郑 璞 ,邓正栋 ,丁志斌 (.解放军理工大学,江苏 南京 20007；2.中国人民解放军 96528部队,北京02202)

水平潜流人工湿地氮磷去除回归方程的建立

郑 璞1,2,邓正栋1*,丁志斌1(1.解放军理工大学,江苏 南京 210007；2.中国人民解放军 96528部队,北京102202)

为考察水平潜流人工湿地对于生活污水中主要污染物指标 TN、TP的去除率,建立更为详细的人工湿地回归方程,用以指导人工湿地设计,按照黑箱模型理论,将搜集的500多组数据按照季节、水力负荷、种植植物类型等分类,分析不同因素对于人工湿地去除效果的影响,确定了以季节和水力负荷作为建立回归方程的最主要分类依据.以此为基础,按照线性回归的方法,建立了TN、TP去除率回归方程共12组,所得的拟合优度R2值在0.65～0.95之间,精确性有了很大提高.

人工湿地；回归方程；水力负荷；去除率

长期以来,污水脱氮除磷一直是人工湿地处理系统的一项重要任务[1].Kadlec 等在考察了北美100多块人工湿地的运行数据后,基于“黑箱模型”,利用线性回归的方法,于1996年建立了水平潜流人工湿地污染物去除的回归方程.但由于当时水平潜流人工湿地应用时间较短,所取得的运行数据较少,广泛性不够.TN、TP去除回归方程拟合优度系数R2仅为0.45和0.65,并且水力负荷范围跨度较大[2].从1996年到2010年,这期间我国已经有了众多水平潜流人工湿地成功运用的案例以及大量实验研究,但是回归方程这方面还是空白.本研究搜集了目前公开发表的论文和应用报告共150余篇,搜集到数据样本共500多组[3-47].详细记录每组数据的水力负荷,所处的季节,种植植物种类,旨在更好地研究人工湿地对TN、TP的净化作用,指导人工湿地的设计,需要建立更为详细的更适用的回归方程[48].

1 不区分各影响因素的TN和TP去除回归方程

人工湿地中氮、磷去除受到多方面因素的制约,有季节的因素也有植物类型的因素等等.首先不考虑众多影响因素,将所得到的砾石床水平潜流人工湿地的所有数据进行拟合,建立总的TN、TP去除回归方程.

1.1 TN去除总回归方程

TN回归方程为

式中:Ci为进水TN(mg/L), Co为出水TN(mg/L).

该回归方程标准误差 C=3.094,总观测值N=500(图1).

图2 水平潜流砾石床人工湿地TN去除回归方程Fig.2 The regression equation of TN in subsurface horizontal flow constructed wetlands

2.2 TP去除回归方程

TP回归方程为:

式中:Ci为进水TP(mg/L), Co为出水TP(mg/L).

该回归方程标准误差 C=1.134,总观测值N=258(图2).

图3 水平潜流砾石床人工湿地TP去除回归方程Fig.3 The regression equation of TP in subsurface horizontal flow constructed wetlands

由于没有对众多因素加以区分,所得2个R2值较低只有0.8035和0.6862,拟合效果不好.

2 各种影响因素对湿地去除TN以及TP效果的影响

2.1 各种影响因素对湿地去除TN效果的影响

2.1.1 植物对TN去除效率的影响 与无植物系统相比,有植物人工湿地为好氧微生物提供了较好的氧环境,同时提供了较大的附着表面,有利于微生物的生长繁殖,加快了各类污染物的降解速率;同时,植物对营养物质的吸收作用进一步提高了污染物的去除效果,综合作用之下,有植物湿地的净化效率较无植物湿地表现出明显优势[49-50].为比较不同植物对于人工湿地去除TN效果的影响,现将所搜集的数据按照种植植物类型分类,计算不同种植植物类型条件下人工湿地的夏季的去除率,如表1所示.

表1 不同植物TN去除率样本数量和标准差Table 1 The number and standard deviation of removal rate of TN for different plantings

从表1可以看出,植物种类不同对去除率造成的影响较小,但是相对于空白湿地,种植植物可以明显的提高对 TN的去除.由于不同植物种类对于湿地去除率的影响较小,在建立回归方程时,不考虑植物种类的影响.

2.1.2 季节对 TN去除效率的影响 温度是影响湿地去除效果的本质因素,影响湿地植物的生长以及微生物的活性[51].但从数据采集的角度来看,目前的研究,仅仅是标注到具体月份和日期,没有具体温度范围.为了便于对数据进行分类,将温度的影响用季节来替代.季节对TN的去除夏、秋季效果最好,春季次之,冬季效果最差.从所得数据来看,对于冬季人工湿地除氮效果,目前所得数据差距较大, 变化范围0～40%.

2.1.3 水力负荷对TN去除效率的影响 湿地的水力负荷为单位面积的湿地所处理的废水量,湿地设计的一个重要的指标[52].其数学公式如式(3):

式中:q为水力负荷(m/d),Q为流量(m3/d),Ah为湿地面积(m2).

表2 不同季节条件下TN去除率样本数量和标准差Table 2 The number and standard deviation of removal rate of TN for different season

从前面的分析可以得知,季节的变化将会明显影响TN的去除,从而造成对回归方程的较大影响,所以在比较水力负荷对除氮影响时,统一采用夏季的数据.按水力负荷大小分为3组,分别是0.03m/d＜q£0.1m/d, 0.1m/d＜q£0.2m/d,0.2m/d＜q＜0.3m/d按照分组.

表3 3组水力负荷条件下TN的去除率的标准差和样本数量Table 3 The number and standard deviation of removal rate of TN in three hydraulic loading groups

从表3中可见,随着水力负荷的不断增大,去除率呈下降趋势,在建立TN回归方程时,按照3组水力负荷分组,可以避免由于水力负荷相差较大而导致的回归方程拟合优度下降.

2.2 各种影响因素对湿地去除TP效果的影响

2.2.1 植物对 TP去除效率的影响 将所收集的数据,计算夏季,水力负荷相近条件下,不同植物对磷的去除率,如表4.

从表4可见,不同植物对TP的去除率差异并不明显,基质对磷的物理化学作用是人工湿地系统除磷的决定性因素,植物吸收、微生物降解对于磷的去除并非主要因素[53].所以不同植物类型不作为建立回归方程的分类因素.

表4 不同植物TP去除率标准差与样本数量Table 4 The number and standard deviation of removal rate of TP for different plantings

2.2.2 季节对 TP去除效率的影响 一般来说,系统对磷的净化率都随温度的降低而呈下降趋势,这主要是因为气温升高会导致植物、微生物生理活性提高,有利于磷的去除[54].基本上夏季,秋季去除率最高,春季较低,冬季最低.

表5 不同季节条件下TP去除率样本数量和标准差Table 5 The number and standard deviation of removal rate of TP for different season

从表5可知,传统砾石床人工湿地在夏季,和秋季对磷的去除效果较好,而在冬季去除效果较差,季节对于人工湿地的磷去除影响较大,所以将季节因素作为建立回归方程的分类因素.

2.2.3 水力负荷对 TP去除效率的影响 现将水力负荷分为 3组,分别是 0.04m/d＜q£0.1m/d; 0.1m/d＜q£0.2m/d;0.2m/d＜q＜0.3m/d.由于季节的变化将会明显影响 TP的去除,从而造成对回归方程的较大影响,所以在比较水力负荷对除磷影响时,统一采用夏季的数据.将所得数据按照3个水力负荷范围分组.

从表6去除效果来看,水平潜流人工湿地对于磷的去除是随着水力负荷的增大而减小的.在建立TP回归方程时按照3个分组时按照3组水力负荷分组,可以避免由于水力负荷相差较大而导致的回归方程拟合优度下降.

表6 三组水力负荷条件下TP去除率样本数量和标准差Table 6 The number and standard deviation of removal rate of TP in three hydraulic loading groups

3 建立TN以及TP去除回归方程

按照黑箱模型理论,不考虑人工湿地内部较为复杂的生物化学过程,而是通过对进水和出水水质的大量检测,利用线性回归的方法,得出简单实用的经验计算式.现按照3种水力负荷范围以及四季分组,建立回归方程.

3.1 TN去除回归方程

从所得7组回归方程来看(表7),按照季节以及水力负荷将所得数据进行分组处理,建立的回归方程精度较(1)式有了较大提高,特别是拟合优度R2普遍在0.9以上,较式(1)的0.8有了明显提高,使得回归方程的可信度大大增加.由于对于人工湿地冬季监测的数据较少,按照水力负荷分组后,数量偏少,不足以建立回归方程.

3.2 TP去除回归方程

从所得4组回归方程来看,按照季节以及水力负荷将所得数据进行分组处理,建立的回归方程精度较(2)式有了很大提高,两组回归方程的拟合优度R2在0.9以上,较式(2)的0.68有了明显提高,使得回归方程的可信度大大增加.同时,目前对于人工湿地TP去除关注主要还是由于磷引起的富营养化,所以搜集到的数据以夏、秋为主,春季和冬季较少,同时水力负荷 0.2m/d＜q＜0.3m/d组数据也较少,都不足以建立回归方程.

表7 砾石床TN去除回归方程汇总Table 7 Summary of the regression equations for TN

表8 砾石床TP去除回归方程汇总Table 8 Summary of the regression equations for TP

4 结论

4.1 人工湿地去除效果受季节影响较为明显,整体来说夏季、秋季去除效果较好,春季次之,冬季的去除效果最差;随着水力负荷的增大,人工湿地的去除效果降低;不同种植的植物类型,对于湿地的去除效果影响不明显.

4.2 通过结论 1,将水力负荷以及季节作为人工湿地回归方程建立的依据,建立了12组TN、TP回归方程,每组回归方程的R2都有了不同程度的提高,比较Kadlec等建立的水平潜流人工湿地回归方程,R2更是有了明显的提高,回归方程的精确性有了很大的提高.

[1] 丁志斌,程婷婷,余占环,等.潜流人工湿地与其他工艺组合处理低浓度生活污水 [J]. 中国给水排水, 2007,23(15):86-89.

[2] 崔理华,卢少勇.污水处理的人工湿地构建技术 [M]. 北京:化学工业出版社, 2009:120.

[3] 杨 旭,于水利,张洪洋,等.潜流人工湿地预处理给水厂原水的效能研究 [J]. 中国给水排水, 2009,25(5):48-51.

[4] Billore S K, Singh N, Sharma J K, et al. Horizontal subsurface flow gravel bed constructed wetland with phragmites karka in central India [J]. Water Science and Technology, 1999,40(3):163-171.

[5] 曹 杰.人工湿地对农村生活污水的处理效果研究 [D]. 杭州:浙江大学, 2007.

[6] 陈云霞.人工复合生态床处理村镇生活污水试验研究 [D]. 西安:西安建筑科技大学, 2003.

[7] 付国楷.活性污泥—人工湿地联合处理城市污水研究 [D]. 上海:同济大学, 2007.

[8] 付国楷,周 琪,杨殿海.潜流人工湿地深度净化二级处理出水研究 [J]. 中国给水排水, 2007,23(13):31-35.

[9] 付国楷,周 琪,杨殿海.潜流人工湿地在城市污水三级处理中的应用 [J]. 生态学杂志, 2008,27(2):197-201.

[10] 付融冰,杨海真,顾国维.人工湿地基质微生物状况与净化效果相关分析 [J]. 环境科学研究, 2005,18(6):44-49.

[11] 葛丽英,谈 玲,何成达,等.波形潜流人工湿地污水处理技术研究 [J]. 扬州大学学报, 2004,7(4):76-78.

[12] 顾国泉.潜流人工湿地净化崇明岛村镇富营养化养殖水体研究[D]. 上海:同济大学, 2007.

[13] 海热提,范立维,谢 涛,等.两级潜流人工湿地在中国东北高寒地区的应用研究 [J]. 环境科学, 2007,28(11):2443-2447.

[14] 何成达.DASB、W—SCFW 特性及联合处理生活污水的研究[D]. 南京:河海大学, 2007.

[15] 黄 娟.人工湿地的运行调控及氮转移规律研究 [D]. 南京:东南大学, 2004.

[16] 黄德锋.人工湿地净化富营养化景观水的效果及机理研究 [D].上海:同济大学, 2007.

[17] 籍国东,孙铁珩,常士俊,等.人工潜流湿地处理稠油采出水的实验研究 [J]. 环境科学学报, 2001,21(55):619-621.

[18] 蒋永荣,莫德清,段 钧,等.不同植物配置人工湿地冬季生活污水净化效果比较 [J]. 水资源保护, 2009,25(3):25-28.

[19] 姜 路.微污染原水人工湿地系统预处理试验研究 [D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2006.

[20] 靖元孝,陈兆平,杨丹菁.风车草对生活污水的净化效果及其在人工湿地的应用 [J]. 应用与环境生物学报, 2002,8(6):614-617.

[21] 靖元孝,杨丹菁,任延丽,等.水翁在人工湿地的生长特性及对污染物的去除效果 [J]. 环境科学研究, 2005,18(1):9-12.

[22] Juwarkar A S, Oke B, Juwarkar A, et al. Domestic wastewater through constructed wetland in India [J]. Water Science and Technology, 1989,2(3):291-294.

[23] Kaseva M E. Performance of a sub-surface flow constructed wetland in polishing pre-treated wastewater—a tropical case study [J]. Water Research, 2004,38(3):681-687.

[24] Kuschk P, Wieβner A, Kappelmeyer U, et al. Annual cycle of nitrogen removal by a pilot-scale subsurface horizontal flow in a constructed wetland under moderate climate [J]. Water Research, 2003,37(17):4236-4242.

[25] 刘学燕.北方地区利用潜流人工湿地处理地表水试验研究 [D].北京:中国农业大学, 2004.

[26] 雒维国.潜流型人工湿地对氮污染物的去除效果研究 [D]. 南京:东南大学, 2005.

[27] Mantovi P, Marmiroli M, Maestri E, et al. Application of a horizontal subsurface flow constructed wetland on treatment of dairy parlor wastewater [J]. Bioresource Technology, 2003,88(2): 85-94.

[28] 聂志丹.富营养化水体人工湿地净化技术与底部复氧生境改善技术 [D]. 北京:中国环境科学研究院, 2004.

[29] 戚景南.潜流人工湿地水力学模拟及污染物去除动力学模拟[J]. 重庆:西南大学, 2008.

[30] 石 雷,王宝贞,曹向东.沙田人工湿地植物生长特性及除污能力的研究 [J]. 农业环境科学学报,2005,24(1):98-103.

[31] 孙 亮.两种人工湿地处理低浓度污水的研究 [D]. 济南:山东大学, 2006.

[32] Thomas P R, Glover P, Kalaroopan T. An evaluation of pollutant removal from secondary treated sewage effluent using constructed wetland system [J]. Water Science and Technology, 1995,32(3):87-93.

[33] Urbanc-Bercic O, Bulc T. Integrated constructed wetland for small communities [J]. Water Science and Technology, 1995, 32(3):41-47.

[34] 王庆海,段留生,武菊英,等.北京地区人工湿地植物活力及污染物去除能力 [J]. 应用生态学报, 2008,19(5):1131-1137.

[35] 王 晟,徐祖信,李怀正.潜流湿地处理不同浓度有机污水的差异分析 [J]. 环境科学, 2006,27(11):2195-2199.

[36] 王琳娜,吴若静.水平潜流人工湿地小试系统处理污水厂尾水实验研究 [J]. 环境科学与管理, 2008,33(2):85-88.

[37] 王化杰.人工湿地中含碳有机物的去除及影响因素分析 [D].重庆:西南大学, 2008.

[38] 闻 岳.水平潜流人工湿地净化受污染水体研究 [D]. 上海:同济大学, 2007.

[39] 严 立,刘志明,陈建刚,等.潜流式人工湿地净化富营养化景观水体 [J]. 中国给水排水, 2005,21(2):11-13.

[40] 杨长明,顾国泉,邓欢欢,等.风车草和香蒲人工湿地对养殖水体磷的去除作用 [J]. 中国环境科学, 2006,28(5):471-475.

[41] 杨 旭,于水利,张洪洋,等.潜流人工湿地预处理给水厂原水的效能研究 [J]. 中国给水排水, 2009,25(5):48-51.

[42] 张洪洋,于水利,修春海,等.水平潜流人工湿地系统处理微污染原水的研究 [J]. 环境工程学报, 2008,2(11):1148-1150.

[43] 张 建,邵文生,何 苗,等.潜流人工湿地处理污染河水冬季运行及升研究温强化处理 [J]. 环境科学, 2006,27(8):1561-1564.

[44] 张 海.潜流人工湿地净化大庆地区含油湖泊水体的研究 [D].北京:清华大学, 2006.

[45] 祝宇慧.人工湿地植物筛选及其对营养化污水的净化效果的研究 [D]. 杭州:浙江大学, 2008.

[46] 卓 峰.人工湿地技术寒冷地区应用研究 [D]. 北京:北京化工大学, 2007.

[47] 郑 璞,丁志斌,邓正栋,等.水平潜流人工湿地COD去除回归方程的建立及应用 [J]. 环境科学学报, 2011,31(5):1955-1961.

[48] 郑 璞.水平潜流人工湿地污染物去除回归方程的建立及应用[D]. 南京:解放军理工大学, 2010.

[49] 蒋永荣,莫德清,段 钧,等.不同植物配置人工湿地冬季生活污水净化效果比较 [J]. 水资源保护, 2009,25(3):25-28.

[50] BRIX H. Treatment of wastewater in the rhizosphere of wetland plants the root zone method [J]. Water Science and Technology, l987,19:10-118.

[51] Billore S K, Singh N, Sharma J K, et al. Horizontal subsurface flow gravel bed constructed wetland with phragmites karka in central India [J]. Water Science and Technology, 1999, 40(3): 163-171.

[52] 王世和.人工湿地污水处理理论与技术 [M]. 北京:科学出版社, 2007:147-151.

[53] Kaseva M E. Performance of a sub-surface flow constructed wetland in polishing pre-treated wastewater—a tropical case study [J]. Water Research, 2004,38(3):681-687.

[54] Kuschk P, Wieβner A, Kappelmeyer U, et al. Annual cycle of nitrogen removal by a pilot-scale subsurface horizontal flow in a constructed wetland under moderate climate [J]. Water Research, 2003,37(17):4236-4242.

The foundation of the regression equation about the removal of TN and TP in horizontal subsurface flow constructed wetlands.

ZHENG Pu1,2, DENG Zheng-dong1*, DING Zhi-bin1(1.People's Liberation Army University of Science and Technology, Nanjing 210007, China；2.Number 96528 Troops of People's Liberation Army, Beijing 102202, China). China Environmental Science, 2012,32(11)：2011～2016

In order to study the general effect of treatment of sewage using a horizontal subsurface-flow constructed wetland, a more detailed wetland regression equation of TN、TP needs to be established to guide the design of constructed wetlands. In this study, we used the main pollutant index TN、TP as indicator and classified more than 500 groups of collected data in accordance with the season, hydraulic loading, planting vegetation type in accordance with the "black box model". We analysed different factors affecting pollutant removal by constructed wetlands, took use of season and the hydraulic loading as the main classification criteria. Based on that ,12 groups of regression equations for TN and TP removal were established according to the linear regression method. The goodness of fit R2values ranges from 0.65 to 0.95, showing the accuracy has been greatly improved.

constructed wetlands；regression equation；hydraulic loading；removal rate

2012-03-12

总后勤部基建营房部项目(2007ZHY06057)

* 责任作者, 教授, dengzdong@yahoo.com.cn

X703.1

A

1000-6923(2012)11-2011-06

郑 璞(1982-),男,河北石家庄人,博士,主要从事水污染控制,地下水环境方面的研究.发表论文5篇.