復合垂直流人工濕地污染物去除效率影響研究

摘要：為了探討不同水力條件和挺水植物布設方式對復合垂直流人工濕地污染物去除效率的影響，搭建人工濕地中試，采用單因素實驗法，研究不同條件下水體中有機物、氪、磷的凈化規律。結果表明：在表面積一定的前提下，進水流量較小、水深較深，脫氮除磷效果較好；有機物去除效率隨著水力停留時間的增加呈現先減小后增大的趨勢。綜合工況條件復合垂直流人工濕地在進水流量為200 L／（m2·d），水力停留時間為72 h，水深為1.5m的條件時有機物、氨氮、總磷的去除效率可達到69.20%、73.68%、90.64%，出水水質達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2022）中III類水標準。該條件下，千屈菜和蘆葦的種植布設方式采用10株／m2和6株／m2時去除效率較高。

關鍵詞：人工濕地；復合垂直流；水力條件；種植密度；去除效率

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A

前言

由于城市河道水環境存在形態單一、水資源匱乏、水質凈化措施不力等問題，需綜合考慮物理、化學、生物協同作用提升水生態品質，改善水環境，恢復河道水體生態功能。常用的處理方法有補給水源，完善污水收集管網，營造水下森林、人工濕地，修建增氧設施等。其中人工濕地具有投資能耗低，運行維護簡單，河道水體感官品質改善，便于永生生物生長和鳥類棲息的優點，但同時存在著占地面積大、長期運行易發生填料堵塞的問題。

近年來，中國對潛流濕地污染物去除效率影響因素進行了研究。在水力因素方面，水流增大對模塊化潛流濕地的污染物去除有削弱作用。在植物種植因素方面：采用單一植物種植時，種植密度同化學需氧量和總磷的去除效率成正相關，與總磷的相關性不明顯，采用挺水+浮水+沉水的組合方式時，化學需氧量、氨氮、總磷的去除效率均在70%以上。盡管已對潛流濕地的水力條件和種植密度展開了研究，但是對下行／上行復合垂直流人工濕地去除效率影響因素的研究較少，因此搭建下行／上行復合垂直流人工濕地系統，研究水力條件和植物種植密度對復合垂直流人工濕地水質凈化的影響，以期細化復合垂直流入工濕地的實際應用場景，為河道水體治理技術的選擇提供參考。

1材料與方法

1.1進水水質

采用夏季河北南部地區唐河河水作為復合垂直流人工濕地的進水，以化學需氧量（COD）濃度表征水體中有機物含量，以氨氮（NH3-N）濃度表征水體中氮含量，以總磷（TP）濃度表征水體中磷含量，四次采樣后測得的平均水質見表1。

1.2復合垂直流人工濕地系統

1. 2.1實驗裝置

實驗為期6個月，在室內進行，環境條件為：相對濕度63%，溫度23℃。復合垂直流人工濕地系統設備長2.4 m、寬1.0 m、高2.0m，材質為防腐處理過的碳鋼，其中主體部分長1.8 m，中間設置隔板，分下行流和上行流兩個單元；進水水箱和出水水箱均長0.3 m。系統內部可細分為前端進水（進水水箱）、主體復合下行流／上行流曝氣處理、末端排水（出水水箱）三部分。主體部分填料上行流單元自上而下分別為細沙層（2-3 mm）、卵石層（40-80 mm）、碎石層（20-30 mm）、礫石層（10 mm），下行流單元自上而下分別為細沙層、礫石層、碎石層、卵石層，每層厚度30 cm，填料主要成分二氧化硅（SiO2）。在填料的上部設有曝氣裝置，下部設有反沖洗裝置。進水水箱內的存水通過提升泵提升和轉子流量計控制后從上端進人主體的下行流處理單元，再從下端進人上行流處理單元，最終從上端經提升泵進人排水水箱，內部設有曝氣裝置。打開排水口閥門取水樣，測定COD、NH3-N、TP的濃度。復合垂直流人工濕地系統設備圖見圖1。

1.2.2水生植物選擇

常用的水生植物包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。挺水植物作為構建人工濕地的主要植物，具有吸收同化、攔截過濾污染物的作用，生命周期較長，儲存的氮、磷含量穩定，能通過定期收割植物去除水體中的氮、磷。有研究表明雨久花、千屈菜、澤瀉三種挺水植物中千屈菜的凈化效果最好，其TP、TN、NH3-N、COD的去除率具體為92.0%、97.6%、99.3%、84.3%，其次為澤瀉，再次為雨久花；而蘆葦對TP、TN、COD的去除率綜合效應值均較高且穩定。因此研究選取千屈菜和蘆葦作為復合垂直流人工濕地的種植植物。

1.3實驗及分析方法

1.3.1實驗方法

（1）單因素試驗法：選用蘆葦作為人工濕地種植植物，種植密度為16株/m2，選取進水流量、水力停留時間、水深3個因素進行單因素實驗，每個因素選取6個水平。進水流量選取100 L/h、200 L/h、300 L/h、400 L/h、500 L/h、600 L/h，水力停留時間選取12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h，水深選取0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m，每組實驗設置3個平行。以COD、NH3-N、IP作為確定水體污染物去除率的考查指標。

（2）在去除效率最優的進水流量、水深和水力停留時間工況下，選取千屈菜／蘆葦組合作為人工濕地植物進行種植，選取6個水平，千屈菜／蘆葦的布設方式分別為0株/m2和16株/m2、4株/m2和12株/m2，6株/m2和10株/m2，8株/m2和8株/m2，10株/m2和6株/m2，12株/m2和4株/m2，每組實驗重復3次，取平均值。研究去除效率最優的水生植物種植布設方式。

1.3.2分析方法

在實驗裝置的出水處取樣100 mL，水質檢測指標為COD、NH3-N、TP。COD采用重鉻酸鉀快速消解一光度法測定，參照《COD光度法快速測定儀技術要求及檢測方法》（HJ 924-2017）；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，參照《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》（HJ 535-2009）；TP采用流動注射-鉬酸銨分光光度法測定，參照《水質總磷的測定流動注射-鉬酸銨分光光度法》（HJ 545-2017）。采用SPSS 22.0對實驗結果進行方差分析，Origin 2022進行數據作圖分析。

2結果與討論

2.1不同水力條件下的去除效率

2.1.1進水流量對污染物去除效率的影響

在水力停留時間12小時，水深1.00m，布設方式為蘆葦16株/m2時，污染物的去除效率呈現有機物gt;氨氮gt;總磷的規律，原因是：實驗所用的進水為微污染的河道水，p（COD）的進水濃度范圍為29-36 mg/L-1，有機物的濃度偏低且主要成分為不溶性有機物，便于經過下行／上行兩道填料層過濾后去除，而氮磷的去處主要依靠植物和其他生物的吸收，而水體中有機物的含量偏低對氮磷的去除也易產生不利影響。隨著流量的增大，污染物去除效率隨著流量的增大呈現先提高后降低的趨勢，在流量為200 L/h-300 L/h時，去除效率較高，原因在于同一水深和水力停留時間的條件下，進水流量較少時，濕地植物對氮和磷的吸收、轉化更充分，但進水流量為100 L/h時，濕地進水量偏少，本身實驗裝置的蓄水量為0.8 m3左右，需進水6個小時后，蓄滿水、關停進水泵，因此前期水面低于植物根系，導致植物的吸收能力偏低。進水流量。同時，不同進水流量下化學需氧量的出水濃度沒有顯著性差異，因此各指標以出水濃度的平均值作為代表是可行的，方差分析見表2。

2.1.2水力停留時間對污染物去除效率的影響

從圖2（水力停留時間）中可以看出，在進水流量200 L/h，水深1.00 m，布設方式為蘆葦16株/m2時，水體中的COD、TP和NH3-N的去除效率隨著停留時間的增長，呈現先升高后趨于平穩的規律。由于延長水力停留時間可促進植物根際好氧微生物的生長，進而提高代謝污染物的能力，但是延長到一定時間后，由于好氧微生物的降解作用趨于平穩，污染物的去處效率不再提高，也有研究表明在冬季低溫條件下，采用冰下低水位運行，人工濕地仍能保持較好的污染物去除效率。

2.1.3水深對污染物去除效率的影響

在進水流量200 L/h，水力停留時間60 h，布設方式為蘆葦16株/m2時，水體中的有機物、氮和磷的去除和水深呈正相關。由于微生物菌落隨著水深加深，呈增加趨勢，增加的微生物有利于降解水中的各項污染物，其中對磷的降解更為明顯。一般情況是是水深加深，溫度和溶解氧的含量均降低，對微生物的活性有削弱的作用，但由于搭建的實驗裝置位于室內，因此溫度受水深變化的影響較小，與室溫近似相等；且由于實驗裝置規模較小，設計的最深水深為2.0m，且底部有的反沖洗有一定的增氧功能，因此底部的溶解氧較表層含量差異較小。同時底部的填料為礫石層和卵石層，構造較穩定、質地堅硬、抗機械撞擊性能強、表面光滑，生物膜易著床，也易排除死亡生物膜，不易堵塞，有利于降解水中的各項有機物。具體的數據見圖2。

2.2不同種植布設方式下的去除效率

由于有研究表明在水生植物組合種植時，TN、TP的去除率與種植密度先呈負相關，之后不無顯著差異的趨勢，因此試驗選取的種植密度為固定的16株/m2，但是組合種植的布設方式有所不同。

在進水流量200 L/h，水力停留時間60 h，水深1.50m時，選取千屈萊／蘆葦為0株/m2和16株/m2、4株/m2和12株/m2，6株/m2和10株／m2，8株/m2和8株/m2，10株/m2和6株/m2，12株/m2和4株/m2的種植布設方式下，10株／m2千屈菜和6株/m2蘆葦的種植分布方式，對氮、磷的去除效果較好，不同的布設方式對去除有機物的影響較小。其中蘆葦是常見的濕地植物，由于蘆葦不僅具有1m左右的主根，而且還有0.3 m-0.5 m的次生根和不定根，還有斜上、斜下和橫向生長的根狀莖，較須根狀直根系的千屈菜根系更為發達，伴隨著蘆葦根系的不斷擴張，有氧區域增加，基質中溶解氧濃度也隨之升高，有益于硝化過程的進行。因此蘆葦對硝氮具有較好的吸附能力，但是未經處理的蘆葦桿初期會釋放氨氮、磷和有機質，因此蘆葦種植布設較密（gt;10株／m2）時，水體中氮、磷的去除效率較低。具體數據見圖2。

3結論

通過對不同水力條件和不同種植布設方式下的垂直流人工濕地進行試驗，并對實驗數據進行分析后得出以下結論：由于河道水體水質較好，化學需氧量、氨氮、總磷的平均濃度分別為34 mg/L、1.71 mg/L、0. 38 mg/L，采用復合垂直流人工濕地提升水質的難度較大，整體去除效率偏低；但在最優水利條件和植物布設方式下，化學需氧量、氨氮、總磷的出水濃度為8 mg/L、0.14 mg/L、0.14 mg/L，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2022）中Ⅲ類水標準；在人工濕地表面積一定的前提下，水越深，水體凈化效率越高。在去除效率最佳的水力條件下，即在進水流量200 L/h，水力停留時間60 h，水深1.50 m時，千屈菜和蘆葦的種植布設方式采用10株/m2和6株/m2去除效率較高。