基于正交試驗的桶栽試驗研究

基于正交試驗的桶栽試驗研究

0城市發(fā)展的需要城市河流是城市景觀生態(tài)環(huán)境的重要標(biāo)志，也是城市居民休閑娛樂的場所。城市人口密集，城市相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生大量污染物，是引起城市河流污染的重要污染源。其中，城市降雨徑流沖刷地面，使大量污染物流入河道，加劇了河道水質(zhì)的惡化。根據(jù)資料統(tǒng)計，全國90%以上的城市水域受到污染，其中受污染嚴(yán)重的城市有98個。近年來，考慮河道的行水部分兩側(cè)的河岸帶的基質(zhì)和綠化植物的凈化功能，減少河道兩岸污水對河道水質(zhì)的影響，已成為人們樂于接受的改善城市水環(huán)境的工程措施。本試驗旨在研究河岸帶的基質(zhì)和植物對受污染的降雨徑流的降解能力，以便為城市生態(tài)規(guī)劃提供參考依據(jù)。試驗中選擇了花葉蘆竹和菖蒲兩種植物，它們不僅具有很強的去污能力，還具有很高的觀賞性，適合城市岸坡栽種。1試驗安裝和方法1.1低濃度試驗安排試驗使用人工配置的污染水體，高濃度相當(dāng)于商業(yè)區(qū)的污染水平，低濃度則相當(dāng)于居民區(qū)的污染水平。根據(jù)正交試驗的原理，在表1試驗條件下，采用L8(4×24)正交表對試驗進(jìn)行安排，需要安排8組試驗(見表2)。每組試驗安排一平行樣和空白對照樣。1.2基質(zhì)及樣品采集試驗利用塑料桶模擬岸坡的基本結(jié)構(gòu)，在塑料桶(桶高53cm，下底面直徑D下=35cm，上表面直徑D上=40.5cm，體積V=60L)內(nèi)鋪墊基質(zhì)，基質(zhì)選用長江南京段天然的江沙，江沙未進(jìn)行任何處理，基質(zhì)孔隙率大約35%。地下水位為26cm的試驗裝置，基質(zhì)高度是40cm。地下水位為38cm的試驗裝置，基質(zhì)高度是49cm。塑料桶底部外側(cè)接上三通管，以便控制水位和采集水樣，三通管一側(cè)伸入桶內(nèi)底部，被均勻打孔，以便采集水樣。在裝置上部安裝孔口布置均勻的圓形塑料滴管，使模擬的降雨徑流均勻入滲，見圖1。試驗選用本地產(chǎn)的菖蒲和花葉蘆竹作為岸坡植物種植，見圖2ㄢ1.3試驗時間及時間2007年7月13號種植花葉蘆竹和菖蒲，花葉蘆竹每桶兩叢，每叢大小基本一樣，菖蒲每桶三叢，每叢大小基本一樣，采樣后洗凈根部，移栽入沙桶里，培養(yǎng)。2007年9月30號開始進(jìn)水試驗，此時植物生長良好，試驗七天一周期，每周六10點進(jìn)水，第二日即周日8:30取水樣，下周六8:30再取水樣，如此一個周期結(jié)束。試驗時間為9月30日至11月10日。試驗分析的項目:化學(xué)需氧量(CODCr)，總氮(TN)，總磷(TP)。2．2試驗1、2的空白樣值兩平行樣試驗結(jié)果取其值的平均值，用平均值代替試驗結(jié)果。例如，1-IIP代表試驗1兩平行樣值的平均值，1-I代表試驗1的空白樣值。低濃度進(jìn)水的試驗是試驗1、試驗2、試驗3、試驗4。高濃度進(jìn)水的試驗是試驗5、試驗6、試驗7、試驗8ㄢ2.1生物措施調(diào)控氮的去除由總氮的試驗結(jié)果(圖3)看出，有植物的去除率要明顯高于無植物，有植物一直保持較穩(wěn)定、較高的去除率，而無植物去除率波動較大。植物能將經(jīng)過光合作用產(chǎn)生的氧氣通過氣道輸送到根區(qū)，在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境。根區(qū)有氧區(qū)域和缺氧區(qū)域共同存在，為根區(qū)的好氧、兼性和厭氧微生物提供各自適宜的小生境，使不同的微生物各得其所，發(fā)揮相輔相成的作用。許多研究表明，濕地系統(tǒng)中TN的去除機制是多樣的，包括揮發(fā)、硝化/反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附，微生物的硝化與反硝化是脫氮的主要途徑。植物本身生長吸收氮，微生物的硝化反硝化作用，這些因素削弱了填料因長期吸附氮達(dá)到飽和，使有植物的試驗裝置能夠?qū)Φ娜コ室恢陛^高較穩(wěn)定。有植物試驗平均去除率在低、高濃度進(jìn)水時分別達(dá)到92.6%、96.5%，對比空白樣的平均去除率在低、高濃度進(jìn)水時分別達(dá)到75.1%、89.9%，空白樣去除率達(dá)到如此高是由于填料顆粒小，比表面積大，有利于微生物生長，試驗是間歇進(jìn)水，有利于大氣復(fù)氧和硝化反應(yīng)進(jìn)行。高濃度進(jìn)水時的去除率明顯高于低濃度進(jìn)水時的試驗，而且進(jìn)水濃度與污染物去除率是正相關(guān)的關(guān)系。對比有植物的試驗，高、低濃度進(jìn)水去除率相差約4%，而空白樣去除率相差約14%，這是由于植物的作用和高濃度污染負(fù)荷在一定程度上有利于微生物繁殖生長，結(jié)果服從monod關(guān)系式。2.2試驗填料對磷的去除由總磷的試驗結(jié)果(圖4)看出，總磷的總體去除率很高，并且有植物去除率略高于無植物，有無植物影響不大，整個趨勢很穩(wěn)定。一般認(rèn)為，人工濕地系統(tǒng)中磷的去除過程由填料的物理化學(xué)作用、植物的攝取和微生物的同化作用共同完成，而其中廣泛認(rèn)同的主要去除機制是填料對磷的物化吸附和化學(xué)沉降作用。無機磷也是植物必需的營養(yǎng)元素，廢水中無機磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化成植物的ATP、DNA、RNA等有機成分，然后通過植物的收割而移去。試驗進(jìn)水濃度較低，高、低濃度進(jìn)水磷的濃度分別大約是1.7mg/L、0.8mg/L，較低濃度的磷主要被基質(zhì)截留吸附，基質(zhì)對磷的吸附?jīng)]有飽和。另外由于試驗填料主體用的天然細(xì)砂包含黏土粒有機物質(zhì)、金屬離子(Al3+，Ca2+，Mg2+，Na+，F(xiàn)e3+)等，并且人工配置的污水也含有金屬離子，吸附、絡(luò)合、沉淀等作用較強，所以P的去除率一直很高很穩(wěn)定，受水力負(fù)荷、植物影響不大。在本試驗中，磷去除率與進(jìn)水濃度是正相關(guān)關(guān)系。2.3cocdr的去除在濕地處理過程中，許多研究表明有機物的降解是由于濕地植物、土壤吸附及濕地內(nèi)微生物聯(lián)合作用的結(jié)果。當(dāng)達(dá)到了其吸附極限時，整個系統(tǒng)對有機物的去除作用中，過濾吸附就不明顯了，而主要是微生物降解起主導(dǎo)作用了。在本試驗中，在時間上前兩周去除率有些波動，隨著時間推移，CODCr去除率一直保持較穩(wěn)定，見圖5。有植物岸坡去除率一般都是90%以上，而且去除率保持很穩(wěn)定，空白樣去除率方面，低濃度進(jìn)水的試驗去除率波動較強，而高濃度進(jìn)水的試驗去除率則較穩(wěn)定。這是因為剛開始生物膜形成階段，進(jìn)水主要是靠基質(zhì)的吸附截留作用，隨著微生物生長趨于穩(wěn)定，出水也趨于穩(wěn)定。基質(zhì)細(xì)沙比表面大，有利于微生物生長繁衍，另外試驗是間歇進(jìn)水，有利于大氣復(fù)氧，有利于有機質(zhì)被氧化，所以空白樣CODCr去除率基本保持在80%以上。微生物生長與營養(yǎng)物在一定程度是正相關(guān)的，CODCr去除率與進(jìn)水濃度是正相關(guān)關(guān)系。另外從試驗中看到，高濃度進(jìn)水的試驗5、試驗6中花葉蘆竹生長較差，而且根系有腐爛，而同樣是高濃度進(jìn)水的試驗7、試驗8中菖蒲生長良好，說明菖蒲比花葉蘆竹有更強耐有機污染物能力。3影響因子的選取本研究正交試驗的目的有以下兩個:分析岸坡對污染物的整體去除率與水力負(fù)荷、污染物濃度、地下水位和植物等因素的關(guān)系，分析這些因素影響整體去除率的主次關(guān)系，見表3ㄢ正交試驗極差分析，由表4可知，令R(TN)、R(TP)、R(CODCr)分別是TN、TP、CODCr極差值(無量綱量)。極差的大小反應(yīng)了相應(yīng)因素作用的大小。(1)TN極差分析，影響因子主次依次是污染負(fù)荷、水力負(fù)荷、地下水位、植物。在試驗中，污染負(fù)荷與去除率是正相關(guān)關(guān)系，一定程度上污染負(fù)荷濃度越高微生物營養(yǎng)越充足，微生物生長越好。在一定程度上，水力負(fù)荷越大微生物營養(yǎng)越豐富，但是過高水力負(fù)荷會沖走基質(zhì)上的生物膜，影響氮的去除率。地下水位越高反應(yīng)了厭氧區(qū)域越大，本試驗是間歇進(jìn)水，硝化反應(yīng)進(jìn)行得充分，厭氧區(qū)域越大越有利于反硝化反應(yīng)進(jìn)行，有利于氮的去除。植物是影響最小因子，說明花葉蘆竹和菖蒲對氮去除影響差別不大。(2)TP極差分析，影響因子主次依次是污染負(fù)荷、地下水位、植物、水力負(fù)荷。人工濕地對磷的去除主要是通過對不溶性磷的吸附、沉積作用，植物、藻類等對無機可溶性磷酸鹽的吸收作用并不明顯。污染負(fù)荷是第一影響因子。本試驗中設(shè)置地下水位越高，裝置里沙子越多，地下水位是第二影響因子，解釋了TP去除主要依靠沙子的吸附。在本試驗中，植物的生長狀況很好，對磷的去除率具有一定影響，花葉蘆竹對磷的整體平均去除率是97.16%，而菖蒲是95.96%，蘆葦去除磷能力比菖蒲略強。水力負(fù)荷對磷去除率影響最小。(3)CODCr極差分析，影響因子主次依次是污染負(fù)荷、水力負(fù)荷、地下水位、植物。在本試驗中CODCr去除率與污染負(fù)荷呈正相關(guān)關(guān)系。CODCr去除率隨水力負(fù)荷升高而逐漸降低，這是因為濕地系統(tǒng)中大部分有機物首先被植物根際、填料表面的生物膜吸附，繼而被微生物逐步降解。隨水力負(fù)荷升高，部分吸附在生物膜表面的有機物未來得及被降解(即降解滯后)即隨出水帶出，故使CODCr去除率下降。而停留時間過長，易造成系統(tǒng)的厭氧狀態(tài)，使CODCr去除率降低。本試驗是間歇進(jìn)水，進(jìn)水周期是一個星期，有利于大氣復(fù)氧，為有機物反應(yīng)提供足夠的氧氣，有植物試驗CODCr整體去除率都在90%以上。地下水位反應(yīng)基質(zhì)區(qū)域厭氧程度，CODCr一般在裝置的前端被去除，地下水位對其影響較小。植物是影響最小因子，說明花葉蘆竹和菖蒲對CODCr去除影響差不多。4各影響因子的去除率及因素分析1.TN去除方面，有植物岸坡的去除率要明顯高于無植物，有植物一直保持較穩(wěn)定、較高的去除率，而無植物去除率波動較大。TN去除率與進(jìn)水濃度呈正相關(guān)關(guān)系。2.TP去除方面，有植物去除率稍微高于無植物，整個趨勢很穩(wěn)定。TP去除率一直保持在90%以上，有無植物影響不大。TP去除率與進(jìn)水濃