水平潛流
——表流復合人工濕地對微污染水氮磷研究

文_張紅燕 劉艷娟

1.山西人和致遠環境咨詢有限公司 2.唐山學院環境與化學工程系

近十幾年來，隨著我國工業的迅猛發展和農用化學品的用量增加，地表水環境受到極大威脅，飲用水水源安全面臨著日益嚴峻的考驗。根據生態環境部發布的《中國環境生態狀況公報》，2017年全國地表水1940個水質斷面檢測結果表明，IV、V類462個，占23.8%；劣V類161個，占8.3%；2019年全國地表水1931個水質斷面監測（9個因斷流、交通阻隔等原因未開展監測）結果表明，IV、V類占21.7%，劣V類占3.4%，相比2017年均有所下降。其中主要污染指標為氨氮、總磷、高錳酸鹽指數、化學需氧量和五日生化需氧量。微污染原水的凈化處理已迫在眉睫。

1973年由德國Kessel大學的Kickuth教授最先研發的人工濕地技術經過30年的發展，目前正逐漸得到廣泛應用。該技術具有低成本、高能效的特點。然而單一人工濕地工藝存在基質吸附飽和與容易堵塞等問題，一定程度上限制了人工濕地的發展，而采用不同類型的人工濕地復合系統不僅可以較好地解決上述問題，還能充分發揮不同單元各自的優勢及對污水處理的協同作用。因此，本研究設計一套水平潛流-表流復合人工濕地，旨在考察系統對微污染水體的脫氮除磷性能，并探討了較低的有機負荷對系統各單元脫氮除磷的影響，以揭示氮磷去除效果的差異及主要影響因素。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置為水平潛流-表流復合人工濕地，各單元采用15mm厚的有機玻璃進行構建，通過20mm PVC管相連。水平潛流濕地尺寸為0.75m×0.4m×0.8m（長×寬×高），鋪設55cm厚的礫石為基質，粒徑分布5～30mm，孔隙率為50%；表流濕地濕地尺寸為1.0m×0.3m×0.6m（長×寬×高），鋪設30cm厚的河砂為基質，粒徑分布為0.02～1mm，孔隙率為30%。水平潛流和表流濕地單元內種植的蘆葦均取自試驗場地附近某河流沿岸，種植密度為13株/m2。表流和水平流人工濕地的池底坡度均為0.5%。

1.2 試驗運行

系統于2019年5月開始運行，同年11月結束。原水由蓄水桶經蠕動泵連續進入水平潛流濕地，進水負荷為0.05m/d，其中潛流濕地的水位則低于基質表面5cm，而表流濕地的水位高于基質表面10cm。采用人工配水來模擬微污染水體，進水中的有機物（以CODMn計）、氨氮（以NH4+-N計）、硝酸鹽氮（以NO3--N計）和總磷（以TP計）分別用分析純的葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀和磷酸二氫鉀來配制。其中CODMn為5～10mg/L，TN濃度為7.0～7.5mg/L，NH4+-N濃度為2.3～2.8mg/L，TP濃度為0.36～0.42mg/L，pH為7～8。

1.3 測試及分析方法

TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法（HJ535-2009），TP采用過硫酸鉀-鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）測定。繪圖采用Origin8.0，數據分析采用SPSS26.0，當p＜0.05時認為差異性顯著。

2 結果與討論

2.1 TN的去除

由圖1可知，復合人工濕地系統進水TN濃度為7.0～7.5mg/L，平均濃度為7.26 mg/L，水平潛流濕地出水濃度為5.21±0.45mg/L，表流濕地出水濃度為2.76±0.44mg/L，水平潛流和表流濕地的進出水濃度均具有顯著性差異（p＜0.05）。其中水平潛流和表流濕地對TN的平均去除率分別為28.27%、47.27%，總去除率為62.09±5.39%。從去除率變化規律來看，由圖2可知，水平潛流和表流濕地對TN的去除總體呈現先增大后降低，在8月份TN去除率達到最大，分別為34.29%和50%。系統在運行初期，生物膜體系隨著夏季氣溫的升高逐漸完善，微生物活性不斷加強。環境溫度變化對微生物反硝化脫氮影響顯著，另外濕地植物隨氣溫降低而停止生長甚至枯萎，其對氮素的吸收作用也隨之減弱。

人工濕地對氮的去除一是影響微生物的硝化和反硝化作用，二是影響植物的生長狀況。植物的吸收與收割只有在低負荷人工濕地系統中才對脫氮起重要的作用，這也是表流濕地比水平潛流濕地脫氮效率更高的原因之一。

本研究中，表流濕地對TN去除率高于水平潛流濕地，這可能與濕地植物有關。一方面，進水TN經過水平潛流濕地的一級削減，進入表流濕地深度凈化處理時，濕地植物對氮素的吸收作用成為重要的氮去除途徑之一。另一方面，表流濕地植物根系分泌物彌補了進水碳源的不足，改變了微生物群落，有利于反硝化細菌的生長，增加了微生物對TN的去除作用。由于進水當中的有機質在水平潛流濕地中的好氧區被異養微生物有所消耗以致于進入表流濕地中的碳源不足，因此表流濕地運行初期對TN的去除水平較低。但是隨著系統的運行，植物為適應水生環境低C/N的環境因子而本能地釋放根系分泌物，為反硝化提供碳源，因此表流濕地對TN去除率逐漸升高。有研究表明，在碳源不足的系統中，利用系統自身的碳源（植物根系分泌物）可促進反硝化過程。

圖1 系統進出水TN濃度及去除率

圖2 運行期間氣溫變化圖

2.2 NH4+-N的去除

圖3 系統進出水NH4+-N濃度及去除率

水平潛流濕地對NH4+-N的去除主要由兩步分反應構成：第一步，好氧條件下，NH4+或NH3在嚴格化能無機營養細菌的作用下被氧化為NO2-；第二步，也是在好氧環境中，兼性化能無機營養細菌以氧氣為電子受體，將NO2-進一步氧化成為NO3-。水平潛流濕地由于沒有自由液面，特別是非根際區常處于缺氧狀態，不利于微生物的硝化作用，這也是水平潛流去除效果不如表流濕地原因之一。

表流濕地對NH4+-N的去除除了微生物作用外，植物根部會分泌碳源和氧氣，有利于微生物的生長，增加了微生物對NH4+-N的去除作用。Brix認為用土壤對于濕地脫氮是非常重要的，它不僅可以作為植物的生長介質，為微生物提供了大量的附著界面，而且可以直接通過物理化學作用凈化污水，他還發現土壤介質對氨氮的吸附是濕地去除氨氮的主要機理。帶電土壤粒子可以吸附NH4+-N，延長了離子滯留時間，但是這種吸附是快速可逆的。不同的基質吸附的氨態氮的能力是不同的，粘土、有機土有較大的陽離子交換能力，對氮素的去除有重要貢獻，甚至可以提高硝化作用。

2.3 TP的去除

由圖4可知，復合人工濕地進水TP濃度為0.36～0.42mg/L，平均濃度為0.39mg/L，水平潛流和表流濕地出水TP濃度分別為0.29mg/L和0.24mg/L，兩單元對TP濃度有著顯著的去除效果（p＜0.05），去除率分別為26.11±3.47%和15.45±2.28%，總去除率為37.50±3.80%。較于表流濕地，水平潛流濕地對TP有著更高的去除效率，這是因為潛流濕地礫石基質比土壤有著更大的比表面積，更有利微生物的生長繁殖，吸附沉淀作用更強。另外，由于表流濕地內的植物對TP的吸收與釋放是并存的，當TP的釋放作用大于吸收作用時，會導致出水TP濃度的升高，去除率下降。

圖4 系統進出水TP濃度及去除率

在人工濕地中磷的去除主要通過三個過程實現：填料的吸附沉淀、微生物作用、植物的吸收作用。在水平潛流濕地中，由于礫石并非為磷的強吸附填料，因此，填料的直接吸附作用對磷去除貢獻不大。隨著填料的吸附趨于飽和，此途徑的除磷能力將大幅度降低，甚至還有釋放現象。但是沉淀作用是去除無機磷的重要途徑，無機磷則通過與填料中間隙水中的A13+,Fe3+,Ca2+等離子及其水合物氧化物反應，形成難溶性化合物，其中在堿性條件下，可溶的無機P更容易與Ca2+發生反應，并且吸附沉淀作用受溫度變化影響較小，這也是表流濕地對TP去除效果較好的原因之一。Zhu et al.考察了5種輕質粘土骨料對磷的吸附能力，發現在基質的幾種化學性質中(總金屬含量、陽離子交換容量和草酸鹽可溶性Fe、Al)，總金屬含量與基質的磷吸附能力最相關，在Ca2+、Mg2+、Fe3+、A13+幾種離子中Ca2+與P的吸附相關性最強。濕地中的微生物通過同化作用對磷進行攝取，很多學者認為聚磷菌過量攝取磷變成ATP、DNA、RNA等有機成分，但是聚磷菌的換代速度很慢，所以認為聚磷菌對磷的去除影響不大。但也有學者證明了人工濕地中除磷菌多為異養細菌（不動桿菌和假單胞菌等）。DUet al.發現上述不動桿菌和假單胞菌可能是主要的在人工濕地中負責去除TP的屬。而在表流濕地中，植物對TP的去除有著至關重要的作用，包括植物生長需要而直接吸收磷，污水中的無機磷在植物的吸收或同化作用下合成自身需要的有機成分，通過收割去除磷以及濕地強大的植物根系對顆粒態的磷主要通過絮凝和沉降過程去除。

3 結語

本研究設計了一套水平潛流-表流復合濕地系統，以微污染模擬廢水為研究對象，探討了較低的有機負荷對系統各單元脫氮除磷的影響。研究結果表明，系統對氮磷去除效果顯著，對TN、NH4+-N和TP的平均去除率分別為62.09%、56.16%和37.50%。

溫度對氮素的去除有著較大影響，水平潛流和表流濕地對TN、NH4+-N的平均去除率分別為28.27%、47.27%，30.07%、37.57%。表流濕地植物根系分泌物可能是表流濕地在第有機負荷下TN去除效果顯著的重要原因，而表流濕地土壤基質的吸附及沉淀作用是去除氨氮的重要途徑之一。

溫度季節性變化對TP去除影響不大，水平潛流和表流濕地對TP的平均去除率分別為26.11%、15.45%。由于礫石基質較大的比表面積，使得微生物作用和吸附沉淀作用成為水平潛流濕地對磷素去除的主要途徑。