垂直流人工濕地的結構優化研究

林媛媛，鮑炯炯，吳 偉，俞阜東

（浙江省環境工程有限公司，浙江 杭州 310002）

0 引言

人工濕地以其低能耗、微管理和環境友好性在微污染水和分散性污水的處理中得到了廣泛應用[1，9]，但其運行中后期由于堵塞造成的處理能力和凈化效能下降[2-3]是限制其應用的主要因素。研究表明：人工濕地的堵塞主要由土壤板結、植物倒伏和微生物膜厭氧增厚造成[4]；堵塞后造成的局部負荷過高和截留有機物溶出是其處理能力和凈化效能下降的主要成因[5]。如果將人工濕地看成一個多層結構、多重系統的反應器，目前國內外關于人工濕地的研究大多集中在不同填料、不同植物對不同來源廢水的凈化效能，或者溫度、菌種、微生物組成對人工濕地去碳脫氮除磷效果的影響等方面[6-7]，鮮有對于人工濕地不同結構層的凈化作用效能比及不同結構層對于污染物處理效能的貢獻率的研究，使得國內的人工濕地在設計過程中更偏重于系統流程、材料選擇與景觀設計，而對人工濕地這一核心反應器的內部結構設計過程中缺乏可依據的設計資料。如果能通過研究明確人工濕地中土壤物理化學吸附沉降、植物生長消耗、濕地內微生物系統降解和濕地填料吸附過濾等作用在人工濕地凈化功能中的占比構成，并以此為基礎提出相應的結構與內部配置設計建議，從而降低人工濕地堵塞風險、提高凈化性能，將開拓人工濕地研究的新方向。

鑒于此，本文以持水層、土壤層、植物根系層和功能填料層為主要凈化結構層，設計了不同結構層組合人工濕地反應器共12組，分析在恒定水力負荷條件下各反應器的進出水水質狀況，探究持水層、土壤層、植物根系層和功能填料層對濕地處理效能的影響。探究濕地各結構層對污水處理效能的貢獻度，并提出相應的設計參數和結構建議，以期為人工濕地的設計應用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 反應器設計

采用寬300 mm、長400 mm、高420 mm的透明桶作為小型濕地反應器外殼，內部結構從下到上為集排水層、持水層、功能基質層、土壤層和植物根系配水層。集排水層采用直徑20～30 mm的卵石，高80 mm，集排水層中心設直徑50 mm、長300 mm的穿孔集水管，集水管接直徑6 mm的出水管，底部出水管中心高度為30 mm；持水層采用高密度無紡布，厚度為40 mm，控制整個反應器的滲濾速度；功能基質層則采用粒徑1～2 mm的沸石或石英砂填料，填料層高度為250 mm；土壤層由珍珠巖和營養土構成，高度為30 mm；植物根系層采用美國矮生四季青，其中根系高度約為40 mm，四季青生長高度為50～80 mm。濕地反應器結構設計及編碼見表1。

表1 不同結構人工濕地編碼表

1.2 模擬污水配制

該研究用雪花啤酒、H2KPO4和NH4Cl調配模擬分散式農村污水中COD、TN和TP，模擬污水的主要水質指標見表2。

表2 模擬污水的主要水質指標表

1.3 反應器的啟動與運行

在濕地反應器的啟動中，首先表面接種草皮，以基礎配水作為基質，對所有濕地系統同時采用大周期間歇進水方式培養濕地內菌種和促進植物根系快速生長，反應器的總有效容積控制在25 L，進水量為12.5 L/d，進水周期12 h，HRT為2.0 d，有機負荷為0.3～0.5 m3/（m2·d）。

濕地反應器在調試期間及運行期間采用常溫運行，經歷夏、秋和冬初，室外氣溫在10～40℃波動。初期試驗中植物層、土壤層、填料層和持水層均有COD及色度、濁度溶出現象，直到21 d后才穩定。本文分析采取的數據均為試驗采樣第22 d以后的數據。

1.4 檢測方法

試驗中所測常規指標均采用國家標準監測方法，水樣取自各反應器進出水澄清30 min后的上清液，主要分析項目、方法及頻次見表3。

表3 監測項目、方法及頻次一覽表

2 結果與分析

2.1 各污染指標去除效能分布特征

不同結構人工濕地對COD的去除率及出水的濁度和色度數據統計如圖1～圖3所示。

圖1 不同結構人工濕地COD去除效率比較圖

圖2 不同結構人工濕地出水色度比較圖

圖3 不同結構人工濕地出水濁度比較圖

從圖1中可見，濕地對COD的平均去除率在48%～72%，隨著氣溫等環境條件變化，出水COD值波動較大。無土壤層濕地（3#/4#）的COD去除率略高于其他濕地，可初步推斷土壤中的有機物有溶出現象；無持水層的濕地（5#/6#）的COD去除率低于參照濕地（1#/2#），說明持水層對COD有一定的去除作用。

從圖2中可見，出水色度的平均值在30倍以下。無植物層濕地（9#/10#）的出水色度顯著低于其他有植物層濕地，可初步推斷植物根系的降解過程及殘留物容易形成一定色度；石英砂填料濕地（11#/12#）出水色度顯著高于其他沸石填料濕地，說明沸石對色度有明確的去除作用；無持水層的濕地（5#/6#）出水色度及無土壤層濕地（3#/4#）出水色度高于參照濕地（1#/2#），說明持水層和土壤層均對色度有一定的去除作用。此外，5#/6#濕地的數據離散性較大，說明缺乏持水層易造成出水色度的波動。

從圖3中可見，出水濁度的平均值在5 NTU以下。無持水層的濕地（5#/6#）的出水濁度顯著大于參照濕地（1#/2#），說明持水層在濁度去除方面有重要作用；但結合無持水層也無土壤層濕地（7#/8#）的出水濁度也低于5#/6#，說明出水濁度有相當一部分是由土壤滲出造成的；無植物層濕地（9#/10#）的出水略高于參照濕地（1#/2#），說明植物有一定的濁度凈化作用，可能是利用根系對土壤的保持作用實現的。與色度類似，5#/6#濕地的數據離散性較大，說明缺乏持水層還易造成出水濁度的波動。

2.2 各結構功能層的去除效能分析

按功能層分別對不同指標的凈化作用對試驗數據進行分析，得到各功能對COD去除率及濁度和色度的貢獻率見表4。

表4 濕地各結構層的凈化效能貢獻率一覽表

從表中可見，COD的去除主要由填料上的微生物系統完成，占比64.1%；其次是植物及其根系的凈化作用，占比20.1%；持水層也有16.2%的COD過濾凈化作用；而土壤既有凈化作用，又有溶出效應，其對COD去除率的凈貢獻為-2.6%，對COD的總體去除效果影響較小。研究過程數據表明，石英砂和沸石填料濕地的COD去除率初期區別較大，其后在運行過程中日漸趨同，這一趨同過程與填料表面生物膜的成熟度相關。說明在COD的降解過程中，說明在濕地填料的凈化作用主要由填料表層的微生物完成而不是吸附等其他化學性能。不計進水濁度的影響，反應器內反應過程中濁度的主要來源是土壤流失（占比80.8%）與填料表層脫落（占比19.2%）；濁度去除主要由持水層過濾完成，其次是植物對土壤的保持作用。不計進水色度的影響，反應器內色度的主要來源為植物凈化過程中降解殘留、生物凈化降解殘留和土壤基質滲出[8]，分別占比59.5%、34.9%和5.7%，而色度凈化主要由沸石吸附、持水層過濾和土壤分擔，分別占比50.9%、30.2%和18.9%。

上述研究數據表明：土壤層既有凈化作用又有持續的溶出效應，其對COD去除率、濁度和色度的凈貢獻為-2.6%、-74.8%、13.2%，說明土壤對COD的去除率影響較小，對出水濁度影響大，同時也有可觀的色度去除作用；持水層承擔了74.8%濁度去除量，同時對色度及COD去除也分別有30.2%和16.2%的貢獻率；植物凈化去除了20.1%的COD和16.5%的濁度，但同時產生了34.9%的色度；沸石填料本身僅承擔了3.9%的COD去除率，雖然對色度有良好的去除作用（占比50.9%），但沸石材料強度不足帶來了19.2%的濁度貢獻量；填料上的微生物群落是COD凈化的主力軍（占比64.1%），但同時也是出水色度的主要來源（占比59.5%）。

2.3 垂直流人工濕地結構設計建議

鑒于上述研究結果，結合工程實踐與調研，本文對人工濕地設計建議如下。

2.3.1 取消土壤層的設計敷設

理論上土壤層具有膠體物理化學反應、植物營養供給和持水三大功能[1]。由該研究可推論出土壤層膠體物理化學的凈化功能與溶出效應相互抵消，在污染物直接去除上效應并不顯著，土壤流失還可能造成出水濁度大幅上升；而污水中有充分營養，濕地中土壤層作為植物生長的營養并不是必需的，土壤層對營養物質的吸附濃縮功能可由具有吸附性能的表層填料實現；考慮到濕地實際運行時土壤層中的黏土會在水處理過程中逐步壓實，透水系數大幅下降，造成濕地系統的堵塞[4]，進而影響濕地上層濾料層的復氧，造成濕地處理效果下降，是濕地工程實踐中的最大困擾，因而建議在人工濕地系統中不敷設土壤層。

2.3.2 增設持水過濾層

該研究充分驗證了持水層不僅有良好的濁度去除效果，還能輔助去除色度與COD；可在集排水層和填料層之間設單層或多層持水過濾層[8]，由無紡布層替代土壤層的持水功能并通過設計選擇無紡布層的厚度和密度控制其濾水速率和過水阻力，實現濕地填料的功能分層和水流再分布，建議持水層的過濾阻力在5～15 cm以保證間歇進水期水位在石英砂層與富集功能層之間，保障充分的反應時間，而進水期時不形成植物層葉面區壅水，防止植物厭氧死亡。

2.3.3 利用根系發達的植物層與上部填料層構建滴濾區

利用沸石等有吸附富集功能的填料直接作為植物根系的支撐層，保證人工濕地反應器上層有充分的孔隙率[10]，結合間歇式周期布水方式形成的液位變化，將人工濕地上層構建成周期復氧的滴濾區；不僅可通過填料的吸附富集作用強化植物根系層的凈化能力，還可實現周期性的零動力復氧，保護植物層根系處于一個兼氧狀態，防止濕地植物有機質的厭氧析出[11]，保證整個濕地反應器內始終處于微好氧狀態，提高污水的凈化效能。

3 結語

本文研究了人工濕地各結構層的凈化效能，并以此為基礎提出人工濕地的設計建議，結論如下：

土壤層的凈化功能較弱，植物和填料生物是濕地凈化的主力，設計無土壤層的滴濾式人工濕地能大幅降低濕地的堵塞風險，結合周期布水有助于提高DO滲透深度，提高生物活性，進而提升出水水質。

持水層有良好的過濾性能和輔助凈化功能，工程實踐可采用無紡布替代土壤層在集排水層和填料層之間設單層或多層持水過濾層進行濾速控制，控制反應器內布水形態和反應時間。