人工濕地結構優化淺析

李煥青，侯佳，尹惟惟

（1.天津市水務局，天津300074；2.天津市南水北調曹莊管理處，天津300074；3.天津市排水管理處，天津300202）

人工濕地結構優化淺析

李煥青1，侯佳2，尹惟惟3

（1.天津市水務局，天津300074；2.天津市南水北調曹莊管理處，天津300074；3.天津市排水管理處，天津300202）

人工濕地作為一種自然生物處理方法，可以改進生態結構，促進物質能量的循環。濕地池形結構設計是影響濕地系統對氮和磷去除效果的重要因素。通過試驗得出結論，波式流濕地對污染物的去除效果好且投資費用低，是一種較為理想的濕地結構形式。

人工濕地；填料結構；曝氣；污染負荷；濕地結構

近年來，隨著工業的發展和人口的增長，城市和農村的污染情況不斷升級，嚴重影響了人們的生產生活。目前，天津市農村水環境質量普遍較差，已嚴重影響到農村居民的居住環境，直接影響社會經濟可持續發展，威脅廣大人民群眾的身體健康。人工濕地處理技術正是研究開發解決這一問題的新技術。人工濕地作為一種自然生物處理方法，可以改進生態結構，促進物質能量的循環。濕地池形結構設計是影響濕地系統對氮和磷去除效果的重要因素，本文通過試驗進行人工濕地結構優化研究。

1 填料結構對水體凈化效果的影響

本研究試驗共設2套裝置。其中，第1套裝置以頁巖和粗礫石作為填料基質，下行潛流濕地單元填充35 cm厚粗礫石作為底料，起收水和支撐作用，粗礫石上填充45 cm厚頁巖作為主填料層，最后為防止進水管堵塞，在頁巖表面填充10 cm厚粗礫石。上行潛流濕地單元填充50 cm厚頁巖為主填料，底料粗礫石為40 cm厚，最后為防止出水管堵塞，在頁巖上填充10cm厚粗礫石。

第2套裝置除頁巖和粗礫石外又加入了生物填料作為填料基質，下行潛流濕地單元填充35 cm厚粗礫石作為底料，粗礫石上填充35 cm厚頁巖和10 cm厚生物填料作為主填料層，最后為防止進水管堵塞，在頁巖表面填充10 cm厚粗礫石。上行潛流濕地單元填充40 cm厚粗礫石作為底料，粗礫石上填充40 cm厚頁巖和10 cm厚生物填料為主填料，最后為防止出水管堵塞，在頁巖上填充10 cm厚粗礫石。2套裝置的填料結構，如圖1所示。

圖12 種填料結構人工濕地模擬裝置

試驗開始前，分別在每個濕地單元內種植8株生物量相當的香蒲作為濕地植物。植物種植的第1周，由于環境條件的改變，香蒲大部分地上植物組織（莖和葉）枯萎。為防止死亡的地上組織（莖和葉）脫落入潛流濕地，將所有地上植物組織清除。經過約2周的維護，新的幼株高度達到約0.3 m。

研究表明，2種填料結構組成的人工濕地系統對水體中的COD、氮磷均有一定的去除作用，雖然2種填料結構對水體中氮和磷的去除隨運行時間變化略有差異，但總體而言，去除效果基本相當，無顯著性差異。綜合考慮填料結構對水體的凈化效果以及填料的來源和成本等因素，在后續示范工程中推薦使用的填料結構為：粗礫石作為底料，起收水和支撐作用；頁巖作為主填料層；在頁巖的表面填充粗礫石，防止進水管堵塞。

2 曝氣方式對水體凈化效果的影響

本試驗采用垂直潛流濕地中的填料結構，共設置3套裝置，其中第1套中部曝氣、第2套底部曝氣、第3套無曝氣對照。在第1套下行流和上行流單元的中部（距頁巖填料上表面30 cm）和第2套下行流和上行流單元的底部（距裝置底部10 cm）均勻布置3個曝氣頭（在同一水平面上）。采用最大供氣量100 L/min的ACQ-007型小型空氣壓縮機向第1套和第2套濕地間歇曝氣，每天8∶30—16∶30曝氣8 h，其余時間不曝氣，氣水比為5∶1。曝氣對人工濕地去污效果試驗裝置結構，如圖2所示。

圖2 曝氣對人工濕地去污效果試驗裝置

盡管第1套和第2套內香蒲莖葉中磷的含量高于第3套，但由于第1套和第2套中地上組織的生物量較低，所以通過植物收割去除的磷并沒有因為間歇曝氣而增加。與無曝氣系統相比，通過收割香蒲地上組織可使氮去除分別增加11.6 g/m2（中部曝氣）和12.6 g/m2（底部曝氣）。濕地植物貯存的氮和磷在春季從根系向莖葉轉移、在秋季從莖葉向根系轉移，導致莖葉中氮和磷含量在春季高于秋季。本試驗也觀測到類似現象，香蒲莖葉中氮和磷含量在種植前高于收割時。為防止植物吸收的氮和磷從莖、葉向根系轉移，應當在秋季及時收割濕地植物，最大限度地移出植物吸收的氮和磷。

3 污染負荷對水體凈化效果的影響

人工濕地系統在運行過程中，每一階段的水力負荷是固定的，但由于進水的污染物濃度在不斷變化，所以其相應的污染負荷也在不斷波動變化。利用前述試驗過程中COD、NH4+-N、TN和TP（氮和磷）進、出水濃度監測結果，分別計算進水污染負荷和濕地去除負荷。其計算公式分別為：

式中：H為濕地處理系統的水力負荷[m3/（m2·d）]；Q為濕地處理系統的流量（m3/d）；Ci為污染物i的進水濃度（mg/L）；Ci0為污染物i的出水濃度（mg/L）；A為濕地處理系統的面積（m2）；λi為進水污染負荷（mg·m/dL）；μ為濕地去除負荷（mg·m/dL）。

經計算，人工濕地系統運行過程中的污染負荷變化范圍見表1。

表1 人工濕地系統運行負荷

根據人工濕地處理系統進水中的污染負荷與去除負荷進行回歸分析，研究人工濕地處理系統對COD、、TN和TP（氮和磷）的去除負荷與進水污染負荷的相關關系。

4 濕地結構對水體凈化效果的影響

對二級垂直流濕地和三級垂直流濕地、二級垂直流濕地與波式流濕地的去除性能進行比較研究，二級垂直流濕地、三級垂直流濕地和波式流濕地結構分別如圖3—5所示。

圖3 二級垂直流濕地結構

圖4 三級垂直流濕地結構

圖5 波式流濕地結構

試驗過程中在水量調節池內進行連續曝氣預處理，各池內部均未曝氣，而且各池水力負荷是相等的，均為500 mm/d，以上各池進水均由調節池內供水，進水水質完全相同，其中COD濃度為150～180 mg/L、TN濃度為15～18 mg/L、TP濃度為1.0～1.5 mg/L。各對比池影響因子對比情況，見表2。

結果表明，池形結構對TP（磷）去除效果的影響與TN（氮）相似。在水力負荷、曝氣方式、填料結構和種植植物相同的情況下，二級處理池對TN（氮）去除率略高于三級處理池，而垂直流濕地對TP（磷）去除效果與波式流濕地基本相當，并無明顯優劣差異。

表2 各對比池影響因子對比情況

5 結論

濕地池形結構設計是影響濕地系統對TN和TP（氮和磷）去除效果的重要因素。在不同池形結構設計中，二級處理池的效果優于三級處理池，而垂直流與波式流濕地對污染物的去除效果基本相當，但由于波式流濕地在建設過程中可省去布水管道，在取得相同去除效果的情況下，波式流濕地的投資費用要低于垂直流濕地，因此波式流濕地是一種較為理想的濕地結構形式。

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：1004-7328（2017）01-0049-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.015

2016—11—10

李煥青（1983—），男，工程師，主要從事水利工程建設和管理工作。