不同水力負荷條件下的人工濕地污染處理效果分析

和麗萍，范澤文，陳 靜，楊逢樂，田 軍

(1.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，昆明 650034;2.鎮(zhèn)雄縣環(huán)境科研監(jiān)測站，云南昭通 657200)

濕地污水處理系統(tǒng)主要分為天然濕地、表面流人工濕地和地下潛流人工濕地3類，其中以人工濕地應(yīng)用最為廣泛。國外有目的地利用濕地來處理污水始于20世紀70年代，美國、澳大利亞、荷蘭、丹麥、英國及日本等國都進行過這方面的嘗試，20世紀80年代后期人工濕地由試驗階段進入到應(yīng)用階段，在人工濕地污水處理能力及作用機理等基礎(chǔ)研究方面作了大量研究，并取得了巨大成就。美國、加拿大、澳大利亞、墨西哥、巴西、荷蘭、丹麥、英國及日本許多國家建造了相當數(shù)量的人工濕地污水處理系統(tǒng)，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)面源污染控制、暴雨徑流污染控制、村鎮(zhèn)污水控制、養(yǎng)殖廢水處理及現(xiàn)行常規(guī)污水處理廠出水深度凈化等領(lǐng)域。我國對人工濕地的研究及實際應(yīng)用始于20世紀80年代后期～21世紀初，主要包括北京昌平自由水面濕地試驗研究 (1988年)、華南環(huán)科所深圳白泥坑人工濕地處理城鎮(zhèn)污水示范工程(1990年)、天津環(huán)科所蘆葦濕地處理城市污水試驗研究、中國環(huán)科院人工濕地控制農(nóng)田徑流污染試驗研究 (1994年)、中科院南京植物所人工濕地處理酸性鐵礦廢水試驗研究，成都活水公園人工濕地(1998年)，深圳環(huán)科所洪湖公園人工濕地示范工程 (1999年)等。

一般來說，人工濕地抵抗水力負荷變化的能力較強，水力負荷在濕地系統(tǒng)能夠承受的范圍內(nèi)波動，不會對其凈化效果造成明顯的影響，但水力負荷過大，使?jié)竦厮νＡ魰r間縮短，導(dǎo)致濕地物理、化學(xué)及生物作用所需的時間不能得到滿足，影響出水水質(zhì)［1］。本研究在對國內(nèi)外人工濕地研究和應(yīng)用實例深入調(diào)查研究及總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，對撫仙湖馬料河人工濕地及窯泥溝人工濕地約30次水質(zhì)、水量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了詳細分析，同時對現(xiàn)有人工濕地工程設(shè)計參數(shù)進行深入分析論證，提出符合當?shù)刈匀粭l件、生態(tài)特征及污染特征的人工濕地工程水力負荷設(shè)計參數(shù)，為人工濕地工程設(shè)計提供技術(shù)參考，同時指導(dǎo)人工濕地的規(guī)劃、建設(shè)、運行及維護管理工作。

1 研究條件與方法

1.1 人工濕地建設(shè)及處理工藝

試驗選取建設(shè)于撫仙湖北岸污染較為嚴重的馬料河、窯泥溝的兩個人工濕地。

兩個人工濕地均采用獨創(chuàng)式復(fù)合型人工濕地自流凈化工藝，工藝流程如圖1。

圖1 人工濕地工藝流程Fig.1 Flowchart of the constructed wetland process

1.1.1 馬料河人工濕地

撫仙湖馬料河人工濕地位于撫仙湖北岸，占地面積1.99 hm2，設(shè)計處理能力為1.5萬 m3/d，主要接納撫仙湖北岸馬料河流域的農(nóng)業(yè)面源及村落污水。設(shè)計采用獨創(chuàng)的復(fù)合型人工濕地自流凈化工藝，工藝流程為攔污柵—沉淀池—生物氧化塘—潛流濕地—表流濕地。工程2003年6月開工，同年10月建成并投入試運行，運行結(jié)果表明，污染物去除率 COD55%，BOD50%，SS90%，TN60%，NH3－N60%，TP50%，TP31%，出水水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)Ⅳ類標準，工程投資333.5萬元 (含征地費)。

1.1.2 窯泥溝人工濕地

撫仙湖窯泥溝人工濕地位于撫仙湖北岸，占地面積2.20 hm2，設(shè)計處理能力為1.0萬m3/d，主要處理上游澄江縣城市生活污水、縣城污水處理廠排水、沿途13個村莊的生活污水和上萬畝農(nóng)田徑流形成的混合污水。設(shè)計采用攔污柵—沉淀池—生物氧化塘—潛流濕地—表流濕地的復(fù)合型人工濕地工藝。該濕地于2001年11月建成運行，工程噸水建設(shè)投資191元 (不含租地費)，噸水處理運行費0.10元左右，不使用化學(xué)藥劑，主要產(chǎn)物可二次利用，并利用原有湖灘地的自然高差實現(xiàn)無能耗自流運行。工程運行結(jié)果表明，污染物去除率COD58%，BOD535%，SS97%，TN45%，TP31%，明顯削減了窯泥溝入湖污染負荷。但由于進水濃度過高，該人工濕地運行1年左右潛流濕地完全堵塞，潛流濕地變成了表流濕地。2003年～2004年實施了濕地改擴建工程，新增濕地面積約1倍，增加了垃圾攔污柵和污泥清除措施，并將原有潛流濕地床進行了徹底清理，2005年繼續(xù)投入運行。

1.2 人工濕地進水水量

為了解馬料河人工濕地、窯泥溝人工濕地的處理水量情況及其對水質(zhì)凈化效果的影響，我們在采樣監(jiān)測水質(zhì)的同期，也測量了進水水量。測量結(jié)果表明，馬料河人工濕地平、枯、豐3個不同水期進水量為2929～16542 m3/d，平均為9023 m3/d，馬料河人工濕地占地面積約為19868 m2，由此可以計算出其水力負荷為0.147～0.833 m3/m2·d，平均為0.454 m3/m2·d。窯泥溝人工濕地平、枯、豐3個不同水期進水量為3231～31948 m3/d，平均為7103 m3/d，占地面積約為10060m2，水力負荷為0.10～3.18 m3/m2·d，平均為0.76 m3/m2·d。人工濕地進水水量及水力負荷如表1所示。

1.3 測試項目及方法

根據(jù)2003～2008年間，分別對馬料河人工濕地、窯泥溝人工濕地各4個采樣點的4項水質(zhì)指標進行了30次采樣監(jiān)測，4個采樣點分別為濕地進水口、氧化塘出水口、潛流濕地出水口、表面流濕地出水口。4項水質(zhì)指標為 TN、NH3－N、TP、CODcr、CODMn、SS及BOD5等。監(jiān)測方法均采用國家環(huán)境保護總局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》，具體監(jiān)測方法為:TN采用堿性過硫酸鉀分光光度法，NH3－N采用水楊酸分光光度法，TP采用鉬酸銨分光光度法，CODcr采用重鉻酸鹽法，SS采用采用重量法，BOD5采用稀釋與接種法。

2 不同水力負荷條件下的凈化效果

馬料河人工濕地、窯泥溝人工濕地由于受季節(jié)及農(nóng)事影響，進水流量變化幅度較大，馬料河人工濕地水力負荷范圍在0.15～2.18 m3/m2·d之間，濕地系統(tǒng)設(shè)計處理污水能力只有0.73 m3/m2·d;窯泥溝人工濕地水力負荷范圍在0.10～3.18 m3/m2·d之間，濕地系統(tǒng)設(shè)計處理污水能力只有0.76 m3/m2·d。當進水流量最大時，高出設(shè)計處理能力約3～4倍，相應(yīng)的處理效果較差;而在旱季缺水的條件下，進水水量僅為0.13～0.15 m3/m2·d，低于設(shè)計要求，處理效果較好。水力負荷與污染物去除率的相關(guān)性見表2與表3，水力負荷對去除效果的影響見圖2與圖3。

表2 馬料河人工濕地水力負荷與污染物去除率的相關(guān)性Tab.2 The correlation of hydraulic loading and removal rate of constructed wetland in Maliao River

2.1 對TN去除效率的影響

由表1及表2可以看出，TN去除率隨著水力負荷的增加而下降［2］。馬料河人工濕地當水力負荷為0.1～0.3 m3/m2·d之間時，TN去除率為60% ～65%;當水力負荷為0.4～0.6 m3/m2·d之間時，TN去除率為50%左右;當水力負荷為0.7～0.8 m3/m2·d之間時，TN去除率為40%左右;當水力負荷為2.0 m3/m2·d以上時，TN去除率僅為20%以下。窯泥溝人工濕地當水力負荷為0.1～0.3 m3/m2·d之間時，TN去除率為40%以上;當水力負荷為0.4～0.8 m3/m2·d之間時，TN去除率為33%左右;當水力負荷為0.8～2.0 m3/m2·d之間時，TN去除率為10%～20%;當水力負荷為2.0 m3/m2·d以上時，TN去除率僅為10%以下。分析水力負荷對TN去除效率的原因，主要是人工濕地系統(tǒng)對氮的去除效果主要是通過硝化和反硝化反應(yīng)及水生植物的吸收。當水力負荷較小時，污水在濕地系統(tǒng)內(nèi)的停留時間較長，污水在濕地系統(tǒng)中的硝化和反硝化反應(yīng)較為充分，污水中的污染物質(zhì)能夠得以相對徹底地分解，同時濕地系統(tǒng)的植物及微生物對污水中物質(zhì)吸收較為充分，使得水體中污染物濃度可以得以明顯下降。水力負荷過大時，水力停留時間過短，濕地系統(tǒng)中的硝化菌及反硝化菌的世代時間嚴重不足，甚至部分硝化菌及反硝化菌易隨水流帶出系統(tǒng)，從而抑制了硝化菌的硝化作用及反硝化菌的反硝化作用，從而使TN去除率下降［3］。

2.2 對TP去除效率的影響

TP去除率開始時去除率隨水力負荷的增高而迅速升高，達到最大值后，又逐漸下降。馬料河人工濕地當水力負荷為0.1～0.4 m3/m2·d之間時，TP去除率為40－50%;當水力負荷為0.5～0.6 m3/m2·d之間時，TP去除率為30%左右;當水力負荷為0.7～0.8 m3/m2·d之間時，TP去除率為20%以下;當水力負荷為2.0 m3/m2·d以上時，TP去除率僅為10%以下。窯泥溝人工濕地當水力負荷為0.1～0.3 m3/m2·d之間時，TP去除率為40% ～50%;當水力負荷為0.3～1.0 m3/m2·d之間時，TP去除率為30%左右;當水力負荷為2.0～3.0 m3/m2·d之間時，TP去除率僅為20%以下。分析水力負荷對TP去除效率的原因，主要是濕地系統(tǒng)中的磷幾乎是通過微生物及植物的吸收和填料的物理化學(xué)作用去除的。水力負荷過低，易造成濕地系統(tǒng)中的厭氧，微生物原先在好氧環(huán)境下過量吸收的磷又重新釋放，致使TP去除率下降;而水力負荷過大時，污水的流速過大，對填料的沖擊也使原先被吸附在填料或植物根莖表面的磷沖出系統(tǒng)，造成TP去除率下降［4］。

圖2 馬料河人工濕地水力負荷對污染物去除效果的影響Fig.2 The influence of hydraulic loading on pollutants removal rate of constructed wetland in Maliao river

圖3 窯泥溝人工濕地水力負荷對污染物去除效果的影響Fig.3 The influence of hydraulic loading on pollutants removal rate of constructed wetland in Yaonigou

2.3 對COD去除效率的影響

COD去除率受水力負荷的影響程度相對較?。?］。在項目監(jiān)測周期內(nèi)，馬料河人工濕地當水力負荷0.1～2.0 m3/m2·d之間變化，COD去除率基本在20%～70%之間波動，平均去除率為42.2%。窯泥溝人工濕地當水力負荷0.1～2.0 m3/m2·d之間變化，COD去除率基本在10% ～80%之間波動，平均去除率為46.5%。這是因為濕地系統(tǒng)中大部分有機物首先被植物根際、填料表面的生物膜吸附，繼而被微生物逐步降解。在水力負荷較低時，有機物的生物膜吸附及微生物降解較為充分，但容易造成厭氧狀態(tài)，影響凈化效果;在水力負荷較高時，水體中氧份較為充足，有利于有機質(zhì)的降解，但隨水力負荷升高，部分吸附在生物膜表面的有機物未來得及被降解 (即降解滯后)即隨出水帶出，故使COD去除率下降。

2.4 對SS去除效率的影響

SS去除率與TN、TP去除率的變化趨勢基本一致，即隨著水力負荷的逐漸增大，SS去除率逐漸下降［4］。馬料河人工濕地當水力負荷為0.1～0.2 m3/m2·d之間時，SS去除率為90%以上;當水力負荷為0.3～0.6 m3/m2·d之間時，SS去除率為60% ～70%左右;當水力負荷為0.7～0.8 m3/m2·d之間時，SS去除率為50%左右;當水力負荷為2.0 m3/m2·d以上時，SS去除率僅為40%以下。窯泥溝人工濕地當水力負荷為0.1～0.5 m3/m2·d之間時，SS去除率為80%以上;當水力負荷為0.5～2.0 m3/m2·d之間時，SS去除率為70%以上;當水力負荷為2.0～3.0 m3/m2·d之間時，SS去除率為50%左右。分析水力負荷對SS去除效率的原因，主要是濕地有機物系統(tǒng)中具有沉降性的物質(zhì)，通過沉積和過濾可很快被去除，即濕地系統(tǒng)中的SS主要是通過沉降、填料過濾和攔截作用去除的。當水力負荷較小時，濕地系統(tǒng)對SS的攔截、沉降及過濾作用較強;隨著水力負荷的增大，大量的懸浮物質(zhì)被攔截、沉降于濕地系統(tǒng)，促成SS去除率逐漸增大。水力負荷達到峰值后，因人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的水流水量太大，懸浮物質(zhì)不能被人工濕地攔截、沉降而是隨著水流被沖走，SS去除率又隨水力負荷的增大而減小。

3 研究結(jié)論

(1)人工濕地抵抗水力負荷變化的能力較強，水力負荷在濕地系統(tǒng)能夠承受的范圍內(nèi)波動不會對其凈化效果造成明顯的影響，但水力負荷過大，使?jié)竦厮νＡ魰r間縮短，導(dǎo)致濕地物理、化學(xué)及生物作用所需的時間不能得到滿足，影響出水水質(zhì)。

(2)TN、TP及SS去除率隨著水力負荷的增加而下降，COD去除率受水力負荷的影響程度相對較小。馬料河人工濕地進水負荷為0.1～0.3 m3/m2·d之間時，TN、TP去除率均在50%以上;BOD5和COD去除率受水力負荷的影響程度相對較小;水力負荷為0.4 m3/m2·d時，NH3－N去除率在60%以上。窯泥溝人工濕地當水力負荷為0.1～0.3 m3/m2·d之間時，TN、TP去除率在40%以上，當水力負荷為0.3～0.5 m3/m2·d之間時，NH3－N、BOD5和COD去除率均在40%以上。

(3)綜合考慮水力負荷對氮磷、有機物及懸浮物等水質(zhì)凈化效果的影響，如果不考慮其它因素，僅從系統(tǒng)處理效果的角度選擇水力負荷，馬料河人工濕地系統(tǒng)的最佳水力負荷為0.1～0.4 m3/m2·d，窯泥溝人工濕地系統(tǒng)的最佳水力負荷為0.1～0.5 m3/m2·d。據(jù)此判斷，人工濕地系統(tǒng)的最佳水力負荷為0.5 m3/m2·d以下。

［1］ 汪俊三，覃 環(huán).高水力負荷人工濕地處理富營養(yǎng)化湖水［J］. 中國給水排水，2005，21(1):1－4.

［2］ 吳振斌，李 谷，付貴萍，賀 鋒，成水平.基于人工濕地的循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝設(shè)計及凈化效能［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(1):129－133.

［3］ 聶志丹，年躍剛，李林鋒，謝愛軍，周 煒.水力負荷及季節(jié)變化對人工濕地處理效率的影響［J］.給水排水，2006，32(11):28－31.

［4］ 程慧艷，賈忠華，劉建剛.西安市污水土地處理系統(tǒng)水力負荷的模擬分析［J］. 水利學(xué)報，2005，2(2):1－6.