復合型人工濕地系統(tǒng)設計及其處理技術開發(fā)

葉振坤 陳曉林 趙培爵 郭銀杰 王天偉

(武夷學院生態(tài)與資源工程學院，福建 武夷山 354300)

人工濕地處理技術是一個新興的污水處理工藝，和生物處理技術相比，其操作簡單，處理效果好，基建投入成本低，運行能耗低，具有明顯的經(jīng)濟效益，起凈化作用的高等植物還可作為景觀美化植物[1]。由于經(jīng)過人為地加以監(jiān)督和控制條件，使得物理、生物和化學多重作用的綜合效應比天然的濕地變得更加顯著，更相對有效地兼顧了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益處理。但在實際應用中，單一類型的人工濕地由于水質(zhì)、水量以及設計等問題，對污水的去除效果可能有所降低，而通過串聯(lián)不同類型的人工濕地，結合各個類型的優(yōu)點，能達到更好的處理效果。

本研究旨在通過分析由垂直流、表面流、水平流這三種串聯(lián)而成的復合型人工濕地系統(tǒng)對污水的COD、氨氮、TP的處理數(shù)據(jù)，來研究復合型人工濕地的凈化規(guī)律和處理能力。在原理方面，本研究通過松軟肥沃的土壤和細小的砂礫按照一定的比例混合形成人工濕地的墊層，并在該墊層中種植一些成活率高、處理效果良好、抗水抗凍能力強、具有一定經(jīng)濟價值且美觀的水生植物。污水流經(jīng)墊層表面會產(chǎn)生一層生物膜，進而形成一個獨特的動、植物、微生物的生態(tài)系統(tǒng)。污水以水平、垂直、表面迂回流動的方式通過填料縫隙、表面，進而與墊層和植物相接觸，在通過過程中，水生動、植物以及微生物和基質(zhì)等對污水進行多級處理和凈化。

1 材料與方法

1.1 濕地裝置

水平流裝置主體是一個PVC塑料箱，左側連接三根開有多個小孔、且位置緊貼左側箱體垂直于箱底的進水管(進水管開孔位置在水管右端，出水管開孔位置在水管左端)，然后在箱體內(nèi)部填充墊層并種植一定間隔的濕地植物；右側連接三根與進水管平行開孔位置相對稱的出水管，然后在箱子右側底部開孔，后用穿壁管件與三根出水管連接，可將污水引至下一個處理裝置。具體裝置圖如圖1所示。

垂直流裝置主體是一個PVC塑料箱，上側連接三根開有多個小孔、且位置平行于箱底的進水管。進水管開孔位置為水管的下切面處，然后在箱體內(nèi)部填充與進水管下切面等高的墊層，并種植一定間隔的濕地植物；下側連接有三根與左側進水管平行、且開孔位置相對稱的出水管，可將污水引至下一個處理裝置。具體裝置如圖2所示。

表面流裝置主體是由一個PVC塑料箱構成，中間用一塊硬PVC板將箱子分隔開，右側后面的上端處連接三根垂直于箱底的進水管，水管口與墊層接觸，然后從右至左填充墊層并種植一定間隔的濕地植物(填料高度為出水口的下側面的1 cm)；左側后面上端用穿壁管件連接，可將污水引至下一個處理裝置。具體裝置如圖3所示。

以上三類人工濕地主體均是一個尺寸為：長42 cm、寬28.5 cm、高24.5 cm的PVC塑料箱。復合型人工濕地為三種單一人工濕地分別按照以下順序串聯(lián)：垂直流、表面流、水平流三個人工串聯(lián)，即1號濕地；水平流、垂直流、表面流三個人工濕地串聯(lián)，即2號濕地；水平流、表面流、垂直流人工濕地串聯(lián)，即3號濕地，在三種復合型人工濕地前設置一進水玻璃容器用于盛放未處理的生活污水，用3臺泵進行污水動力輸送，將未處理的生活污水均勻輸送到不同的復合型人工濕地系統(tǒng)中進行處理。

本次選用均對污水有良好的處理效果的濕地植物，如再力花、花菖蒲、水芹、西伯利亞鳶尾等。在濕地裝置中種植等量且生理狀況類似的植物，再以黏土等肥沃的土壤以及一小部分細小砂礫充當基質(zhì)進行填充。

1.2 試驗方法

試驗用水為武夷學院東南門的排水渠中未經(jīng)處理的生活污水。系統(tǒng)24 h不間斷對污水進行凈化處理，處理的能力為80 L/d。每天對原水和出水水質(zhì)中的COD、氨氮，TP參數(shù)進行監(jiān)測。

1.3 監(jiān)測方法

污染物的監(jiān)測參數(shù)為COD、氨氮、TP。

污染物濃度的測定方法：

COD的測定：GB 11914—89重鉻酸鉀法測定化學耗氧量;

氨氮的測定：GB/T 7479—87納氏試劑比色法;

TP的測定：GB 11893—89鉬銻抗分光光度法。

2 結果與分析

經(jīng)監(jiān)測進水COD為240 mg/L～440 mg/L,NH3-N為0.128 mg/L～0.308 mg/L,TP為1.22 mg/L～2.67 mg/L。經(jīng)三種類型的復合型人工濕地處理后COD值為40 mg/L～240 mg/L,NH3-N為0.0003 mg/L～0.025 9 mg/L,TP為0.025 mg/L～0.26 mg/L。

2.1 1號,2號,3號濕地處理系統(tǒng)對污水中COD的去除效率

由圖4～圖6可知，1號、2號、3號濕地處理系統(tǒng)的出水口在3月份COD的去除可達80%以上(進水平均濃度為351 mg/L。出水平均濃度分別為63 mg/L,59 mg/L,59 mg/L)。四月份的去除率則只在50%以上(進水平均濃度為367 mg/L。出水平均濃度分別為155 mg/L,153 mg/L,153 mg/L)，且2號濕地系統(tǒng)的去除效果比1號和3號濕地系統(tǒng)的去除效果更好。隨著凈化的不斷進行，去除效果呈現(xiàn)遞減態(tài)勢，即出水口COD含量逐漸增大，可能是由于處理系統(tǒng)中的去除飽和度已快趨于平衡，也可能是由于后期水生植物的生長速度更加迅速。水的溫度伴隨著季節(jié)的升溫而升溫，導致溶解氧變?yōu)樽畹?可能是濕地池中茂盛的水生植物和浮水植物大大地限制了大氣中的氧氣向水中擴散的效率，并且到了夜晚，水生植物為了給自身提供能量所進行的呼吸作用可能也會將白天水生植物光合作用所產(chǎn)生的氧氣完全抵消。導致了濕地池的水體處于缺氧或者厭氧狀態(tài),在此狀態(tài)下，濕地池中的好氧微生物的生化降解能力大大減小，隨之導致水質(zhì)的凈化效率降低[2]。

2.2 1號,2號,3號濕地處理系統(tǒng)對污水中氨氮的去除效率

進水平均濃度0.021 8 mg/L。出水氨氮平均濃度是0.002 6 mg/L,0.002 9 mg/L,0.002 0 mg/L。進水平均濃度是0.022 5 mg/L,0.024 6 mg/L,0.018 4 mg/L。

由圖7～圖9三個人工濕地系統(tǒng)去除效率呈現(xiàn)出的變化曲線，可以清楚地看出3號人工濕地系統(tǒng)對于氨氮的去除效果比1號出口和2號出口要穩(wěn)定，所以從人工濕地系統(tǒng)設計來看，把垂直流方式作為人工濕地的第一階段時，去除效果更好。曲線中的2號出水口中的氨氮去除效率波動較大，即2號人工濕地系統(tǒng)對氨氮的去除效果較差。

根據(jù)氨氮濃度變化曲線可以算出，生活污水經(jīng)過1號人工濕地系統(tǒng)處理后氨氮去除率88.43%；2號濕地的氨氮去除率88.21%；3號濕地處氨氮去除率89.12%；三者比較可以看出3號人工濕地對氨氮去除效果顯著。

2.3 1號,2號,3號濕地處理系統(tǒng)對污水中TP的去除效率

如圖10～圖12所示，將三個濕地出水口系統(tǒng)前后處理的六個星期時段分為兩個周期進行對比。實驗的第一個周期1號濕地TP的平均去除率為96.13%；2號濕地TP平均去除率為96.79%；3號濕地TP的平均去除率為96.80%。實驗的第二個周期1號濕地、2號濕地、3號濕地TP的平均去除率分別為92.66%，92.61%，93.61%。

從近42 d的實驗數(shù)據(jù)，得知復合型人工濕地的三個出水口，前后周期的處理效果總體趨于一致，但前一個周期對比TP的去除效率明顯好于后一個周期。盡管后一個周期原水濃度比前期低，但是處理得到的效果反而更差。復合型人工濕地對TP的去除主要是通過物理化學作用、微生物的降解以及植物吸收等共同協(xié)調(diào)來完成[3]。

造成這一結果的原因可能是填料對污染物的沉降能力會隨時間的增加而減小。也可能是濕地植物對磷的吸收能力達到了閾值導致了TP去除效率的下降。

3 結論

對三組不同串聯(lián)順序的復合型人工濕地系統(tǒng)對生活污水處理的試驗研究結果進行對比分析，結果表明在水力負荷為220 L/(m2·d)的情況下：

1)水平流、表面流、垂直流串聯(lián)的復合型濕地對COD的降解效果相對于另兩種更好，但由于污水負荷過大導致過快達到去除飽和度，應在前端增加預處理設施增加處理的穩(wěn)定性，這在郭鵬程等[4]的研究中得到了證實。

2)水平流、表面流、垂直流人工濕地串聯(lián)的復合型濕地對氨氮的去除效率相較于另兩種更好，并且去除效率十分穩(wěn)定，在水質(zhì)波動的情況下仍能保持出水水質(zhì)的穩(wěn)定。

3)水平流、表面流、垂直流人工濕地串聯(lián)的復合型濕地對TP的降解效果相對于另兩種更好，但是后期出現(xiàn)一段時間出水水質(zhì)較差，是因為缺乏預處理單元導致過快達到去除飽和度。

多種結構的復合型人工濕地相較于傳統(tǒng)的人工濕地能承受的污水負荷更大，但需要一定的預處理單元，否則會導致過早達到去除飽和度而影響復合型人工濕地的去除效果。