水平潛流人工濕地處理住宅灰水技術研究

唐世敏，秦慶東，錢元弟，王孝平，雷團結

（1.馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.東南大學 市政工程系，南京 210096）

水平潛流人工濕地處理住宅灰水技術研究

唐世敏1，秦慶東2，錢元弟1，王孝平1，雷團結1

（1.馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.東南大學 市政工程系，南京 210096）

以陶粒及天然沸石為基質，黃菖蒲為植物，構建新型水平潛流式人工濕地，研究其凈化實際小區灰水的效果，進水流量50 L／d，水力停留時間2 d，進水COD、NH3－N、TN、TP濁度為164、4.3、5.2、0.44 mg／L、82.4 NTU 時，出水可分別降至70、1.07、2.07、0.33 mg／L、7.27 NTU，去除率分別為57.32%、75.19%、60.26%、24.24%、91.18%，對實際灰水COD、NH3－N、TN、濁度有良好的去除效果。利用人工配水考察不同水力停留時間下濕地的去污效果。提高停留時間能有效提高濕地對COD、NH3－N的去除效果，停留時間為3 d時，該濕地的去污效果最好，COD、NH3－N、TN、TP濁度去除率分別為68.46%、81.75%、66.67%、34%、86.91%。

住宅灰水；人工濕地；去污效果

近年來水污染問題已經得到社會及政府的廣泛關注，水污染處理工程及設備日臻完善，城市給排水管網系統也在不斷修建和改造當中。住宅小區作為人們生活的主要場所，其集中用水主要包括人的起居、飲食、出行等方面，用水特點可以概括為水量大，用處廣，水質成分復雜。面臨水資源日漸匱乏的狀況，提高住宅小區水資源的利用效率，不僅能緩解水資源緊缺的問題，還能減輕城市污水處理的壓力，可謂一舉兩得。

住宅小區污水根據其來源和水質可分為灰水（grey water）和黑水（black water）兩大類，國內外關于灰水和黑水的定義基本一致。灰水是指淋浴、盥洗、洗衣、廚房排出的廢水［1］，由于廚房廢水有機物濃度較高，并含油等雜質，現在一些學者已不將其歸為灰水一類［2］；由于地區差異，灰水水量及水質差別很大。上海、北京等經濟發達地區，每日灰水量可達100～200 L／（人·d），而缺水或欠發達地區灰水量用量僅20 L或更低；經濟發達的上海等地其灰水水質也明顯優于缺水或欠發達的地區，表1［3］列出了我國平均生活用水水量及一些基本水質指標。Halalshe［4］，Li［5］等學者在自己的文章提到有關國外灰水水量和基本水質的情況，其灰水水量從20～150 L／（人·d）不等；水質差別也相差很大，就單COD指標而言，平均灰水COD含量最低僅100 mg／L不到，最高竟可達2 000 mg／L。

表1 住宅生活水的比例

灰水回用需要滿足衛生，安全，環境友好和經濟可行等諸多條件［6］。灰水回用及技術規范的缺失將妨礙灰水回用的發展。國內住宅中水回用經過多年發展，已經有相關的中水回用設計規范和技術，例如，2001年我國頒布了《中水回用設計規范》。但在運行管理方面還存在諸多漏洞和疏忽，深圳地區早在20世紀90年中期就有70多個小區在建設工程中安裝了中水管道系統，總規模達400 m3／h，但實際運行的只有2座，規模才為30 m3／h［6］。多年來，在中水回用設計上也沒有制定新的地區性設計規范和規程，設計規范籠統單一，不利于實際住宅區中水回用的實現，也沒有開發專門針對灰水分質收集的配套設備和集水系統。國外例如1999年德國柏林參議院辦公室建立了灰水回用指南［7］，2006年世界衛生組織頒布了灰水回用農田灌溉指南［8］等等，地區及國家性的指南及標準不可勝數。

灰水技術作為灰水回用領域的核心，是研究灰水回用的重點。國內外諸多學者已經就灰水處理技術的分類達成了基本的共識，即物理、化學處理技術、生物處理技術和生態技處理術。灰水的物理、化學處理技術主要包括化學混凝、膜處理。通過化學混凝和膜處理可以有效去除灰水中污染物質，降低灰水的濁度，其缺點包括膜污染、化學污泥污染和不能有效去除灰水中的病原微生物；灰水的生物處理工藝是利用反應器中的微生物對灰水中的有機物和營養物質進行降解和去除，主要包括SBR、生物轉盤、接觸氧化、MBR等，國內在這些生物處理工藝應用于污水廠尾水、微污染水、城市灰水，并進行了相關研究和探討；灰水的生態處理技術主要包括氧化塘、人工濕地等自然凈化系統，利用自然自身和人工填料對污水進行就地處理。

作為生態處理技術中的一種，人工濕地被認為是“環境最友好，經濟效益高”的灰水處理技術［9］，也是近年來國外學者研究的熱點。Gross等［9］研究的循環垂直流人工濕地應用于高負荷混合型灰水處理，其進水TSS，BOD5，COD，TN，TP質量濃度從158、466、839、34.3、22.8 mg／L降至出水的3、0.7、157、10.8、6.6 mg／L。由于其處理效果良好、運行費用低、環境效益好等諸多特點，必將成為今后灰水處理領域研究的熱點。

人工濕地是20世紀70年代發展起來的新型廢水處理工藝［10］。它根據自然濕地生態系統中物理、化學、生化反應的協同作用來處理廢水，其主要構成可分為三方面：基質、植物、微生物。

人工濕地中的基質又稱填料、濾料，它一般由土壤、細沙、粗砂、礫石、碎瓦片或灰渣等構成。基質是污水處理的主要場所，也是微生物的主要載體，同時又可以為水生植物提供支持載體和生長所需的營養物質，當這些營養物質通過污水流經人工濕地時，基質通過一些物理、化學途徑（如吸附、吸收、過濾、沉淀、絡合反應和離子交換等）來去除污水中的N、P等營養物質。

在人工濕地凈化污水過程中，植物主要發揮三個重要作用：直接吸收利用污水中可利用的營養物質，吸附和富集重金屬和一些有毒有害物質；為根區好氧微生物輸送氧氣；增強和維持介質的水力傳輸能力。

微生物起到了凈化污水的主要作用。附著生長在基質填料及植物根系部位的微生物承擔了污水中大部分有機物的降解任務。

筆者搭建小試人工濕地進行灰水處理，并根據不同進水條件，進行灰水處理效果分析。

1 材料與方法

1.1 基質的選取

基質選取主要考慮其對TN、TP的吸附性能，陳麗麗［11］等就沸石、陶瓷濾料和爐渣3種材料的吸附性能進行了對比，發現陶粒對TP的吸附性能最好，沸石對NH4－N的吸附性能最好，為了平衡基質對N、P的吸收效果，實驗裝置內基質采用沸石和陶粒組合的方式。

1.2 植物的篩選

篩選植物的原則，可以概括為以下幾點［12－14］：1）植物的適應性。植物耐受污染物和高度富營養化水體的能力強，抗逆性強（抗凍、抗熱和抗病蟲害能力強），以鄉土植物為主。2）植物的生長力強。在濕地環境中，植物能夠繁殖、建群、擴展和生長，生物量較大，生長周期長，根系發達。3）景觀性。選擇的植物應與周圍的景觀融合一體，具有觀賞價值。4）多樣性。盡量設計多種植物組合去污，做到物種間的合理搭配。5）經濟性。種植經濟價值高的植物。6）易于管理。選用易于管理的植物，避免造成二次污染。本實驗裝置可以栽種菖蒲、香蒲及蘆葦等作為濕地植物，這些植物具有抗寒，景觀性好，價格便宜等諸多優點。

1.3 水流方式的設計

應用于住宅小區灰水處理的人工濕地不宜采用表面流（容易滋生蚊蠅）；基質并不單一（陶粒、沸石、泥土），孔隙率變化大，垂直流容易堵塞；可以選擇水平潛流式人工濕地。

1.4 濕地的搭建與實驗步驟

實驗裝置為長80 cm、寬40 cm、高65 cm的濕地，PVC材料制作，左邊進水部分長10 cm，其中填滿礫石，作為前置過濾（去除灰水中的毛發及衣物纖維等），中間濕地主體填料部分上層為土壤（高度15 cm），下層為沸石、陶粒（高度45 cm），植物為菖蒲，右邊出水部分長10 cm，濕地主體兩側25 cm下方打孔，水流從進水口均勻布水流經礫石、陶粒、沸石、土壤至右邊出水。圖1為示意圖，圖2為裝置實際圖。

圖1 濕地裝置示意圖

圖2 濕地裝置實際圖

實驗裝置搭建于江蘇省南京市環科院內，于2012年8月啟動，初期進水采用人工配水，配水COD100～150 mg／L（采用葡萄糖來投加），NH4－N 8～10 mg／L（采用硫酸銨投加），TP0.5 mg／L（磷酸二氫鉀），同時投加少量鈉、鉀、鐵、錳等微量元素及蛋白胨。由蠕動泵向濕地裝置連續進水，進水流量50 L／d，停留時間2 d，至2013年3月，運行6個月，出水基本穩定。2013年3～6月初（春季）研究進水流量及水質變化對裝置處理效果的影響。進水為人工合成及實際采樣灰水兩種。具體實驗步驟如下：

1）采用實際灰水進水，首先測量實際灰水水質，灰水收集自東南大學學生集體宿舍淋浴廢水、盥洗廢水洗衣廢水，水量混合比2∶1∶1，每次收集水樣350 L，進水階段流量調節為50 L／d，可運行1周，每隔3 d進行一次出水水樣檢測，取3次灰水，共歷時1個月。

2）采用人工合成灰水，在保證進水水質一致的前提下，通過調節泵的流量，控制人工濕地的停留時間，控制停留時間分別為1、2、3 d，流量分別為100、50、25 L／d。每個階段運行15 d，每個階段間隔5 d的適應時間，每3天測一次出水水質，共歷時2個月。

1.5 測量方法及使用儀器

測量指標為COD、NH3－N、TN、TP、濁度各指標測量具體步驟均參照《水和廢水監測分析方法》第四版中的方法。實驗用COD測定儀：TWT（Themoreaktor CR3000）德國產；紫外可見分光光度計（T6新世紀）北京普析通用儀器有限責任公司；立式電熱壓力蒸汽滅菌器（LDZX-50B）上海悅豐儀器儀表有限公司。

2 實驗結果與討論

2.1 考察人工濕地對實際灰水的處理效果

采樣灰水，進水各指標如表2所示。

表2 3次采樣灰水各類指標

2.2 對COD的去除效果

實際灰水的COD的值在142～189 mg／L之間；從表3可知，濕地對COD的去除率46.56%～61.59%；當COD濃度較高時，出水COD濃度值也相對較高，去除效率相對較低；進水COD為164 mg／L時去除效率最佳，平均去除效率為57.32%，進水濃度為189 mg／L時，去除效率最低，平均去除效率48.68%；可見該濕地對COD濃度為150 mg／L的灰水具有良好的去除效果。

表3 實際灰水COD去除效果

續表3

2.3 對 NH3－N、TN的去除效果

實際灰水的 NH3－N的為4.1～5.2 mg／L、TN為4.9～6.3 mg／L；從表4可知，3次水樣的進水NH3－N濃度變化較低，平均出水質量濃度基本穩定在1～1.1 mg／L左右，平均去除效率分別為75.19%、77.56、60.76%；TN 平均出水質量濃度2.0～2.4 mg／L，平均去除效率分別為 60.26%、61.38%、58.50%；由于進水 NH3－N與 TN 濃度變化不高，濕地內除了有微生物的硝化、反硝化作用，同時沸石、陶粒基質也對NH3－N有良好的吸收作用，保證了濕地良好的除氮效果。

表4 實際灰水NH3－N、TN去除效果

2.4 對TP的去除效果

實際灰水的TP為0.44～0.54 mg／L；從表5可知，3次水樣的進水TP濃度較低，平均出水濃度分別為0.33、0.34、0.34 mg／L，去除率僅為24.24%～37.04%；進水無機磷被微生物降解為有機磷之后，只能通過植物吸收和基質對有機磷的攔截作用來去除，因此效果較差 ；由于進水TP濃度較低，雖然去除效果不佳，但仍能滿足住宅小區灰水回用的要求。

表5 實際灰水TP去除效果

2.5 對濁度去除效果

實際灰水的濁度為82.4～102 NTU；從表6可知，該濕地對灰水的濁度有良好的去除效果，出水濁度低于10 NTU，去除率可達90%以上，出水效果穩定；可見前置礫石過濾＋基質吸附＋后置沉清池出水的工藝裝置設計可以保證出水的低濁度。

表6 實際灰水濁度去除效果

3 考察水力停留時間對除污效果的影響

3.1 水力停留時間對COD去除效果的影響

進水COD為104 mg／L，在1、2、3 d水力停留時間下出水COD平均質量濃度為78、72、57 mg／L，隨著水力停留時間的增加濕地對COD的去除效率也逐步提高，由平均停留時間1 d的57.14%提高至平均停留時間3 d的68.46%，具體數據如圖3所示。

濕地系統對COD的去除主要依靠微生物的降解作用，當水力負荷過大時，對應的斷面流速較大，根系微生物與污染物的接觸時間較短，對污染物的分解利用有限而使其不能充分發揮降解和吸收作用，保證足夠的接觸時間，可以有效的提高微生物降解有機物的能力，提高COD的去除率，但停留時間過長，將降低濕地的處理能力。

3.2 水力停留時間對NH3－N、TN去除效果的影響

進水 NH3－N為5.7 mg／L，TN 為6.3 mg／L在1、2、3 d水力停留時間下出水 NH3－N平均質量濃度為1.58、1.26、1.04 mg／L，出水TN平均質量濃度為2.24、2.18、2.1 mg／L，隨著水力停留時間的增加，濕地對NH3－N、TN的去除效率也有所提高，由平均停留時間1 d的72.28%、66.44%提高至平均停留時間3 d的81.75%、66.67%；具體數據如圖4、5所示。

濕地系統中氮的去除主要通過微生物的硝化、反硝化作用和植物的吸收作用和基質的吸附作用，由實驗數據可知，基質吸附速率應遠高于微生物分解作用，隨著停留時間的增加，N的去除效率的提高應主要來自微生物的貢獻。

圖4 不同水力停留時間對NH3－N去除效果

圖5 不同水力停留時間對TN去除效果

3.3 水力停留時間對TP去除效果的影響

進水TP為0.50 mg／L，在1、2、3 d水力停留時間下出水TP平均濃度為0.38、0.37、0.34 mg／L，隨著水力停留時間的增加濕地對TP的去除效率提高并不顯著，由平均停留時間1 d的23%提高至平均停留時間3 d的34%，如圖6所示。

本裝置除磷效果較低的主要有3個原因，陶粒、沸石基質的吸附能力不夠；陶粒、沸石基質上沒有形成能高效分解有機磷的微生物；植物黃菖蒲對磷的吸收效果不明顯。

圖6 不同水力停留時間對TP去除效果

3.4 水力停留時間對濁度去除效果的影響

進水濁度為46 NTU，在1、2、3 d水力停留時間下平均出水濁度為8.6、7.3、6.0 NTU，出水濁度低于10 NTU，甚至接近5 NTU，去除率達到了80%以上，具體數據如圖7所示。

停留時間變化對于出水濁度的變化不大，該濕地去除灰水濁度主要依靠前置礫石過濾、基質吸附及后置澄清作用，以物理作用為主，作用時間短，1 d的停留時間已基本能夠去除水中大部分濁度。

圖7 不同水力停留時間對濁度的去除效果

4 結 論

1）用該人工濕地裝置處理實際灰水，對實際灰水有良好的去污能力，平均COD去除率近60%、NH3－N去除率近80%、TN去除率近65%、TP去除率近80%、濁度去除率高達90%。

2）在不同停留時間下考察該濕地對灰水的去污能力，通過實驗結果發現，水力停留時間為3 d、進水流量為25 L／d時，該濕地的去污效果最好，COD去除率68.46%、NH3－N去除率81.75%、TN去除率66.67%。

3）該裝置除磷效果較差，應通過更換其他類基質、嘗試種植其他類植物等方式提高濕地對磷的去除效果。

4）提高水力停留時間能夠提高濕地的去污能力，實際濕地的停留時間應結合濕地的大小及實際灰水處理量決定，應盡可能保證濕地的停留時間，保證灰水處理效果。

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（編輯 張 蘋）

A Study of Residential Grey Water Treated by Subsurface Horizontal Constructed Wetland

Tang Shimin1，Qin Qingdong2，Qian Yuandi1，Wang Xiaoping1，Lei Tuanjie1

（1.Maanshan MCC17 Engineering Science ＆ Technology Co.，Ltd，Maanshan 243000；2.Department of Municipal Engineering，Southeast University，Nanjing 210096）

Ceramsite and natural zeolite were used as mixed substrates in subsurface horizontal constructed wetland which is planted with Yellow flag to investigate the treatment efficiency of real residential grey water，Inflow rate was 50l／d，HRT was 2d.The wetland reduced COD，NH3－N，TN，TP and turbidity from 164mg／l，4.3mg／l，5.2mg／l，0.44mg／l，82.4NTU to 70 mg／l，1.07 mg／l，2.07 mg／l，0.33 mg／l，7.27NTU，removal efficiency was respectively 57.32%，75.19%，60.26%，24.24%，91.18%，and have a good performance in COD，NH3－N，TN，turbidity treatment.Used synthetic grey water to study different HRT effect of wetland.Increasing HRT could be increase the wetland ability of COD，NH3－N removal.When the HRT was 3d，the wetland had the best decontamination effect.The removal efficiency of COD，NH3－N，TN，TP，turbidity was respectively 68.46% ，81.75%，66.67%，34%，86.91% .

residential grey water，constructed wetland，decontamination effect

X171.4

A

1674-4764（2013）S2-0146-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.038

2013-09-30

東南大學 十七冶可持續土木工程新技術聯合研發中心基金項目

唐世敏（1968-），男，教授級高級工程師，主要從事工程地質、建筑材料和住宅產業化研究，（E-mail）tsm＠MCC17.cn。