人工濕地強化復氧技術研究現狀及設計構想

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摘要：指出了改善人工濕地復氧能力以提高濕地處理能力的研究包括選用利于復氧的植物和填料、跌水曝氣、進水端機械曝氣、間歇式運行等，采取這些措施時，必須結合濕地規模、場地條件、衛生條件要求等實際情況。提出了一種基于間歇式運行的改良小型人工濕地設計構想，為該類型人工濕地強化復氧提供了設計思路。

關鍵詞：人工濕地；溶解氧；復氧技術

中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）01015304

1引言

人工濕地系統中的氧主要被消耗用于有機物和氮等營養物質的生物降解，而作為濕地氧來源的植物根系泌氧及大氣表面復氧所產生的少量氧氣相對于城市污水在實際負荷下所需的氧氣量來說是微不足道的[1]。常規的人工濕地處理系統仍主要為厭氧反應系統，這使得濕地對有機物的去除較為依賴缺氧和厭氧生化反應，處理效率較低；濕地除磷主要依賴基質吸附沉淀作用，隨著植物衰敗和基質吸附飽和，濕地除磷效果將逐漸喪失；常規人工濕地脫氮效率普遍在50%～65%之間[2]，何連生，劉鴻亮等[3]研究認為在有機物豐富的潛流濕地中，硝化菌競爭氧氣能力較弱，按照全程硝化化學計量學得到的硝化需氧量（NOD）高于實際的表面復氧和植物根系放氧，通過濕地表面復氧和根區放氧不能完整地硝化反硝化。

在污水生物處理中，利用溶解氧的生化反應是效率最高的反應過程，并能產生礦化終端產物，因此，形成好氧環境是提高污水生物處理系統處理能效的重要途徑，如何通過改善人工濕地中的溶解氧含量及分布以提高濕地處理效率逐漸受到關注。

2人工濕地工藝條件對濕地氧環境的影響

大氣表面復氧、挺水植物根系氧傳輸和進水溶氧是濕地中溶解氧的主要來源。多數研究顯示，大氣表面復氧強度在0.5～1g/（m2·d）范圍，植物根系氧傳輸強度在0～3g/（m2·d）范圍[4]。從人工濕地工藝運行條件角度分析，影響濕地氧環境的主要影響因素包括植物種類、填料表面性能、水力流態等。

2.1植物種類

不同種類植物的根系氧傳輸能力有所不同，鄢璐，王世和等人[5]研究比較了五種植物濕地供氧能力和穩定性，供氧能力順序為蘆葦>美人蕉>茶花>富貴竹>空心菜。研究表明，濕地植物的生長狀況及其光合作用

收稿日期：20131129

作者簡介：惠斌（1988—），男，陜西渭南人，南京工業大學環境學院碩士研究生。

強度對于濕地DO分布影響顯著，隨著植物凈光合作用速率的增加，DO增加，但污水中污染物降解又消耗了植物光合作用產生的氧，引起DO水平下降。因此，選擇生長旺盛、根系發達和光合作用較強的濕地植物，適當降低污水的負荷，可以改善濕地溶解氧條件。

2.2基質填料

填料物理性質的不同，尤其是孔隙率和表面性質的不同將直接影響其復氧效果，孔隙率大、比表面積大的多孔狀填料具有一定的可選性。

高常飛等[6]通過人工強化生態濾床特性研究可知，火山巖和礫石2種濾料溶氧擴散能力區別較大，利用效率存在明顯差異，比表面積較大的濾料（火山巖）溶氧擴散明顯能力較高。

2.3水力流態

對于潛流人工濕地，在進水溶氧濃度相同時，垂直流人工濕地的氧環境優于水平流人工濕地，垂直流人工濕地獨特的結構設計和水力流態使其更有利于濕地內部的供氧，創造出較好的氧環境，提高各項污染物的去除效果。

2.4水力停留時間

濕地停留時間過短時，水力負荷較高，濕地進出水容易發生短路，好氧反應不能完全進行，氧的消耗較少，故濕地溶解氧較高。停留時間過長時，易造成大量“死水區”，處理效果變差，同時由于有機物負荷較低，氧消耗速率較慢，加之植物輸氧和表明復氧效果，濕地溶解氧濃度有所提高，最佳停留時間對應溶解氧最低值。

3強化復氧技術

常規污水處理技術通常借助高能耗來控制反應器內溶解氧濃度，而對于低能耗甚至無能耗的生態處理技術而言，大型曝氣機械的使用是不現實的。因此，如何因地制宜地控制生態處理系統中的溶解氧濃度，保證出水水質，是生態處理系統設計中的一個重要和關鍵的問題。目前，基于改善濕地溶解氧水平的人工濕地強化處理技術研究主要分為控制運行條件、改變水力流態、強化供氧等。本文對目前幾種高效的濕地強化復氧方式研究進展進行總結和分析。

3.1間歇式運行

聶志丹等[7]研究采用間歇運行方式使人工濕地復氧能力提高了51.1%，對TN和NH+4-N的去除率分別提高了28.6%和51.5%。MichalGreen[8]通過研究發現，在人工濕地系統連續運行1～2d后，將其中的污水排干并閑置2～8d可以提高硝化效果；崔玉波等[9]采用進水12h、排水12h（HRT=1d）的間歇運行方式，使兩級人工濕地對氨氮的去除率提高至99%；彭舉威等[10]采用進水6h、排水6h（HRT=2d）的間歇進、出水方式，提高了濕地系統對COD的處理效能；尹軍等[11]采用進水12h、出水12h（HRT=4d）的間歇進、出水方式，提高了濕地系統對氨氮的處理效能。

王晟、徐祖信[12]等人通過濕地靜態（中高低）浸潤線運行和動態浸潤線運行對比結果表明，根據浸潤線動態設計原理發明的序批式潛流人工濕地污水處理工藝（CBSW）能夠實現了單級濕地內好氧/缺氧環境的交替出現，提高了脫氮能力，除污綜合效果理想。

張帥[13]研究了潮汐式運行人工濕地對高濃度農村生活污水的處理效果，認為潮汐式復氧方式均能明顯提高人工濕地系統對農村生活污水的處理效果，明顯改善微生物硝化、反硝化、生物吸收等作用，有效地提高了人工濕地對COD、氮、磷的去除性能。

近年來，歐洲建設了一些間歇式非飽和潛流人工濕地系統，大多數用于三級處理，運行結果表明，間歇式潛流人工濕地（潮汐流人工濕地）的進水負荷約為傳統潛流人工濕地的2倍。endprint

3.2跌水曝氣

肖海文，鄧榮森等[14]研究認為設置多級多段跌水有利于均衡濕地床填料內的溶解氧分布，促進硝化反應，保證出水水質。高常飛等[15]研究認為跌水曝氣復氧預處理效果明顯，能夠滿足人工強化生態濾床復氧量要求，當跌水曝氣高度在0.6m以內，跌水曝氣DO呈現穩定增加，兩者之間具有正相關關系。葉芬霞等[16]構建了新型人工濕地——塔式復合人工濕地（TICW）處理農村生活污水，利用階梯式跌水進行充氧，克服了目前人工濕地含氧量少、硝化速率慢的瓶頸，對NH+4-N的去除率達到了82%。

英國水污染研究實驗室曾在實驗室和野外對跌水的復氧效應進行了系統地研究，建立了如下預測方程[17]：

r=1+0.38abh（1-0.11h）（1+0.046t）

r為跌水復氧氧虧比，通過氧虧比r可定量地表征跌水復氧的效果，r越大，復氧效果越好。式中h為跌水的自由落差（m）；t為溫度（℃）；a為水質參數，其取值為：較清潔水體為1.8，污染較輕的水體為1.6，中等污染水體為1.0，嚴重污染水體為0.65；b為曝氣系數，其取值隨跌水的方式而變化，普通自由下落跌水為10，階梯跌水為13，多級階梯跌水為135。

雖然跌水曝氣能夠有效改善進水端溶解氧水平，但受場地條件和衛生條件限制，跌水曝氣技術適用范圍有限。

3.3機械曝氣增氧

國內外一些學者采用人工增氧的方法來提高濕地的污水處理能力。孫亞兵等[18]利用改進型自動增氧潛流人工濕地處理模擬生活污水，NH+4-N的平均去除率為88.93%，但系統后期出水均不穩定；Claudiane等[19]采用空氣泵對人工濕地進行強制增氧，結果表明，污水TKN去除率提高了9.4%，但是污水處理費用大大增加；Nivala等[20]用曝氣水平潛流濕地處理垃圾填埋場滲濾液，發現在曝氣下取得了很高的氨氮與BOD5去除率；Ouelle-tPlamondon等[21]在種植了菖蒲的水平流濕地模型進水端人工曝氣，取得了較高的COD和總氮的去除率；Lahav等[21]利用自創的被動增氧技術在垂直流濕地床模型中進行試驗，取得了300g·（m2·d）-1的氮去除負荷；鄢璐等[22]通過對復合潛流濕地前端進行強化供氧，顯著提高了有機質和總氮的去除率。

除上述強化復氧技術外，多點進水、出水回流等技術也能在一定程度上改善濕地內溶解氧水平。濕地溶解氧水平除受人為因素影響，也受到多種自然因素的影響，如溫度、光強等。總的來說，上述強化復氧措施對人工濕地溶解氧環境和凈化效果均有不同程度影響，采取這些措施時，必須結合濕地規模、場地條件、衛生條件要求等實際情況。

4強化通氣復氧構造設計構想

在前文所述的強化復氧技術中，間歇式運行更符合人工濕地低能耗運行的基本特點，對于分散式小規模的人工濕地，復氧技術運用更具靈活性。筆者提出了一種基于間歇式運行的改良小型人工濕地用于分散式污廢水處理回用的設計構想。以海南生態旅游島生態民宿為研究樣本，就地處理回用一家一戶的優質雜排水，達到景觀回用水標準，設計基本參數如下。

4.1設計運行參數

設計水量：

Qw=η1·η2·m·qd

式中：Qw為設計水量，m3/d；η1為水量折減系數，即污水量占用水量的比例，取0.9；η2為雜排水比例系數，即優質雜排水比例占污廢水量的比例，取0.65；qd為用水定額，按照別墅用水定額上限取350L/人·d；m為用水人數，取6，Qw=1.23m3/d。

水質設計參數及處理目標。

根據實地水質檢測和文獻查閱，確定原水水質指標、回用水水質目標及人工濕處理負荷等設計參數，見表1。

4.2基本結構尺寸

4.2.1人工濕地表面積

表面積設計考慮最大污染負荷和水力負荷。人工濕地污染負荷有BOD5表面負荷、CODcr表面負荷、TN表面負荷、NH+4-N表面負荷、TP表面負荷，用污染負荷計算人工濕地面積為：

A=Q（C0-Ce）N

式中：Q為污水流量，m3/d；C0為進水污染物濃度，mg/L或g/m3；Ce為出水污染物濃度，mg/L或g/m3；N為污染物表面負荷，g/m2·d，取值見表1。

用水力負荷計算人工濕地面積為：

A=QNq

式中：Nq為水力負荷，L/m2·d，取值見表1。輸入表1設計參數，經最大污染負荷計算和水力負荷校核，濕地面積取6m2。

4.2.2人工濕地深度

人工濕地設計深度為：

h=T·QA·n

式中：h為人工濕地深度，m；T為水力停留時間，d，取2d；Q為設計流量，m3/d；A為人工濕地表面積，m2；n為人工濕地填料孔隙率，取0.4。

計算得設計深度h=1.025m，本設計中取h=1m，超高為0.2m。設計運行參數見表2。

4.3強化通氣結構設計

根據結構尺寸計算，濕地尺寸較小，結構形式靈活。本設計采用模塊化的箱式結構，沿人工濕地長邊方向的側壁開孔，內壁設網狀圍護防治土壤填料漏出，外壁設通氣集水槽，槽頂設格柵隔檔雜物墜入，工藝結構見圖1。

圖1強化通氣的人工濕地結構示意

穿孔通氣孔在人工濕地長邊方向的側壁上沿基質層深度方向均勻分布，由穿孔通氣口和通氣集水槽構成的通氣系統能夠在濕地不同水位運行狀態下發揮通氣復氧效果，改善基質層溶解氧水平，提高小型間歇式運行或潮汐流運行的人工濕地系統的復氧能力。

5結語

通過改善濕地工藝結構形式、運行條件以及采取適宜的強化復氧技術措施均可以不同程度改善濕地氧環境，從而提高人工濕地對污染物去除效率。對于強調低能耗甚至無能耗的污水生態處理技術而言，機械式強化曝氣供氧不具有廣泛推廣價值；跌水曝氣能夠有效提高進水端復氧效果，但對濕地結構及衛生條件要求較高；間歇式運行或潮汐流人工濕地兼具表流人工濕地和潛流人工濕地的特點，一定程度上客服了潛流人工濕地植物難以發揮作用的缺點和表流人工濕地厭氧環境處理效率低下的缺點，人工濕地干濕交替運行同時也有利于基質強化和再生，能夠有效提高人工濕地脫氮除污能力。endprint

筆者在總結人工濕地強化復氧技術研究成果的基礎上，提出了一種強化通氣結構設計構想，適用于間歇式或潮汐流運行的小型人工濕地系統，為該類型人工濕地強化復氧提供設計思路。

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