.0060.0050.0070.0040.0030.0050.0050.00520.0270.0310.0320.0240.0220.0230.0170.0150.01230.0090.010.0110.0090.0090.0080.0050.0030.00240.0130.0130.0140.0160.0140.010.0120.01

20、40.01650.0160.020.0250.0160.0130.0130.0120.0090.00560.0170.0180.0170.0170.0090.0090.0070.0070.0170.0180.0190.0230.0160.0140.0130.0120.0120.00480.0090.0140.0190.0080.0070.0070.0070.0070.007從表5中可以看出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，各組的平均流速相對(duì)于飾演一開(kāi)始基本上都有減慢，在整個(gè)變化過(guò)程中流速也有逆勢(shì)變化的情況發(fā)生，這種現(xiàn)象的主要原因可能是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們會(huì)對(duì)處理柱子進(jìn)行搬動(dòng)和沖洗，影響了柱子內(nèi)部

21、穩(wěn)定扎實(shí)的填充結(jié)構(gòu)，造成填充物之間出現(xiàn)摩擦和空隙，導(dǎo)致測(cè)流速時(shí)速度變快。除了個(gè)別處理組的數(shù)據(jù)以外，其他處理組的流速都趨于不變或者變化很小，基本上保證了穩(wěn)定的流速。表6 老處理法一流速變化老處理法第1組的填充方案為：土壤（3.8市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.6706市斤）（占15%），從流速的變化趨勢(shì)來(lái)看，速度在10月23日有一個(gè)高峰，原因是上文中提到的外部因素影響了內(nèi)部結(jié)構(gòu)；由于起始時(shí)的砂的孔隙度較土壤大，后來(lái)產(chǎn)生了生物膜，其生長(zhǎng)及重力的作用使得空隙減小，所以從整體上看，其流速有逐漸降低的趨勢(shì)。表7 老處理法二流速變化 老處理法第二種的填充方案為蛭石（4.0市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.7059市斤）（占15%）

22、，從表7中看出這一組的流速?zèng)]有出現(xiàn)中間的高峰，證明外在因素影響較少，同樣是因?yàn)樯锬さ慕⑹沟闷骄魉俪尸F(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。表8 老處理法三流速變化老處理法第三種的填充方案為砂（5.0市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.8824市斤）（占18%），從表8中可以看出這一組的流速變化很劇烈，由于兩種填料的孔隙度都較大，使得處理系統(tǒng)對(duì)污水的阻擋作用不是太強(qiáng)，所以整體流速很快。表9 老處理四流速變化老處理法第四種的填充方案為砂（2.5市斤）+蛭石（2.5市斤）+有機(jī)質(zhì)（0.8824）（占18%）。這是一種較為穩(wěn)定的處理方法，填充材料的緊實(shí)程度也使得流速在短時(shí)間內(nèi)就趨于穩(wěn)定，由于生物膜的產(chǎn)生流速也有微弱的下降。表10

23、新處理一流速變化新處理法第一種的填充方案為公分石（5cm）、土壤（10cm）、腐殖質(zhì)（5cm）、公分石（5cm），由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短和填充物孔隙度較大，整體流速不太穩(wěn)定。表11 新處理法二流速變化新處理法第二種填充方案為粗砂（4cm）、細(xì)沙（12cm）、腐殖質(zhì)（5cm）、公分石（4cm），同樣的原因，流速穩(wěn)定需要的時(shí)間較長(zhǎng)，但最終由于生物膜，流速都有下降的趨勢(shì)。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次垂直流模擬實(shí)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，6種處理法都已經(jīng)達(dá)到將污水水質(zhì)處理到符合城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)的主要目的還包括比較6種處理法的優(yōu)缺點(diǎn)，從上文逐步分析中可以看出停留時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)處理效果有很大影響，所以在處理

24、中需要盡量減少污水的蓄積時(shí)間；而從各組方案的填充材料來(lái)看，結(jié)構(gòu)較為松弛的材料例如砂石和公分石會(huì)使柱子的縫隙較大，污水與材料的接觸面積小、接觸時(shí)間短，導(dǎo)致了處理效果不好、流速較快且容易發(fā)生變化的結(jié)果，相反像腐殖土這樣的填充材料遇水就會(huì)讓原本疏松的結(jié)構(gòu)變緊實(shí)，這樣對(duì)污水的阻礙程度就會(huì)變大，接觸面積變大、接觸時(shí)間變長(zhǎng)，處理效果就好很多。根據(jù)氮磷的處理原理，我們可以看出人工濕地主要利用生物脫氮及植物吸收的方法來(lái)除去污水中的氮，可通過(guò)生物硝化-反硝化作用去除氮，但是由于有限的氧氣大多都被有機(jī)物消耗掉了，所以導(dǎo)致硝化作用的速率較慢，所以硝化作用受到了影響。并且在有機(jī)物分解的同時(shí)，使反硝化作用的碳源也受到了影響。因此，第3種處理法對(duì)氮的去除率較低。垂直流人工濕地系統(tǒng)磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化學(xué)作用和微生物的同化作用以及植物攝取作用。其中，化學(xué)作用主要是吸附和化學(xué)沉淀作用,生物作用包括微生物的同化作用和植物的攝取作用。為了提高除磷效果, 應(yīng)該選擇吸附和沉淀效果好的基質(zhì)，如礫石等含有鈣離子的基質(zhì)，像是第1種處理法的材料就比較適合用于除磷。當(dāng)然很多處理系統(tǒng)不僅僅是需要好的處理效果，更需要高效率，這一點(diǎn)可以從流速來(lái)判斷，實(shí)驗(yàn)中由于產(chǎn)生了生物膜所以柱子的流速到最后都會(huì)減緩，但有的流速總體比其他要快，例如老處理法第三種的