礫石潛流—浮橋平流復合濕地系統凈化生活污水研究

譚洪濤 李嘉 薛祝緣

摘要[目的]研究礫石潛流-浮橋平流復合濕地系統對生活污水的凈化效果。[方法]人工組建礫石潛流-浮橋平流復合濕地系統，以生活污水為研究對象，考察該系統對污水中化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的凈化效果。[結果]系統對生活污水中COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為73.3%、56.1%、47.1%、65.7%；一級濕地單元對COD的去除效果較好，二級濕地單元對NH3-N、TN和TP的去除效果較好，三級濕地單元對各項污染指標的去除率均較差。[結論]礫石潛流—浮橋平流復合濕地系統對生活污水整體凈化效果良好，可拓展研發新型生態污水處理技術。

關鍵詞 礫石潛流；浮橋平流；生活污水；凈化效果

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）22-0052-03

Abstract[Objective]The purification effect of gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system on domestic sewage was studied.[Method]We constructed a gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system and took domestic sewage as the research object， to observe the purification effect of the system on COD， NH3-N， TN and TP in sewage.[Result]The average removal rates of COD， NH3-N， TN and TP in domestic sewage were 73.3%， 56.1%， 47.1% and 65.7%， respectively. The first level wetland unit had better removal effect on COD. The second level wetland unit had better removal effect on NH3-N， TN and TP. The third level wetland unit had poor removal rates for all pollution indicators.[Conclusion]Gravel subsurface flow floating bridge advection composite wetland system has good effect on domestic sewage purification and can develop new ecological sewage treatment technology.

Key words Gravel subsurface flow；Floating bridge advection；Domestic sewage；Purification effect

蕹菜（Ipomoea aquatica），又名空心菜，旋花科一年生草本植物，喜溫暖濕潤，現已作為一種蔬菜廣泛栽培[1]。浮萍（Lemna minor），又名青萍，為浮萍科植物，在我國各省都是常見的水面浮生植物[2]。金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）屬懸浮于水中的多年沉水草本植物，在我國分布廣泛，適應能力強[3]。荷花，又名蓮花，毛茛目睡蓮科蓮屬，多年生水生草本花卉，地下莖長而肥厚，葉盾圓形[4-5]。人工濕地技術自20世紀七八十年代發展起來至今已有近50年的歷史，因為其對污水中有機物、氮、磷等具有較好的去除效果，同時在構建和運行成本方面較其他污水處理方式低，因此，目前在我國許多中小城鎮和鄉村等資金匱乏地區應用較為普遍[6-8]。筆者通過人工組建礫石潛流-浮橋平流濕地單元，引進新的浮橋技術和采用新的組合方式，探索了新型污水處理系統，研究了其對生活污水的凈化效果[9-12]，旨在為更好地實現廉價、簡便、效果良好的生態污水處理技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

蕹菜取自四川省綿陽市青義鎮青羊村一處農田（104°40′3.56″E，31°34′14.17″N）；浮萍、金魚藻和荷花取自青義鎮任家溝一池塘處（

104°40′3.57″E，31°34′14.16″N）。

1.2 試驗設計

試驗構建3個處理單元，由塑料扣板（PVC）制成，尺寸為750 mm×550 mm×350 mm，串聯組成一級礫石潛流濕地單元（HF1，礫石基質填充，種植蕹菜）+二級浮橋平流濕地單元（HF2，泡沫隔板水下隔開，種植浮萍和金魚藻）+三級緩沖單元（HF3，底泥，種植荷花）的復合濕地系統（圖1），系統各級濕地單元進出水口高程差根據系統運行情況在（250±25）mm內調節。

1.3 試驗方法

根據試驗系統設計方案，在西南某大學污水處理廠空地一大棚內構建復合濕地系統，選取采掘生長情況良好的植株分別移栽至系統各級濕地單元進行試驗。通過計算及前期部分研究，在植物栽種后，調節系統在水力負荷為0.225 m3/ （m2·d）的條件下連續運行7 d，待植物成活并生長穩定后，再連續運行30 d，采樣周期為3 d一次，分析礫石基質單元、浮橋平流單元、緩沖單元及整個系統對污水的凈化效果。試驗期間，氣溫為24～33 ℃，濕度為68%～89%。

1.4 試驗水質及分析方法 試驗所用原水（INC）為該污水處理廠格柵出水，水質指標：pH 6～8，化學需氧量（COD） 120～200 mg/L，氨氮（NH3-N） 20～30 mg/L，總氮（TN） 25～40 mg/L，總磷（TP） 1.5～4.0 mg/L。

污水中各指標的分析方法：COD采用快速密封催化消解法（HZ-HJ-SZ-0108）；NH3-N采用納氏比色法（GB 7479—87）；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）；TP采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）[13]。

2 結果與分析

2.1 系統對COD的凈化效果

由圖2、3可知，系統COD進水濃度在137.6～172.6 mg/L，HF1出水濃度為53.3～93.3 mg/L，COD去除率在38.8%～60.7%；HF2出水濃度為40.7～67.7 mg/L，COD去除率在7.3%～20.3%；HF3最終出水濃度為31.3～51.7 mg/L，COD去除率在6.5%～15.2%。由此可以看出，系統對COD的綜合去除率（TR）在65%～80%，整體出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。其中，HF1對COD的去除貢獻率最高，占主導作用，這可能是因為系統運行前期HF1主要依靠礫石基質和植物根系的吸附、吸收作用，后期這種作用逐漸減弱，表現為COD去除率逐漸降低。HF2和HF3對COD的去除貢獻率較低，可能是因為這2級濕地單元無基質填料，對COD的吸附和降解效果較差，使得去除貢獻率較低。

2.2 系統對NH3-N的凈化效果

由圖4、5可知，系統NH3-N進水濃度在21.2～25.9 mg/L，HF1出水濃度為16.3～21.6 mg/L，NH3-N去除率在13.2%～25.7%；HF2出水濃度為10.8～15.5 mg/L，NH3-N去除率在18.9%～32.5%；HF3最終出水濃度為8.1～13.1 mg/L，NH3-N去除率在7.2%～17.1%。由此可以看出，系統對NH3-N的綜合去除率在48%～62%，整體出水水質可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準。其中，HF2對NH3-N的去除貢獻率最高，占主導作用，這可能是因為系統調試運行穩定后，浮萍和金魚藻進入生長期，進行快速的自我繁殖，使得HF2水體pH上升，加快了水中NH4+向NH3之間的轉化速率，起到去除NH3-N的作用；其次，藻類繁殖過程中部分腐敗的殘體可以被微生物作為碳源利用，促進其反硝化作用從而去除水體中的NH3-N。另外，HF1和HF3對NH3-N也有較好的去除作用，但與HF2相比較低，可能是因為基質的吸附作用和植物根系對轉化后的無機氮的吸收作用相對較弱。

2.3 系統對TN的凈化效果

由圖6、7可知，系統TN進水濃度在26.4～31.6 mg/L，HF1出水濃度為19.5～25.2 mg/L，TN去除率在10.0%～26.7%；HF2出水濃度為13.9～19.1 mg/L，TN去除率在13.4%～30.4%；HF3最終出水濃度為11.9～16.5 mg/L，TN去除率在4.1%～9.3%。由此可以看出，系統對TN的綜合去除率可以達到41.0%～56.0%，整體出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。污水中TN主要通過NH3的揮發、植物吸收、基質吸附和離子交換等作用去除，系統中HF1和HF2對TN的去除效果較好，占主導作用，這可能是因為礫石基質的吸附作用與藻類快速生長對氮的吸收作用，使得氮元素在較短時間內被快速去除，而HF3受進水TN濃度較低的影響對TN的去除效果始終較差。

2.4 系統對TP的凈化效果

由圖8、9可知，系統TP進水濃度在1.6～2.7 mg/L，HF1出水濃度為1.2～2.1 mg/L，TP去除率在19.4%～33.0%；HF2出水濃度為0.7～1.3 mg/L，TP去除率在18.3%～38.1%；HF3最終出水濃度為0.5～1.1 mg/L，TP去除率在7.2%～13.9%。由此可以看出，系統對TN的綜合去除率可以達到58.8%～73.2%，整體出水水質可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準。系統運行前期HF1和HF2對TP的去除效果較好，且隨著時間的增加去除率不斷增加，但到系統運行中后期，這種趨勢逐漸減緩甚至下降，可能是因為基質逐漸吸附飽和和藻類腐敗的影響，這也在一定程度上限制了傳統人工濕地對磷的進一步去除。HF3對TP的去除效果始終較差，在整個濕地系統中主要起到緩沖作用。

3 結論

通過人共組建礫石潛流-浮橋平流復合濕地系統，研究其對生活污水中各主要污染指標的去除效果。從各污染指標的去除率看，系統對COD的去除效果最好，平均去除率在70%以上，其次是對TP和NH3-N的去除效果，平均去除率在50%以上；從各級濕地單元的去除效果看，HF1對各污染指標的去除效果最好，尤其是對COD的去除效果，平均去除貢獻率在60%以上，其次是HF2，對NH3-N、TN和TP的去除效果較好。綜合來看，復合系統對污染物的整體去除效果良好，出水水質各項指標均可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準，這將為目前我國一些城鎮地區探索新型低成本生態污水處理工藝的研究、推廣和應用提供實踐和技術依據。

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