基质配置对潮汐流人工湿地处理稀土矿山含氨氮地表水效果的影响.pdf
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1、第 卷第期有色金属(矿山部分)年月犱 狅 犻:犼 犻 狊 狊 狀 基质配置对潮汐流人工湿地处理稀土矿山含氨氮地表水效果的影响余艳玲,许丹,王师齐,高柏,宋勇,吴琳伟(东华理工大学 水资源与环境工程学院,南昌 ;东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室,南昌 ;江西省地质局有色地质大队,江西 赣州 )摘要:人工湿地(,)可对稀土矿工业开采遗留的氨氮污染废水进行高效生态化处理。添加铁碳和生物炭材料构建四组潮汐流人工湿地,研究不同淹没空置比(犉犇)条件下铁碳和生物炭添加方式及位置对湿地脱氮效果的影响。结果表明,控制犉犇(水流淹没湿地床体后排水空置后下一批次进水),进水 为 ,()对 有较好的脱氮效果
2、,平均去除率 ,最高去除率 ,()对总氮()有较好的去除效果,最高去除率 。高通量测序分析结果显示,生物炭基质湿地 多样性指数各指标均大于铁碳基质湿地。具有固氮作用的变形菌门在 和 中占比 以上,在中占比 以上,是最主要的脱氮菌群。在中发挥好氧硝化作用的硝化螺旋菌占比 以上,酸杆菌门存在近,能适应酸性条件且具有一定脱氮作用。本实验的进行对稀土矿山含氨氮废水的生态化处理具有一定的参考应用价值,为相关领域填补空缺并提供一定的数据支持。关键词:人工湿地;氨氮废水;铁碳材料();生物炭;稀土矿区;环境治理中图分类号:文献标志码:文章编号:()犈 犳 犳 犲 犮 狋 狅 犳 狊 狌 犫 狊 狋 狉 犪
3、狋 犲犮 狅 狀 犳 犻 犵 狌 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 狀狋 犺 犲 狋 狉 犲 犪 狋 犿 犲 狀 狋 狅 犳犪 犿犿 狅 狀 犻 犪狀 犻 狋 狉 狅 犵 犲 狀犮 狅 狀 狋 犪 犻 狀 犻 狀 犵狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲狑 犪 狋 犲 狉 犻 狀狉 犪 狉 犲 犲 犪 狉 狋 犺犿 犻 狀 犲 狊犫 狔 狋 犻 犱 犪 犾 犳 犾 狅 狑犮 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犲 犱狑 犲 狋 犾 犪 狀 犱 ,(,;,;,)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:(),(犉犇)犉犇(,),收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(,);江西省地质局生态环境修复研究项目();核资源与环境
4、国家重点实验室开放基金项目()作者简介:余艳玲(),女,硕士研究生,水利工程专业 :。通信作者:高柏(),男,汉族,博士,教授,博士生导师,地质工程专业,:。第期余艳玲等:基质配置对潮汐流人工湿地处理稀土矿山含氨氮地表水效果的影响 ,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;();离子型稀土矿工业生产中,原地浸矿工艺使用大量硫酸铵()作为浸矿液,残留的氨氮随流域汇水过程迁移,引发严重的矿区水土污染。根据李宇等的调查,稀土元素主产地之一的江西省赣南某稀土矿区流域周边地表水出现不同程度的氨氮污染,其中主沟道的 平均检测浓度为 ,出口处为 ,超过国家标准()倍。伏慧平等对龙南离子型稀土矿区地下水“三氮”(、)
5、的调查研究中发现,矿区 浓度远超地下水类水标准。此后王师齐等对赣南南部某稀土矿地区地下水进行取样和评价,发现部分地区仍然存在 超标问题,急需治理。人工湿地因其高效、绿色生态、低能耗、低成本以及抗水力冲击能力强等优势,已广泛应用于城市污水、农业废水、工业废水等的处理。但进水碳源不足和湿地内部溶解氧含量低是影响人工湿地氮去除效果的限制因素 。潮汐流人工湿地是一种新型的湿地运行模式,其原理是模仿潮汐淹没空置状态交替时湿地床体浸润面变化产生的孔隙吸力将大气氧吸入床体,从而强化去除氨氮、等耗氧污染物,具有较好的处理效果 。有研究表明,潮汐流人工湿地的复氧能力可达 (),远高于传统的曝气型人工湿地()。然
6、而,在实际应用过程中,人工湿地的反硝化作用常因进水碳源不足导致 去除效率较低。研究表明,可通过额外添加碳源(如甲醇、果糖、合成聚合物及植物碳源等)来提高湿地总氮去除,但会显著增加的运行和操作成本,并可能造成二次污染。近年 来,有 学 者 提 出 使 用 生 物 炭、零 价铁、黄铁矿 等新型基质作为电子供体,用于强化人工湿地低碳污水的反硝化脱氮过程。生物炭是一种具有发达孔隙结构的富碳物质,既能作为吸附材料强化对氮、磷等物质的吸附去除,又可作为硝酸根转化的新型有机电子供体。含铁基质通过提供电子来还原硝酸根,产生氧化后的铁离子与磷酸根离子形成化学沉淀,从而实现同步氮磷脱除。目前,人工湿地中基于铁或碳
7、的基质材料添加通常有三种形式:添加单一的生物炭或活性炭、添加单一的铁基材料(如赤铁矿、黄铁矿等),以及同时添加铁、碳两种基质形成铁碳微电解环境。铁、碳基质的同时存在可在湿地中形成微原电池和产生高反应性产物(如()、和 等),提高了污染物去除效率,同时增强了吸附、还原和微生物降解等作用的发挥。等 的研究表明,添加零价铁构成微电解单元后,活性炭和生物炭组去除率分别提高了 和 ,说明铁碳微电解确为强化脱氮手段。目前,采用铁、碳简单混合添加往往带来效果不稳定、易堵塞及后期板结等问题,目前市面上已出现了更加稳定的铁碳复合材料工业成品,但其在人工湿地的实际应用以及效果有待考察。本实验构建四组实验室规模的人
8、工湿地系统,对比分析添加工业化铁碳复合材料和玉米芯生物炭的潮汐流人工湿地脱氮效果,同时结合微生物高通量测序分析,探讨两种基质及其组合对湿地微生物群落结构的影响。实验 实验材料实验所用美人蕉采自江西省灌溉试验中心研究基地,实验室水培处理后取三株长势相近植株分别移栽至每个湿地系统中。微生物取自当地污水处理厂的曝气池活性污泥,用配制的模拟废水(:,值:)进行培 养待用。工业化铁碳材料采购于深圳市蓝泰兴环保材料有限公司,主要成分为精铁粉、精焦炭粉、金属催化剂、少量活化剂,为直径的椭圆黑色球体,堆积密度 ,孔隙率,筒压强度 。生物炭采购于河南郑州生物炭品牌店,为小颗粒固体,由玉米芯高温煅烧而成。人工湿地
9、的构建湿地系统装置由 材料制成,高 ,直径 ,柱体中间放置直径、高 的穿孔管,便于测定湿地系统内部水质参数,在穿孔管四周及出水口处包裹一层纱网,防止基质堵塞出有色金属(矿山部分)第 卷水口,湿地系统从下至上依次是粒径为 的砾石衬托层、研究基质层、供植物快速生长的河沙层和储水空置层组成,由下至上依次装填 砾石,材料和 河沙,由下至上依次装填 砾石、材料和 河 沙,用 作 材 料 装 填 位 置 对 照。由下至上依次装填 砾石、混合材料(材 料 和 生 物 炭 质 量 比混 合)和 河沙,由下至上依次装填 砾石、生物炭和 河沙,具体装填情况及装置名称详见图。湿地系统从顶部进水,流经湿地后,从底部阀
10、门处出水,在实验运行期间,各湿地装置均用锡箔纸包裹,防止阳光照射,模拟真实的地下水环境。实验分为两个阶段进行,阶段控制潮汐流淹没空置比犉犇 (湿地床体进水淹没 后排水空置 再进行下一轮次进水),阶段控制淹没空置比犉犇,做一次回流,回流比例。图人工湿地装置及运行示意图犉 犻 犵 犆 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犲 犱狑 犲 狋 犾 犪 狀 犱 犻 狀 狊 狋 犪 犾 犾 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀狊 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 水质参数及采集分析本实验参考李宇等对稀土矿区周边地表水的调查,模拟人工湿地处理稀土矿区氨氮污染地表水
11、。结合 等 的研究,采用人工配备的模拟氨氮污染地表水开展试验,模拟地表水由硫酸铵()、磷酸二氢钾()、氯化钙()、氯化钠()等(分析纯,阿拉丁)以自来水配制而成。配制模拟废水 浓度为 ,温度为 ,值为 。人工湿地以潮汐流方式运行,控制两组淹没空置比(犉犇 和犉犇)。利用小型水泵(进水量 )将污水快速从湿地顶部泵入湿地系统内,进水负荷为 ()。每天 对 出 水 水 质 指 标 进 行 检 测 记 录,包 括、值 和 温 度 等。实验结束后从每个装置目标基质层收集底物样品,置于聚丙烯塑料样品袋中保存于 的冰箱中。基质样品 送往上 海 生工 生物 工 程 有 限 公 司 采 用 公司的 测序仪进行高
12、通量测序分析()。使用便携式多参数分析仪()测定并记录每天的气温、水温、值等参数。水质指标分析方法参考 水和废水监测分析方法 第四版,采用纳氏试剂分光光度法,使用紫外分光光度法,采用(萘基)乙二胺分光光度法。实验中未引入其他含氮物质,故 近似为、三种无机氮之和。采用 ()软件进行样本显著性狋检验分析,统计计算不同基质条件下的湿地 和 去除率显著性差异,犘 差异有统计学意义。结果与讨论 出水狆 犎值图为各装置各阶段出水 值,进水 值在 的条件下,总体上新型铁碳材料对提高废水 值有明显效果,、能将出水 值提高到 以上,能有效提高并稳定酸性废水 值,这与新型铁碳材料形成的原电池阴极消耗有关。不同阶段
13、 值均稳定在 左右,说明少量 基质也能有效提高出水 值。等 发现核桃壳生物炭产生生物碱性(),酸性废水 值从 提高到 。然而在本实验中第期余艳玲等:基质配置对潮汐流人工湿地处理稀土矿山含氨氮地表水效果的影响对 值的提升效果较差,(阶段从 提升到 ,阶段出水平均 值 ),初步推测生物炭产生的生物碱性对提高低 值废水效果更好,这与等 的研究类似(生物炭 值在 发挥最佳去除效果)。此外,本实验中玉米芯生物炭释放溶解有机碳 且载有较多嗜酸细菌,也使得出水 值偏低。图四组人工湿地系统不同阶段出水的狆 犎值犉 犻 犵 狆 犎狏 犪 犾 狌 犲狅 犳 犲 犳 犳 犾 狌 犲 狀 狋 犻 狀犱 犻 犳 犳 犲
14、 狉 犲 狀 狋 狊 狋 犪 犵 犲 狊狅 犳 犳 狅 狌 狉犵 狉 狅 狌 狆 狊狅 犳 犮 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犲 犱狑 犲 狋 犾 犪 狀 犱狊 狔 狊 狋 犲 犿 狊 脱氮效能 对 的去除图为各装置不同阶段对 的去除情况,阶段平均去除率 ()()()(),阶段平 均 去 除 率 ()()()(),其中 、三组含有 材料的湿地对 的去除率相对较高,与存在显著性差异(狆 )。此外,控制犉犇时可以得到 的最佳去除效果,最高去除率可达 。铁碳基质湿地对 的去除主要依靠微生物作用及材料本身对 的氧化还原,总体上铁碳基质湿地对 的脱氮效果高于生物炭基质湿地,这与 等 研究一致。此外,等
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