垂直-水平流復合人工濕地凈化河水效果研究

寧波碧城生態科技有限公司 劉亮，趙燎原，許寧寧

一、概述

人工濕地是基于生態學原理，通過基質填料的過濾、吸附、沉淀、離子交換、絡合反應，微生物吸收、分解、同化、氮素的硝化與反硝化作用和植物對營養元素的攝取等實現對污水的高效凈化。自從上個世紀末引入國內后，在低水力負荷（0.2～0.4m3/m2·d）下運行能達到良好的效果，而且運行維護費用也低，逐漸成為主流的生態水處理工藝。但是，低水力負荷的人工濕地所需占地面積大，為了提高土地的利用率，高水力負荷（≥1.0m3/m2·d）人工濕地水處理工藝開始出現[1]。

臺州灣人工濕地是臺州灣現代農業水生態工程的重要組成部分，位于臺州市集聚區聚海大道與綠脈南路交叉位置，承擔著凈化月湖水質和為其補水的重要功能。該人工強化濕地占地約232.5畝，設計處理規模為1.3×105m3/d，水力表面負荷為2.22m3/m2·d，其采用的水處理工藝為：自月湖/洪家場浦河進水→植物沉淀塘→格柵→提升泵→垂直流人工強化濕地→水平流人工強化濕地→表面流人工強化濕地→出水到月湖，且垂直流和水平流人工強化濕地是該水處理工藝的核心。通過該工藝的處理，使水質由地表水Ⅴ類凈化到地表水Ⅳ類標準，保證整個月湖水系為地表水Ⅳ類水質。

為便于今后高水力負荷人工濕地的設計優化和運行控制，寧波碧城生態科技有限公司成立長三角濕地研究中心，以水力負荷、水生植物、垂直流人工強化濕地填料深度和水平流人工濕地水平長度為參數，采用上述工藝的核心垂直-水平流復合人工濕地對洪家場浦河水進行凈化效果的研究。

二、試驗條件

（一）垂直-水平流復合人工濕地的結構

垂直-水平流復合人工濕地系統由垂直流人工濕地和水平流人工濕地先后串聯而成，池體均為鋼筋混凝土結構。其中，垂直流人工濕地池體內采用平鋪PVC管小孔出流的布水方式形成垂直流，從上到下裝填0.4m厚度的細粒徑（5～10mm）、中粒徑（10～20mm）和粗粒徑（20～30mm）碎石，表面栽種水生植物；水平流人工濕地池體內采用從一側渠道進水的布水方式形成水平流，從水流進口到出口填充粗粒徑（20～30mm）、中粒徑（10～20mm）和細粒徑（5～10mm）碎石，表面栽種水生植物。

（二）人工濕地栽種的水生植物

試驗采用的水生植物為水生美人蕉。

（三）試驗用水

試驗用水為洪家場浦河下游河水。

（四）水質指標與化驗設備

（1）水質指標

試驗中檢測的水質指標有溶解氧、CODCr、氨氮、總氮和總磷。

（2）化驗設備

化驗設備如圖1所示。

圖1 化驗儀器

三、結果與討論

（一）水力負荷對垂直-水平流復合人工濕地凈水效果的影響

試驗研究了水力負荷為2.22、1.11和0.55m3/m2·d三種運行工況下垂直-水平流復合人工濕地對洪家場浦河水凈化效果的影響。試驗結果見表1。

表1 水力負荷對垂直-水平流復合人工濕地凈水效果的影響

從表1可以看出，隨著水力負荷的逐漸降低，出水水質指標 COD、NH3-N、TN和 TP呈 逐漸下降的趨勢，并且水力負荷從2.22m3/m2·d變 為 1.11m3/m2·d時的去除量要大于水力負荷從1.11m3/m2·d變 為 0.55m3/m2·d的去除量。考慮到投資成本的因素，設計時可采用的水力表面負荷為1.11m3/m2·d左右。這是因為：水力負荷降低，停留時間增加，反應進行的較為徹底，所以隨著水力負荷的降低而使出水水質逐漸變好。

（二）水生植物對垂直-水平流復合人工濕地凈水效果的影響

水生植物在人工濕地凈化污水過程中的功能主要表現在：（1）對污水中營養物質的直接吸收、利用；（2）輸送氧氣到根區，提供根區微生物生長、繁殖和降解反應所需的氧氣；（3）增強和維持介質的水力傳輸能力[2]。

本試驗在水力負荷2.22m3/m2·d的條件下，進行了植物種植前后垂直-水平流復合人工濕地凈水效果的影響。

數據采集與處理：對植物種植前和植物種植生長半年后的垂直-水平流復合人工濕地的凈水結果數據進行連續一個月的數據采集，然后計算其平均值進行水處理效果的評價。結果見圖2。

圖2 水生植物對垂直-水平流復合人工強化濕地凈水效果的影響

從圖2可以看出：與未種植水生植物相比，種植水生植物半年后的人工濕地對水質各指標的去除率提高了15～25%。可見，植物在人工濕地對水質的凈化過程中起著非常重要的作用。這主要是因為：（1）種植在人工濕地中的植物一般具有生長迅速、生物量大和吸收能力強的特征。這些植物能夠直接吸收、利用污水中的營養元素，并經過同化作用將其轉化為自身組分，最后，通過收割植物，將水中的營養元素去除。（2）水生植物具有的發達根系，一方面為微生物的聚集和生存繁衍提供了合適場所；另一方面能夠將其通過光合作用產生的氧氣通過氣道傳遞到根區。這樣在植物根部周圍依次形成了好氧區、缺氧區和厭氧區，通過微生物反應實現水中營養物的去除。

（三）填料深度對復合人工濕地中垂直流部分凈水效果的影響

填料深度主要對復合人工濕地中的垂直流部分形成影響，會造成水中豎向上溶解氧含量的梯度變化，從而形成不同的微生物環境，進而影響出水水質。

（1）填料深度與水中溶解氧含量的關系

試驗進行了復合人工濕地中垂直流部分的填料深度與水中溶解氧含量關系的研究，考察的填料深度位置點依次為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2m，結果見圖3。

圖3 填料深度與水中溶解氧含量的關系

從圖3可以看出，隨著填料深度的增加，溶解氧呈逐漸下降的趨勢。在深度大于0.6m后溶解氧的含量變化很小，約在0.5～1.0mg/l之間而呈缺氧環境。這是因為：垂直流人工濕地的水流從上到下，水中溶解氧在好氧微生物的作用下發生膜生物反應而被不斷地消耗，導致填料深度方向上水中溶解氧呈逐漸降低的趨勢，直到呈現厭氧狀態。

（2）填料深度對水處理效果的影響

填料深度主要對復合人工濕地中的垂直流部分形成影響，其大小直接影響到填料的截留、吸附能力和微生物反應的完全性[3]。填料深度較小時，填料的截留、吸附能力不夠以及造成微生物反應不徹底，造成水中污染物去除率的降低。反之，則能提高污染物的去除率，但也不應過大，否則會造成填料的浪費和出水水質變差。

本試驗在水力負荷2.22m3/m2·d的條件下，進行了復合人工濕地中垂直流部分的填料深度與處理水質效果關系的試驗，考察的填料深度位置點依次為0.3、0.6、0.9和1.2m，結果見圖4。

圖4 填料深度對水處理效果的影響

從圖4可以看出，隨著填料深度的增加，各水質指標COD、NH3-N、TN和TP呈先增加后保持不變的趨勢，即在填料深度0.9m時，各水質指標的去除率都達到了最大。這是因為：填料深度0.9m時，填料的截留、吸附和微生物反應達到了最佳狀態。

由此可知，從上述兩個試驗可以看出，在該試驗條件下，復合人工濕地中垂直流部分填料深度宜為0.6～0.9m。

（四）水平長度對復合人工濕地中水平流部分凈水效果的影響

水平長度主要對復合人工濕地中的水平流部分形成影響，主要表現為隨著水在水平推流的作用下，其水質指標在不斷地發生變化。試驗在水力負荷為2.22m3/m2·d的條件下，進行了水平流人工濕地水平長度對處理水質處理效果的影響。試驗考察的水平長度為6、12、18、24和30m處五個位置點，采樣深度為0.4m。結果見圖5。從圖5可以看出：隨著水平距離的逐漸增加，COD、氨氮、總磷和總氮的去除率呈逐漸增加的趨勢，并在第四個采樣點位置（距離進水口24m）各水質指標的去除率達到最大。這是因為：復合人工濕地中的水平流部分在水流方向上距離進水口24m時，填料的截留、吸附和微生物反應達到了最佳狀態。可見，復合人工濕地的水平流部分的長度宜為24m。

圖5 水平長度與水質指標的處理效果

四、結論

（1）水力負荷從2.22m3/m2·d變為 1.11m3/m2·d時的去除量要大于水力負荷從1.11m3/m2·d 變為 0.55m3/m2·d。考慮到投資成本的因素，設計時宜采用的水力負荷為1.11m3/m2·d。

（2）與未種植水生植物相比，種植水生植物半年后的人工濕地對水質各指標的去除率提高了15～25%。

（3）在水力負荷從2.22m3/m2·d的條件下，復合人工濕地中垂直流部分的填料深度宜為0.6～0.9m，水平流部分的長度宜為24m。