不同水力條件下人工濕地處理效果中試研究

徐祥熙， 王榮震， 徐立榮， 徐征和

(濟南大學 水利與環境學院， 山東 濟南 250022)

生活污水一般是指居民在日常生活中形成的污水，主要包括廚房污水[1]、洗漱污水[2]、廁所污水[3]等，污水中含有大量的有機物質以及氮、磷等營養物質[4]，如果處理不當就會造成水體污染，引起水體富營養化。由于農村基礎設施建設不到位，沒有完善的污水排放系統及處理設施，因此生活污水的分布較為分散，且水量、水質變化較大[5-6]。目前，人工濕地具有開發投資少、運行成本低、污染物去除效果好以及本身固有的景觀價值等優勢，已經逐漸在處理農村生活污水的方面得到了廣泛的推廣應用[7-9]。

人工濕地對污染物的去除主要通過基質、植物、微生物間的各種理化作用與生物作用共同完成[10-11]。根據系統內污水的流態，可以將人工濕地分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地[12]。目前，對人工濕地的研究多集中于植物與基質的選擇[13]。有學者研究表明，水力停留時間、水力負荷等水力條件是影響濕地處理效果的關鍵，水力條件的優化可以顯著增強污水凈化效果[14-16]。本文中為了探討水力條件對于人工濕地處理效果的影響，構建6種不同類型的人工濕地進行中試研究，以期為人工濕地對農村生活污水的凈化效果提供參考數據。

1 實驗材料與研究方法

1.1 實驗設計

為了比較不同水力條件下人工濕地對農村生活污水處理效果的區別，構建表面流、含擋板表面流、水平潛流、含擋板水平潛流、垂直上行和垂直下行共6種不同類型的人工濕地來進行中試研究，模擬不同水力條件下人工濕地的污水處理過程。每個濕地的尺寸為5.1 m×1.7 m×0.8 m(長度×寬度×厚度)，濕地整體布置平面圖見圖1。表面流人工濕地基質從下往上，分別是粒徑為0.4～0.8 cm的陶粒、粒徑小于0.4 cm的瓜子石；其余類型的人工濕地基質從下往上，依次是粒徑為3 cm的陶粒、粒徑為0.8～1.6 cm的沸石、粒徑為0.4～0.8 cm的陶粒、粒徑小于0.4 cm的瓜子石，每層的填埋厚度均為15 cm。植物統一選擇香蒲和再力花這2種挺水花卉，每平方米種植25株。

圖1 人工濕地整體布置平面圖(單位：mm)

1.2 實驗方案及指標測定

濕地穩定運行后，改變水力停留時間、水力負荷等水力條件，在出水口處取樣檢測污染物濃度。實驗分別設計12、24、48、72 h共4組水力停留時間以及5、15、25、35 cm/d共4組水力負荷，每組實驗重復3次，取平均值。主要檢測水質指標、測定方法見表1。

1.3 進水水源

實驗地點位于山東省水利科學研究院長清科源天然泉水開發中心，進水水源為一處水產養殖池水。

表1 水質監測指標及測定方法

該養殖池內水體氮、磷含量超標，出現富營養化，用以模擬農村混合污水，具體水質指標見表2。進水方式采用恒流泵抽取，通過DN50聚乙烯管輸送到不同類型的個人工濕地。

表2 進水水源水質監測指標

2 結果與分析

2.1 水力停留時間對污染物去除效果的影響

2.1.1 化學需氧量(COD)

不同類型人工濕地的COD去除效率隨水力停留時間的變化如圖2所示。由圖可以看出：各類型人工濕地的COD去除率隨水力停留時間增加先升高、后降低；在相同的水力停留時間下，水平潛流人工濕地比表面流人工濕地具有更高的COD去除率。當水力停留時間為48 h時，各類型人工濕地的COD去除效果最好，去除率均超過60%，其中垂直下行人工濕地COD的去除率最高，可達到81.67%。隨著停留時間繼續增加，COD去除率開始下降。其原因在于，當水力停留時間較短時，濕地內微生物沒有充分發揮作用，使得有機物沒有完全降解就被排出系統。隨著停留時間的不斷增加，有機物的降解越來越充分，COD去除效率也隨之升高；但是過長的水力停留時間，也造成了污水的滯留和厭氧區的不斷增加，因此去除率開始下降。

圖2 不同類型人工濕地化學需氧量去除率隨水力停留時間的變化

擋板的增設在水力停留時間為12 h時，使表面流人工濕地COD去除率增加8.84%，水平潛流人工濕地COD去除率提高9.3%，但是，隨著停留時間的增加，去除率提升效果開始變得不明顯，到達48 h時，有無擋板對COD的去除率基本沒有影響，增設擋板的表面流人工濕地的COD去除率甚至還低于無擋板的表面流人工濕地的。造成這一結果的主要原因是過長的水力停留時間和緩慢的流速，再加上擋板形成的污水滯留區，使得COD的去除效率不斷下降。

2.1.2 總氮

不同類型人工濕地的總氮去除率隨水力停留時間的變化如圖3所示。由圖可以看出：各類型人工濕地對總氮均有較好的去除效果，去除率隨水力停留時間的增加而不斷提高，但是48 h后提升趨勢明顯減弱，且不同類型人工濕地間的差距逐漸變小。72 h時，各個人工濕地的總氮去除率達到最大值，其中垂直上行人工濕地對總氮的去除效果最好，去除率為93.02%，表面流人工濕地的效果最較差，但也達到了76.77%。

圖3 不同類型人工濕地總氮去除率隨水力停留時間的變化

擋板的增設在較短的水力停留時間即48 h內，對人工濕地總氮的去除效果有明顯提升，當水力停留時間到達72 h，有無擋板對人工濕地總氮的去除率影響不大，所以擋板的增設可以在短時間內提升總氮的去除效果，隨著水力停留時間的延長，擋板的效果逐漸減弱。

2.1.3 氨氮

不同類型人工濕地氨氮去除率隨水力停留時間的變化如圖4所示。由圖可知：表面流人工濕地氨氮的凈化效果最差，去除率最高僅為51.79%；水平潛流人工濕地的去除率最高，在24 h達到了72.73%。除了垂直下行人工濕地氨氮的去除率隨水力停留時間的增加無明顯規律外，其余5個類型人工濕地氨氮的去除率全部表現出隨水力停留時間的延長先提高、后降低的現象，水力停留時間為72 h的去除率普遍小于水力停留時間為24 h的。

圖4 不同類型人工濕地氨氮去除率隨水力停留時間的變化

擋板的增設使得表面流人工濕地氨氮的去除率顯著提升，水力停留時間為12 h時提升效果最好，氨氮去除率相對于沒有擋板時的提高19.13%，24 h時提升了8.46%；水平潛流人工濕地擋板的增設并沒有增加氨氮的最大去除率，但是延長了最佳水力停留時間，使得氨氮去除率隨水力停留時間的變化變得平緩，在一定程度上減小了水力停留時間對氨氮去除率的影響。

2.1.4 總磷

不同類型人工濕地總磷去除率隨水力停留時間的變化如圖5所示。由圖可以看出，各類型人工濕地總磷去除率都表現出隨水力停留時間的增加先提高、后降低的趨勢，48 h時各人工濕地的總磷去除率均達到最大值，其中垂直下行人工濕地的總磷去除率最高，達到91.71%，表面流人工濕地的最低，也達到了62.36%。48 h之后，各類型人工濕地總磷去除率開始降低。其原因在于，當水力停留時間較短時，水體中的磷未能與聚磷菌充分接觸，很快被帶出濕地，所以總磷去除率隨著水力停留時間的增加而不斷提高；但是，過長的水力停留時間使得水體處于缺氧環境，而聚磷菌只有在富氧的環境下才能進行磷的吸收，所以總磷去除率在達到峰值后出現下降現象。

表面流人工濕地增設擋板后總磷的去除率平均提升6.23%，其中，48 h時提升最為明顯，為9.20%；水平潛流人工濕地增設擋板后總磷的去除效率平均提升4.30%，其中12 h時提升最為明顯，為6.84%。可見，增設擋板可在一定程度上提升人工濕地總磷的去除率，并且表面流人工濕地的去除效果比水平潛流人工濕地的更顯著。

2.2 水力負荷對污染物去除效果的影響

2.2.1 COD

不同類型人工濕地COD去除率隨水力負荷的變化如圖6所示。由圖可見，各類型人工濕地COD去除率隨水力負荷的增大先提高、后降低，水力負荷為15 cm/d時，COD去除率達到最大，其中垂直上行人工濕地的去除效果最好，去除率為75.71%。隨著水力負荷的增大，各人工濕地的COD去除率出現降低的趨勢，其原因主要是： 1)當水力負荷過低時，生物膜的吸附作用和微生物的降解作用更加充分，但是容易形成厭氧狀態，COD的去除效果不佳； 2)隨著水力負荷的增加，水流速度加快，濕地內部氧氣增加，COD去除效果隨之增強； 3)隨著水力負荷的進一步增加，大量的有機物還沒有與微生物群落充分接觸就被帶出濕地系統，導致COD去除率降低。

人工濕地中擋板的增設在水力負荷為15 cm/d時對COD的去除效果最佳，表面流、水平潛流人工濕地的COD去除率分別提升7.91%、5.57%。隨著水力負荷的進一步增加，擋板對COD去除率影響逐漸減弱，當水力負荷達到35 cm/d時，擋板的作用幾乎不體現。

2.2.2 總氮

不同類型人工濕地總氮去除率隨水力負荷的變化如圖7所示。由圖可以看出：各類型人工濕地總氮去除率隨著水力負荷的增加而降低，在較小的水力負荷下(如5、15 cm/d)，6種類型人工濕地對總氮去除效果較好，去除率均高于60%；水力負荷超過15 cm/d后，去除率出現大幅下降。在高水力負荷下，垂直流、水平潛流人工濕地的總氮去除率明顯高于表面流人工濕地的，平均高出29.19%。當水力負荷較小時，硝化和反硝化作用更強，水體中的氮可以被充分分解，植物與微生物對氮的吸收利用也更充分。隨著水力負荷增大，污水在人工濕地系統內停留時間不足，導致硝化和反硝化作用不能完全進行，甚至部分硝化菌及反硝化菌會被快速流動的水流帶出系統，使得總氮去除率降低。總的來說，水力負荷低于15 cm/d時能夠保證人工濕地系統對總氮有較好的去除效果。

圖7 不同類型人工濕地總氮去除率隨水力負荷的變化

水平潛流人工濕地增設擋板后總氮去除率明顯提高，尤其在水力負荷為15 cm/d時，去除率提高了11.77%。相比之下，表面流人工濕地增設擋板后總氮去除率略有提升，但是效果不明顯。

2.2.3 氨氮

不同類型人工濕地氨氮去除率隨水力負荷的變化如圖8所示。由圖可知： 水平潛流人工濕地氨氮的去除效果，明顯好于表面流人工濕地的。隨著水力負荷的增大，各類型人工濕地氨氮去除率均降低，垂直流、水平潛流人工濕地的去除率由80%左右下降至20%左右，表面流人工濕地的由40%左右下降至不足10%，說明水力負荷越小越有利于氨氮的去除。當垂直流、水平潛流人工濕地水力負荷小于25 cm/d，表面流人工濕地水力負荷小于15 cm/d時，能夠保證濕地系統有較好的氨氮去除效果。

圖8 不同類型人工濕地氨氮去除率隨水力負荷的變化

在水力負荷為15 cm/d時，增設擋板的表面流人工濕地氨氮去除率提高了8.71%，增設擋板的水平潛流人工濕地在水力負荷為15、25 cm/d時氨氮去除率分別提高了9.19%、12.82%，在其余的水力負荷下，有無擋板對上述2種類型人工濕地的氨氮去除基本沒有影響。可見，擋板的增設有利于提高人工濕地在中等水力負荷下的氨氮去除率，但在較低或較高的水力負荷下，擋板的作用并不明顯。

2.2.4 總磷

不同類型人工濕地總磷去除率隨水力負荷的變化如圖9所示。由圖可見，在較低的水力負荷下，各類型人工濕地都具有較高的總磷去除率。當水力負荷為5 cm/d時，水平潛流人工濕地去除率最高，為89.26%，含擋板表面流人工濕地的去除率最低，為79.01%，兩者差距僅為10.05%。隨著水力負荷的不斷增大，各類型人工濕地總磷去除率均降低，并且表面流人工濕地的去除率與其他類型人工濕地的數值差距越來越大。當水力負荷為35 cm/d時，含擋板水平潛流人工濕地的去除率最高，為83.26%，表面流人工濕地的去除率最低，為40.17%，兩者差距達到43.09%。

圖9 不同類型人工濕地總磷去除率隨水力負荷的變化

當水力負荷大于15 cm/d時，擋板的作用才得以體現。當水力負荷為25 cm/d時，擋板的增設對表面流人工濕地總磷去除效果的提升最大，去除率為6.23%；設擋板的水平潛流人工濕地在水力負荷為35 cm/d時對總磷去除效果的提升最大，去除率為8.24%。當水力負荷為5 cm/d時，設擋板的表面流、水平潛流人工濕地的總磷去除率，還略低于無擋板的表面流、水平潛流人工濕地的，說明當水力負荷較低時濕地不適宜增設擋板。

3 結論

1)在不同的水力條件下，人工濕地的處理效果表現為垂直流優于水平潛流和表面流。在不同水力停留時間下，總氮去除效果最好的是垂直上行人工濕地，總磷、COD去除效果最好的是垂直下行人工濕地，氨氮去除效果最好的是水平潛流人工濕地；不同水力負荷下，考慮到處理效果與處理效率，表面流人工濕地的最佳水力負荷為5 cm/d，垂直流、水平潛流人工濕地的最佳水力負荷為15 cm/d，可以保證人工濕地既有較好的處理效果，又有較高的污水處理效率，同時還可以增加污水處理量。

2)擋板的增設可以使人工濕地在相同水力條件下改善污染物的去除效果，適當延長人工濕地的水力停留時間以及減少水力負荷的沖擊，但是當水力負荷過小或過大時擋板的作用并不明顯，甚至會惡化濕地的處理效果，試驗結果表明，增設擋板合適的水力負荷范圍為15～25 cm/d。