穩定表流-潛流組合人工濕地系統處理生活污水的研究

符東，付馨烈，王成端，龔燕川，周綠山

1.四川文理學院化學化工學院 2.國家城市污水處理及資源化工程技術研究中心川東分中心 3.廣安綠源循環科技有限公司

人工濕地(constructed wetland，CW)是20世紀70年代發展起來的一種建設成本低、運行維護費用少的廢水處理技術[1]。人工濕地具有經濟環保、易于管理和高效低耗等優點，在處理分散生活污水時有明顯的優勢[2]。人工濕地凈化污水是通過一系列物理、化學和微生物協同反應來實現的，包括植物的吸收、沉積、過濾、生物降解、吸附和化學降解[3]。人工濕地中有機物主要通過微生物的好氧和厭氧呼吸作用轉化為微生物細胞、二氧化碳和水得到去除；人工濕地中氮主要通過微生物和植物吸收得到去除[4]，微生物硝化反硝化作用是人工濕地中最重要的脫氮機理[5-7]；磷可以通過植物和基質的吸附作用被去除，但人工濕地不同植物和基質對磷的去除效果不同[8]。人工濕地根據水面位置可分為表流人工濕地和潛流人工濕地[9]。表流人工濕地是應用最早的人工濕地，經過幾十年的發展，其被廣泛應用于對污染河流、生活污水、工業廢水等的凈化[10-11]。表流人工濕地雖然管理運行簡單，但存在著隨氣溫降低，其對污染物的去除率降低和占地面積大等問題[12]。潛流人工濕地保溫效果較好，在冬季有較高的凈化效率，在全世界范圍內被廣泛應用[13]，但潛流人工濕地易發生堵塞[14]。針對上述傳統人工濕地的缺點，許多研究者在濕地基質、植物和工藝方面進行了改良。如張瑞斌等[15]采用AO+鋁污泥填料人工濕地組合工藝對農村生活污水進行處理，結果表明，組合工藝對污染物的去除率顯著高于傳統濕地；楊金剛等[16]采用三格厭氧池-垂直流人工濕地處理農村灰水達到較為滿意的結果；胡杰軍等[17]研究了生物沸石人工濕地強化硝化處理城鎮污水處理廠二級出水的性能及溫度對其硝化率的影響，發現該系統在低溫下對氨氮有良好的凈化效果。

除了對傳統人工濕地的改良，組合人工濕地由于良好的去除效果也得到了發展。由不同類型的人工濕地串聯或并聯形成的組合系統，可有效地將不同濕地的優點相結合并規避其缺點，對污水的凈化效果遠高于單一濕地系統[18]。如劉婧等[19]研究了復合垂直流人工濕地去除模擬河水中的氮和磷，發現系統出水水質較好；夏艷陽等[20]研究了影響垂直流-水平流組合人工濕地的影響因素，發現植物、溫度、溶解氧濃度等都會對系統凈化效果產生一定的影響。穩定表流人工濕地(folded stable surface flow wetland，FSSFW)可以延長污水在濕地床體內的運行時間，減少后續潛流濕地的堵塞現象[21-22]；水平潛流人工濕地(subsurface flow constructed wetland，SFCW)可通過增加自然跌水曝氣單元和提高植物種植密度強化凈化效果[23]。筆者將FSSFW和SFCW有機組合，設計了穩定表流-潛流組合人工濕地系統，開展組合人工濕地系統處理生活污水的中試研究，確定正常設計水力負荷和最大水力負荷下工藝的最佳運行參數，以期為該組合人工濕地系統的推廣提供支撐。由于該組合人工濕地系統可依地勢建造，使污水僅依靠重力在各單元流動而不借助額外動力，實現生活污水的低成本處理，因此，其有望為我國經濟落后和技術力量薄弱的偏遠山區農村生活污水的處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 組合人工濕地系統設計與工藝流程

根據《給水排水設計手冊》2版[24]和HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規范》[25]，設計并在四川川南某高校建設由集水池、厭氧池、FSSFW、跌水曝氣單元和SFCW單元組成的組合人工濕地系統(圖1)。各單元依據當地地勢建造，原水引入集水池，然后依靠重力依次進入厭氧池、FSSFW和SFCW。FSSFW前加裝流量計，通過控制流量來調節系統的水力負荷。FSSFW設置有穩定區以均勻布水，FSSFW與SFCW之間設置有坡度的跌水曝氣單元以增加水中溶解氧濃度。選擇礫石(直徑10～40 mm)構建人工濕地系統基質床，其在FSSFW和SFCW內的設計厚度均為0.2 m；在礫石上方另鋪設一層懸浮陶粒(直徑10～20 mm)作為填料，其在FSSFW中的設計厚度為0.3 m，在SFCW中的設計厚度為0.7 m。各單元均由混凝土構成，并做防滲處理。

圖1 組合人工濕地系統工藝流程Fig.1 Process flow chart of combined constructed wetland system

組合人工濕地系統組成：集水池1個，其尺寸為6.0 m×3.0 m×1.5 m；厭氧池1個，其尺寸為6 m×3 m×3 m；FSSFW 1個，其尺寸為19.0 m×9.5 m×1.5 m，坡度(i)為0.01，穩定區水深為1.2 m，折流擋板長為1.3 m，功能區水深為1.0 m；跌水曝氣單元1個，其尺寸為1.2 m×8.0 m×0.8 m，斜面角度(α)為60°；SFCW 1個，其尺寸為12.0 m×8.0 m×1.2 m。組合人工濕地系統的設計污水處理量為30 m3/d。該組合人工濕地系統的FSSFW進水靠重力流推動，并利用折流擋板使污水在濕地內沿S形路線流動，增加了污水與植物、基質和微生物作用的時間；在FSSFW和SFCW之間增加了一個跌水曝氣單元，使污水能夠增加自然復氧效果，另外SFCW的高密度植物形成了一種生物支架人工濕地，保證了凈化效果。

1.2 人工濕地植物

人工濕地植物應根據濕地所在地區的自然地理條件，結合凈化目的與景觀、經濟等因素選取。組合人工濕地系統植物選取時主要考慮如下要求：植物根系發達，抗逆性強，生物量較大，生長周期適中，使利于濕地系統的穩定運行及提高污染物去除效率；具有一定經濟效益和景觀作用，考慮多樣性和本土植物。根據該要求，組合人工濕地系統構建了以蘆葦(Phragmitesaustralis)、蘆竹(Arundodonax)、風車草(Cyperusalternifolius)和菖蒲(Acoruscalamus)為主的植物群落。FSSFW選取的植物包括大薸(Pistiastratiotes)、蘆葦、花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)、梭魚草(Pontederiacordata)、再力花(Thaliadealbata)、水蔥(Scirpustabernaemontani)和睡蓮(Nymphaeaalba)，種植密度為10株/m2；SFCW選取的植物包括風車草、美人蕉(Cannaindica)、千屈菜(LythrumsalicariaLinn)和菖蒲，種植密度為50株/m2。

1.3 進水水質

穩定表流-潛流組合人工濕地系統進水來自四川省川南某高校學生宿舍和一小型食堂生活污水。污水經管道收集后依靠重力流向組合人工濕地系統。不同季節和每天不同時間的進水水質與學生生活規律及食堂用水情況有關，雖然呈波動性變化，但總體水質與西南地區小型集中區分散式生活污水接近，具體進水水質指標見表1。

表1 組合人工濕地系統進水水質

1.4 系統馴化與運行

組合人工濕地系統于2016年10月—2017年3月建成，2017年4月開始馴化。組合人工濕地系統在栽種植物后，先用自來水澆灌植物，當植物全部成活后，引入低濃度的生活污水，當FSSFW和SFCW的出水水質穩定時，可認為組合人工濕地系統馴化階段結束。于2017年5月—2018年12月進行中試試驗，其中，于2017年5月—2018年4月進行設計水力負荷即污水處理量為30 m3/d、水力負荷(HLR)為0.108 m3/(m2·d)的運行驗證研究；于2018年7—12月進行最大水力負荷即處理量為50 m3/d、水力負荷為0.180 m3/(m2·d)的調試運行研究。

1.5 檢測指標與分析方法

在組合人工濕地系統進、出水口每3 d采集1次水樣，依據《水和廢水監測方法》4版[26]中規定的監測方法對主要水質指標pH、COD及TN、NH3-N、TP、SS濃度進行檢測(表2)。

表2 主要水質指標檢測方法和儀器

2 結果與分析

2.1 馴化階段污染物去除效果

馴化階段組合人工濕地系統的生活污水進水量為5 m3/d，即水力負荷為0.018 m3/(m2·d)。組合人工濕地系統出水的COD及SS、NH3-N、TN和TP濃度均值分別為36.9和16.4、5.5、15.7、0.4 mg/L，去除率均值分別為82.1%和92.3%、93.6%、83.3%、91.3%。其中FSSFW對COD、SS、TN和TP去除率均值分別為58.9%、80.6%、59.8%和82.8%，均高于厭氧池和SFCW;FSSFW對NH3-N的去除率均值低于SFCW,但仍能達到65%左右。在厭氧池、FSSFW和SFCW三者中，FSSFW對SS、COD、NH3-N、TN和TP去除的貢獻最大，厭氧池對SS、COD和TP去除的貢獻大于SFCW，但對NH3-N和TN去除的貢獻小于SFCW。馴化1個月后，組合人工濕地系統出水水質趨于穩定且較好，FSSFW和SFCW內所有植物長勢均良好，沒有出現枯死等現象，此時認為組合人工濕地系統的馴化階段結束。

2.2 設計水力負荷下污染物去除效果

馴化階段結束后，組合人工濕地系統開始按設計水力負荷運行。組合人工濕地系統運行期間對SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除效果如圖2所示。由圖2可知，水力負荷為0.108 m3/(m2·d)時，處理后出水COD和SS、NH3-N、TN、TP濃度的均值分別為56.08和19.08、8.25、18.08、0.78 mg/L，出水各項指標均能達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。組合人工濕地系統對COD、SS、NH3-N、TN和TP總去除率均值分別為81.2%、91.6%、87.7%、77.3%和86.3%，其中FSSFW對SS 和COD的去除率均值分別達71.08%和46.10%，高于厭氧池；SFCW對NH3-N、TN和TP的去除率均值高于厭氧池和FSSFW，分別為70.06%、59.40%和67.12%；厭氧池對各污染指標去除的貢獻最小，其對SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率均值分別為21.20%、22.01%、17.09%、16.13%和23.14%。隨系統運行時間的增加，雖然進入冬季(12月—翌年2月)溫度降低，系統各單元特別是FSSFW和SFCW對各污染指標的去除率均有輕微的下降，但是系統仍能保證較好的出水水質。當處于溫度較低的冬季時，FSSFW對SS、COD、NH3-N和TN的去除率分別下降了3個百分點、9個百分點、10個百分點和7個百分點，對TP去除的貢獻沒有顯著變化；SFCW對各污染指標去除的貢獻沒有明顯變化，且對NH3-N的去除率反而較夏季(6—8月)上升了10個百分點。進入冬季后，FSSFW對各污染指標的去除率多呈下降趨勢，這有可能與FSSFW不利于保溫有關[8]。而SFCW由于基質層較厚且植物種植密度大，在低溫的冬季仍能發揮較好的凈化作用。

圖2 設計水力負荷下系統對不同污染物的去除效果Fig.2 Removal effects of different pollutants by the constructed wetland system under design hydraulic load

2.3 高水力負荷下污染物去除效果

水力負荷為0.180 m3/(m2·d)時，組合人工濕地系統對生活污水的處理效果如圖3所示。由圖3可知，在氣溫較高的7—8月，出水中各污染指標均能滿足GB 18918—2002一級B標準，而在12月，出水水質不能達到上述排放標準。系統對SS、COD、NH3-N、TN和TP的總去除率均值分別為91.2%、73.1%、84.2%、69.0%和82.7%，較設計水力負荷下的去除率有所下降。系統各單元中，SFCW對SS的去除起主要作用，平均去除率在74%左右，這與設計水力負荷下運行的結果相反，其原因可能是水力負荷過高，水流加快，使水流在FSSFW內停留時間縮短，而SFCW內大量的基質和植物根系可以攔截SS，SFCW對COD、NH3-N和TN的去除也起主要作用；FSSFW和SFCW對TP去除的貢獻無明顯差別，而厭氧池對各污染指標去除的貢獻最小。隨水力負荷由設計水力負荷增至最大水力負荷，厭氧池對SS、COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別由21.2%、22.01%、17.09%、16.13%和23.14%增至26.57%、24.95%、25.81%、23.75%和37.48%。與此相反，FSSFW和SCFW對SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率出現了不同程度的減小。在氣溫較低的11—12月，系統出水的COD、NH3-N和TN均值分別為73.7、16.6和28.4 mg/L，不能滿足GB 18918—2002一級B標準。因此在冬季，應嚴格控制組合人工濕地系統的水力負荷，以避免出水水質不達標。在高水力負荷試驗期間，濕地植物長勢良好，系統總體上對污染物的去除率較為穩定，表明該系統具有一定的抗沖擊能力。

圖3 高水力負荷下系統對不同污染物的去除效果Fig.3 Removal effects of different pollutants by the constructed wetland system under high hydraulic load

3 討論

相對于傳統表流濕地，FSSFW增加了水流的曲折性和水流路徑，相當于增加了濕地植物、礫石填料和懸浮填料與污水的接觸時間，因此可以提高污染物的去除效率。FSSFW中植物根系、懸浮陶粒和礫石基質不僅可以攔截、沉降SS，也為微生物菌膠團形成微生物膜提供了場所，使得SS更易被微生物膜吸收和吸附，因此FSSFW在系統對SS去除作用中占主導，防止了SFCW堵塞[21]。污水經過FSSFW的穩定區起到了跌水曝氣的作用，且污水經過表面積較大、高度較高且斜面凹凸不平的跌水曝氣單元進入SFCW時，均能夠增加水中的氧含量，從而增加好氧微生物對有機物的利用效率[28]，提高FSSFW和SFCW對有機物的去除效果。FSSFW中的懸浮陶粒不僅擁有多孔特性，并且能夠隨其自身的不同特質懸浮于水面、水中或沉浸于水底，這為不同類型和不同需求的微生物提供了大量的繁殖場所，提高了濕地系統對有機物的處理效果[29]。FSSFW中植物的發達根系使其可更高效地利用氮，并通過植物收割去除氮。SFCW中根系發達的挺水植物、大量的懸浮陶粒和礫石基質作為后續處理單元對TP的攔截、吸附和吸收發揮了不可替代的作用[30-32]。因此，在組合人工濕地系統中，SFCW對TN和TP的去除率均值最高，分別達59.40%和67.12%。FSSFW和SFCW適宜的水力坡度對SS的去除起到了一定的作用。在高水力負荷下，由于SFCW內植物種植密度大，根系發達，形成了生物支架人工濕地[33]，在橫向和縱向不同程度地形成有氧、缺氧和無氧區域，此時，SFCW在整個系統對COD、NH3-N、TN和TP去除過程起主導作用。隨著運行時間的增加，懸浮陶粒內部的微生物種類、數量也增加，形成外部好氧、內部厭氧的微生物膜，從而有利于硝化細菌與厭氧反硝化細菌以及厭氧氨氧化細菌的共同生存與協作，使SFCW的脫氮能力增強。

一般人工濕地選擇的植物多考慮其凈化能力并滿足種類的多樣性，但會忽略不同植物之間的生態影響、景觀價值和經濟利用性。本研究中，組合人工濕地系統選擇的大薸、蘆葦、花葉蘆竹、梭魚草、再力花、水蔥、睡蓮、風車草、美人蕉、千屈菜、菖蒲滿足了生物多樣性的要求，形成以蘆葦、蘆竹、風車草和菖蒲為主的生態植物群落。濕地植物的凈化能力與所選植物根系的發達程度密切相關，根系越發達的植物在擴展人工濕地凈化污水的空間和促進各種微生物向濕地深處分布方面更具優勢，從而可提高濕地系統的污水凈化能力[34]。蘆竹、蘆葦、風車草和菖蒲都具有發達的根系，蘆葦、菖蒲、風車草具有較大的生物量，有利于對氮、磷的積累，能更好地去除污水中的氮、磷[35]。蘆葦、蘆竹、菖蒲、風車草還具有較強的抗病蟲害能力，耐寒、耐污能力也較強，即使在冬季也不會枯萎死亡，有利于系統在冬季保持較高的去除能力。此外，蘆葦、蘆竹、菖蒲、風車草也具有一定的生態美學價值。通過收割植物，不僅可以去除污染物，收割的植物還可以作為燃料、飼草及堆制有機肥等，實現經濟價值[36]。

4 結論

(1)組合人工濕地系統采用FSSFW，延長了生活污水在濕地內的水力路徑，使污水中各污染物與植物、基質和微生物的接觸反應時間增加，在FSSFW和SFCW之間設置了跌水曝氣單元，增加了污水中的溶解氧濃度，保證了濕地的凈化效果。SFCW內植物種植密度較大，保證了系統在高水力負荷運行時的穩定凈化效果。

(2)在處理水量為30 m3/d時，組合人工濕地系統對生活污水中SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率均值分別為91.6%、81.2%、87.7%、77.3%和86.3%，出水各項指標均能穩定達到GB 18918—2002一級B標準。其中FSSFW對SS的去除率貢獻大于SFCW和厭氧池，而SFCW對NH3-N、TN和TP去除率貢獻大于厭氧池和FSSFW。當系統處理水量超過設計值，達到50 m3/ d時，出水的部分指標在冬季不能滿足設計要求。但組合人工濕地系統依然保持了較高的去除率，表明穩定表流-潛流人工濕地對溫度和水量的波動具有一定的抗沖擊能力。

(3)組合人工濕地系統在夏季的運行水力負荷可設定為0.108～0.180 m3/(m2·d)，而冬季應嚴格按照設計水力負荷運行，以使出水達到GB 18918—2002一級B標準。該系統可依地勢而建，使生活污水僅靠重力流向系統的各處理單元，無需額外動力，因此，有望實現生活污水的高效、低成本處理。