基質及植物對人工濕地處理農村生活污水的影響

摘要：用菖蒲、蘆葦2種植物和石英砂、活性炭、煤矸石3種基質構建了6套人工濕地系統，分別命名為裝置1#， 2#， 3#， 4#， 5#， 6#，探究了植物、基質及水力停留時間對處理農村生活污水效果的影響。結果表明，隨著水力停留時間的增加，6套裝置系統對各污染物的去除效果均越來越好，當水力停留時間為48h時，6套裝置系統對各污染物的去除效果達到最佳。菖蒲-活性炭3#裝置在48h水力停留時間下，化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、氨氮（ammonia nitrogen，NH+4N）、全磷（total phosphorus，TP）的去除率分別為97.34%， 92.19%， 79.50%，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準及以上，說明該系統可用于農村生活污水處理。

關鍵詞：人工濕地; 農村生活污水; 水力停留時間; 基質; 污染物去除率

中圖分類號：X703文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2024.02.005

CUI Song LYU Yan CHEN Lanfeng TONG Deli WU Yannan LI Yueyao LIU Lu

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Liaoning Fuxin Hydrology Bureau， Fuxin 123000， China）

Abstract：Six constructed wetland systems， named device 1#， 2#， 3#， 4#， 5# and 6#， were constructed with two kinds of plants， calamus and reed， and three kinds of substrates， quartz sand， activated carbon and coal gangue. The effects of plants， substrates and hydraulic residence time on the treatment of rural domestic sewage were investigated. The results showed that the removal effect of the six device systems on each pollutant became better and better with the increase of hydraulic residence time. When the hydraulic residence time was 48h， the removal effect of the six device systems on each pollutant reached the best. Under 48h hydraulic retention time， the chemical oxygen demand （COD）， ammonia nitrogen （NH+4N）， and total phosphorus （TP） of calamusactivated carbon device 3# were 97.34%， 92.19% and 79.50%， respectively. The effluent quality reached the first class B standard or above of the \"Pollutont Discharge Standard of Urban Sewage Treatment Plants\"（GB 18918—2002）， indicating that the system could be used for rural domestic sewage treatment.

Key words：constructed wetland; rural domestic sewage; hydraulic residence time; matrix; pollutant removal rate

隨著全面建成小康社會目標的實現，我國居民生活質量明顯提升，用水量逐漸增加，生活污水排放量也明顯增加。當前，我國農村地區生活污水處理率僅為31%左右，以生物處理方式為主［1］。其中，利用土壤-動植物-微生物的耦合生態系統對污水中的污染物進行降解凈化的土地滲濾技術具有投資費用低、操作管理簡單、動力消耗低和再生水可回用等優點［2-3］，但其缺點是占地面積大，容易堵塞。穩定塘技術利用湖底沉積物的自凈作用和湖面生態系統的生物鏈循環對受污染水體進行凈化和修復，具有處理成本低、比較耐負荷沖擊、能較好地去除污水中的致病微生物的優點［4］。用人工濕地模擬自然濕地對污水進行凈化，污水處理過程更可控。人工濕地以其處理相對簡單便捷、投資和運營成本低等優點在農村生活污水處理中占有巨大優勢。人工濕地對污染物的去除效果受水力停留時間、濕地內部溶解氧濃度、污水pH和外界環境溫度影響較大［5］。本文構建的人工濕地通過系統中的基質、植物、微生物的作用對生活污水中的污染物進行處理，具有耗能低、操作簡單、出水水質較好、節能綠色等優點［6］。

1材料與方法

1.1人工濕地裝置的構建

本研究構建了6套模擬人工濕地系統（constructed wetland system，CWS），分別編號為1#，2#，3#，4#，5#，6#，實驗地點位于沈陽師范大學創新創業中心實驗室內。人工濕地裝置示意圖和實物圖如圖1和圖2所示。

人工濕地系統裝置的主體為由聚丙烯塑料制成的圓柱體，直徑為0.09m，高為0.47m，底部均鋪設了5cm的鵝卵石以防止底部出水管堵塞。6套人工濕地裝置填料結構見表1。裝置通過融柏恒流蠕動泵（BT1002J）控制進水。

1.2實驗設計

實驗進水為模擬生活污水，人工垂直潛流濕地進水采用連續流的方式。采用較長的水力停留時間模擬生活污水，以較緩的流速流經垂直流人工濕地進行馴化，穩定運行一個月后取濕地出水水樣進行檢測，待人工垂直潛流濕地出水中的各項污染物指標趨于穩定后進行實驗。

實驗開始后，設置不同的水力停留時間（hydraulic retention time，HRT），依次為12，16，24，48h，每個裝置系統依次經過一個周期（12，16，24，48h）后，將裝置中的水排凈，然后立即補充新的人工污水，再進行新一輪的周期。在裝置中的水排凈之前，取對應的進出水水樣分析各裝置的進出水中有機物、氮、磷的濃度。分析不同水力停留時間下各系統對濕地除污效能的影響，并篩選最佳人工濕地系統。

1.3進水水質

實驗用水采用葡萄糖（C₆H₁₂O₆）、硫酸銨［（NH₄）2SO4］、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、氯化鈣（CaCl2）、硫酸亞鐵（FeSO4）和硫酸鎂（MgSO4）配制的模擬生活污水。進水中NH+4N的濃度穩定在30～40mg/L，COD的濃度穩定在200～300mg/L，TP的濃度穩定在3～7mg/L。具體進水水質與排放標準見表2。

1.4分析方法

采用重鉻酸鉀法測定COD，鉬銻抗分光光度法測定TP，納氏試劑比色法測定NH+4N，可見分光光度計法測定NO-3N［7］。所有的樣本均于4℃保存在冰箱中，24h之內進行分析，每個樣品重復分析3次。

1.5數據處理

采用Excel 2019對數據進行處理；Origin 2019繪制數據圖形。

2結果與分析

2.1水力停留時間對COD去除效果的影響

如圖3所示，當水力停留時間分別為12，16，24，48h時，1#裝置的COD去除率分別為90.57%，91.51%，93.60%，95.49%；2#裝置的COD去除率分別為87.57%，90.00%，91.72%，95.15%；3#裝置的COD去除率分別為93.49%，94.48%，95.97%，97.34%；4#裝置的COD去除率分別為93.27%，93.95%，94.16%，97.20%；5#裝置的COD去除率分別為93.21%，93.68%，93.73%，96.92%；6#裝置的COD去除率分別為91.43%，92.16%，93.53%，96.92%。1#裝置的COD出水濃度分別為25.12，22.65，17.42，11.83mg/L；2#裝置的COD出水濃度分別為33.11，26.66，22.52，12.72mg/L；3#裝置的COD出水濃度分別為17.33，14.73，10.96，6.98mg/L；4#裝置的COD出水濃度分別為17.93，16.14，15.90，7.34mg/L；5#裝置的COD出水濃度分別為18.08，16.87，17.05，8.08mg/L；6#裝置的COD出水濃度分別為22.83，20.92，17.59，8.08mg/L。

各系統在設計水力停留時間下出水COD濃度均符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，且去除率均在87%以上。隨著水力停留時間的增加，污水在系統內的停留時間變長，有機物能得到充分的氧化分解［8］，COD的去除率逐漸升高，當水力停留時間為48 h時，COD的去除效果均最佳。COD的去除還通過植物根系、基質的降解吸附和微生物的活動分解等進行［9］。當水力停留時間較少時，系統內含水量不斷增加，會使基質吸附與截留能力下降，致使部分有機物未能及時被吸附或者降解，從而未能在凈化污水的過程中排出裝置系統，該結果與賈軍等［1011］的研究結果相一致。

2.2水力停留時間對NH+4N去除效果的影響

如圖4所示，當水力停留時間分別為12，16，24，48h時，1#裝置的出水NH+4N濃度分別為29.87，24.44，25.02，24.74mg/L，去除率分別為21.44%，30.75%，30.89%，34.43%；2#裝置的出水NH+4N濃度分別為30.66，27.55，26.99，25.81mg/L，去除率分別為19.38%，21.94%，25.43%，31.59%；3#裝置的出水NH+4N濃度分別為10.15，8.90，5.89，2.95mg/L，去除率分別為73.31%，74.77%，83.72%，92.19%；4#裝置的出水NH+4N濃度分別為17.96，14.91，8.24，7.61mg/L，去除率分別為52.77%，57.76%，77.24%，79.83%；5#裝置的出水NH+4N濃度分別為21.09，20.34，15.82，15.79mg/L，去除率分別為44.54%，42.35%，56.29%，58.14%；6#裝置的出水NH+4N濃度分別為22.75，20.50，21.64，17.79mg/L，去除率分別為40.17%，41.91%，40.21%，52.86%。

除1#，2#裝置外，其余各系統在設計水力停留時間下出水NH+4N濃度均符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的二級標準，且去除率均在40%以上。人工濕地對NH+4N的去除主要依靠基質吸附和微生物硝化反硝化作用［11］。NH+4N首先會被基質吸附，然后被基質內的硝化細菌轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，最后經過反硝化作用變成氮氣［12］。在本研究中，隨著水力停留時間的增加，NH+4N的去除率逐漸升高。當水力停留時間為48h時，6套CWS裝置的NH+4N去除效果最佳。

2.3水力停留時間對TP去除效果的影響

如圖5所示，在設計水力停留時間下，1#裝置的出水TP濃度分別為4.55，3.48，3.34，2.78mg/L，去除率分別為8.68%，25.61%，30.72%，39.59%；2#裝置的出水TP濃度分別為3.21，3.06，3.01，2.54mg/L，去除率分別為35.56%，34.46%，37.58%，44.71%；3#裝置的出水TP濃度分別為1.74，1.45，1.30，0.94mg/L，去除率分別為65.06%，68.96%，73.08%，79.50%；4#裝置的出水TP濃度分別為2.46，1.64，1.48，0.74mg/L，去除率分別為50.57%，64.95%，69.38%，83.96%；5#裝置的出水TP濃度分別為4.44，3.09，2.48，2.34mg/L，去除率分別為10.84%，33.82%，48.65%，49.06%；6#裝置的出水TP濃度分別為4.03，3.24，2.73，2.10mg/L，去除率分別為19.09%，30.60%，43.38%，54.28%。

1#，2#裝置在48h水力停留時間下，出水TP濃度符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的二級標準；3#，4#裝置在設計水力停留時間下出水TP濃度均符合二級標準；5#，6#裝置在24，48h水力停留時間下，出水TP濃度均符合二級標準。人工濕地對TP的去除主要靠基質的吸附和攔截作用［13］，當水力停留時間不斷減少時，系統內含水量不斷增加，會使基質吸附與截留能力下降，致使系統對TP的去除效果逐漸降低。隨著水力停留時間的增加，TP的去除率逐漸升高。

2.4水力停留時間對出水NO^-₃N和NO^-₂N的影響

如圖6所示，在設計水力停留時間下，1#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為2.03，3.86，4.14，4.21mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0013，0.0009，0.0006，0.0003mg/L；2#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為1.30，2.00，3.22，3.53mg/L，NO_-2N的出水濃度分別為0.0029，0.0015，0.0011，0.0008mg/L；3#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為11.54，14.16，23.84，25.36mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0090，0.0026，0.0019，0.0010mg/L；4#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為2.11，2.34，20.72，23.95mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0548，0.0322，0.0316，0.0109mg/L；5#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為5.25，6.30，11.82，19.85mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0017，0.0012，0.0010，0.0009mg/L；6#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為4.21，4.59，8.45，8.78 mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0234，0.0088，0.0012，0.0010mg/L。

隨著水力停留時間的增加，6套裝置的NO^-₃N出水濃度逐漸升高，NO^-₂N的出水濃度逐漸降低，這可能是由于隨著水力停留時間的增加，污水可以更加充分地與基質接觸進行吸附，并且能夠充分利用基質中的微生物發生作用［1415］。在上層好氧基質中，主要通過微生物亞硝化菌、硝化菌的作用進行硝化反應，生成的大量NO^-₂N，NO^-₃N，NO^-₂N在上層好氧基質中極易氧化生成NO^-₃N，而在下層厭氧基質中，主要通過反硝化菌的作用進行反硝化反應，其原因可能是污水到了下層基質中可利用的有機物含量過低，反硝化作用被抑制，從而導致NO^-₃N的積累［16］。在水力停留時間為48h時，相比于水力停留時間較短的12h，硝化反應更徹底，因而隨著水力停留時間的增加生成的NO^-₃N越來越多，NO^-₂N越來越少，對NH+4N的去除效果越來越好。

2.5不同植物、基質對污水處理效果的影響

如圖7所示，在最佳水力停留時間48h時，1#，2#裝置對COD的去除率分別為95.49%，95.15%；活性炭3#，4#裝置對COD的去除率分別為97.34%，97.20%；煤矸石5#，6#裝置對COD的去除率分別為96.92%，96.92%。不同基質對COD的去除效果為活性炭＞煤矸石＞石英砂。活性炭裝置的去除效果最佳，其原因是加入活性炭會增加基質的通氣性能，使有機物更容易氧化分解。在相同基質的條件下，不同植物對COD的去除效果不同，總體表現為菖蒲優于蘆葦，這可能是因為菖蒲的根系和通氣組織較發達，有利于根系微生物的生存，所以其 COD 去除效果較好。

在最佳水力停留時間48 h時，1#，2#裝置對NH+4N的去除率分別為34.43%，31.59%；3#，4#裝置對NH+4N的去除率分別為92.19%，79.83%；5#，6#裝置對NH+4N的去除率分別為58.14%，52.86%。總體表現為活性炭＞煤矸石＞石英砂。活性炭裝置對NH+4N的去除率最高，主要是因為活性炭有多孔結構，其在系統填料選擇上是一種較優的生物載體原料，有利于各類微生物的附著和生存，在活性炭上的微生物可以利用有機碳源轉化為氨氮。在相同基質的條件下，不同植物對NH+4N的去除效果不同，具體表現為菖蒲優于蘆葦。

在最佳水力停留時間48h時，1#，2#裝置對TP的去除率分別為39.59%，44.71%；3#，4#裝置對TP的去除率分別為79.50%，83.96%；5#，6#裝置對TP的去除率分別為49.06%，54.28%。不同基質對TP的去除效果為活性炭＞煤矸石＞石英砂。在相同基質的條件下，不同植物對TP的去除效果不同，總體表現為蘆葦優于菖蒲。

3結論

隨著水力停留時間的增加，6套裝置系統對COD，NH+4N，TP的去除率逐漸升高，48h為6套裝置系統的最佳水力停留時間。在最佳水力停留時間下，裝置1#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為95.49%，34.43%，39.59%；裝置2#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為95.15%，31.59%，44.71%；裝置3#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為97.34%，92.19%，79.50%；裝置4#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為97.20%，79.83%，83.96%；裝置5#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為96.92%，58.14%，49.06%；裝置6#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為96.92%，52.86%，54.28%。水力停留時間對6套裝置系統的NO^-₃N，NO^-₂N出水濃度無顯著影響。

在最佳水力停留時間48h時，不同基質對COD，NH+4N，TP的去除效果不同，均表現為活性炭＞煤矸石＞石英砂。活性炭3#，4#裝置對COD，NH+4N，TP的去除效果最佳，分別為97.34%，92.19%，79.50%，97.20%，79.83%，83.96%。在相同基質的條件下，菖蒲對COD，NH+4N的去除效果好于蘆葦，而蘆葦對TP的去除效果好于菖蒲。綜上，對COD，NH+4N去除效果最佳的裝置為3#（菖蒲-活性炭裝置），對TP去除效果最佳的裝置為4#（蘆葦-活性炭裝置）。總體來說，裝置3#（菖蒲-活性炭裝置）為最佳系統裝置，其對COD，NH+4N，TP的去除率均較高且出水水質達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準。

參考文獻：

［1］郭芳，陳永，王國田，等.我國農村生活污水處理現狀、問題與發展建議［J］.給水排水，2022，58（S1）：6872.

［2］賈小寧，何小娟，韓凱旋，等.農村生活污水處理技術研究進展［J］.水處理技術，2018，44（9）：2226.

［3］PANG J L，PAN J，TONG D L，et al.How do hydraulic load and intermittent aeration affect pollutants removal and greenhouse gases emission in wastewater ecological soil infiltration systems？［J］.Ecol Eng，2020，146：105747.

［4］李嘉俊.多層人工土壤滲濾系統處理農村生活污水的試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2024.

［5］夏斌.人工濕地處理農村生活污水的問題診斷與氮磷強化去除技術研究［D］.上海：上海師范大學， 2020.

［6］張洋，劉巧，鞏飛，等.生物炭添加對人工濕地處理農村生活污水的影響［J］.水處理技術，2023，49（9）：96101.

［7］國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會．水和廢水監測分析方法［M］.4版．北京：中國環境科學出版社，2002.

［8］張小姍，溫春曉，何寧.曝氣生物濾池處理城鎮污水廠尾水的強化脫氮及微生物群落特征分析［J］.生態科學，2021，40（6）：4855.

［9］張靖雨，汪邦穩，龍昶宇，等.不同處理措施對農村生活污水凈化效果研究［J］.安徽農業科學，2022，50（2）：211216.

［10］賈軍，崔正國，唐小雙，等.不同水力條件下海水人工濕地凈化效果及其影響分析［J］.漁業現代化，2021，48（5）：2635.

［11］張建美，韋昱多，朱永茂，等.缺氧SBR耦合蔬菜型人工濕地處理農村生活污水［J］.環境科學與技術，2023，46（9）：5461.

［12］VYMAZAL J.Removal of nutrients in constructed wetlands for wastewater treatment through plant harvestingBiomass and load matter the most［J］.Ecol Eng，2020，155：105962.

［13］曾馨蓉，趙茜芮，顏海寧，等.人工濕地脫氮除磷機理及其影響因素研究綜述［J］.云南化工，2022，49（7）：68.

［14］趙磊，潘文斌，林皓，等.人工濕地填料及其對氮磷去除機理研究進展［J］.化學工程與裝備，2022（6）：211218.

［15］HE Y T，PENG L，HUA Y M，et al.Treatment for domestic wastewater from university dorms using a hybrid constructed wetland at pilot scale ［J］.Environ Sci Pollut Res，2018，25（9）：85328541.

［16］王朝彬.人工潛流濕地凈化淀中村生活污水處理尾水試驗研究［D］.邯鄲：河北工程大學，2021.

【責任編輯：王瑞丹】