復(fù)合垂直流人工濕地對北方污染水凈化效果

孫大朋，陳華東，謝震震

（1.山東省城建設(shè)計院，濟(jì)南250021；2.山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，濟(jì)南250013；3.山東山大能源環(huán)境有限公司，濟(jì)南250014）

水資源是人類生存和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，是一種多用途、不可替代的可再生自然資源。山東省是我國北方地區(qū)資源性缺水最嚴(yán)重的省份之一，實現(xiàn)污水資源化是解決山東省城市水資源化危機(jī)的重要途徑，是保護(hù)水資源、改善水環(huán)境的必然要求，也是協(xié)調(diào)城市水資源與水環(huán)境的根本出路，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。

1 研究概況

人工濕地技術(shù)的采用始于1953年德國Max Planck研究所，20世紀(jì)60年代末，Seidel與Kickuth合作并由Kickuth于1972年提出根區(qū)理論［1-2］。復(fù)合垂直流人工濕地處理系統(tǒng)（IVCW）是在“九五”期間由中科院水生生物研究所與德國科隆大學(xué)、奧地利維也納農(nóng)業(yè)大學(xué)等共同承擔(dān)的歐盟國際合作項目中首先提出的。

人工濕地是指人工建造和監(jiān)督控制的，類似于沼澤的地面，其構(gòu)成的4 個基本要素是水體、基質(zhì)、濕生植物和微生物。通過對濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合，利用三者協(xié)調(diào)關(guān)系，通過土壤過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化［3］。

2 污水凈化試驗工藝流程

考慮到污染水取自山東省，冬天溫度比較低，人工濕地的處理效率勢必要降低，因此流程圖中氣溫低與氣溫較高的時候的水流方向是不同的。工藝流程具體具體流向如圖1。

圖1 污染水處理工藝圖

2.1 氣溫較高時（夏秋季）

關(guān)閉閥門2，3，4；打開閥門1，5。經(jīng)過隔柵的進(jìn)水由沉淀池的上部分流到下部分，此時，隔墻上的門是打開的，污染水再流到人工濕地，然后出水。

2.2 氣溫較低時（春冬季）

打開閥門2，3，4；關(guān)閉閥門1，5。經(jīng)過隔柵的進(jìn)水由沉淀池的上部分流到人工濕地，此時，隔墻上的門是關(guān)閉的，污染水再流到沉淀池的下部分，然后出水。

2.3 材料的選擇

2.3.1 沉淀池

沉淀池上部分采用隔墻隔開，而下部分采用插入式填料片，填料是由聚氯乙烯制成的波紋板狀填料；在距離設(shè)置上，考慮到上部分與下部分的功能的不同，上部分的設(shè)置距離要比下部分大一些（如圖1虛線）。

2.3.2 人工濕地

人工濕地由下行池和上行池組成，底部連通如圖2。

圖2 復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)示意圖

人工濕地中尺寸為1.0m×0.4m×0.5m，每個池子為0.5m×0.4m×0.5m，處理水量40L/d。

對于人工濕地中的填料選擇，考慮到人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的低成本、多效益性，采用的是礫石、粉煤灰（FA）、沙子、土壤的混合填料。粉煤灰（FA）層厚度為40cm，根據(jù)Edward［4］、Amstron 試驗研究發(fā)現(xiàn)，濕地植物因為很多因素（如氣候、水利條件［5-6］及植物［7-8］相互影響），厚層不能完全發(fā)揮基質(zhì)的作用，因此，厚層最好不要超過0.5m。粉煤灰基質(zhì)磷素吸附容量很大，且磷素釋放量很低，是一種很好的凈化磷素的基質(zhì)材料，但其堿性較大，不適合植物的生長，可以作為人工濕地砂子基質(zhì)或土壤基質(zhì)的中間吸附層［9］。下部分基質(zhì)采用礫石，粒徑40～70mm，礫石層厚10cm，主要是方便與水的自由流通。

人工濕地中選擇一種或幾種植物作為優(yōu)勢種栽種，有利于植物的快速生長，本研究在下行池中種植蘆葦（Phragmltes communis）、美人蕉（Canna indica），上行池種植苔草（Carex sp.）和黑麥草（Lolium multiflorum Lam），夏季美人蕉、蘆葦?shù)母迪蛳律L到底部，黑麥草、苔草的根系主要分布在0～20cm 深處，為微生物提供棲息場所，并發(fā)揮向根莖周圍充氧之用，以促進(jìn)污染物的分解和轉(zhuǎn)化［11］。

2.4 各工藝設(shè)備的功能

經(jīng)過隔柵的污水，可將堵塞管道和閥門的較大懸浮污物基本去除，到達(dá)沉淀池后比重較大的顆粒（砂子、煤渣等）從污水中去除，以免這些雜質(zhì)影響后續(xù)處理構(gòu)筑物的正常運行。

沉淀池的下部分在氣溫較高的時候，作穩(wěn)定塘之用，利用自然河流穩(wěn)定塘進(jìn)行污水處理試驗選擇在氣溫較高的夏季。因夏季水生生物的代謝活動比較頻繁，河水生化反應(yīng)較為劇烈，有機(jī)污染物去除效率較高［12］。試驗的水深是根據(jù)好氧塘的要求，一般在0.4～1.0m。采用連續(xù)出水塘狀態(tài)試驗（即動態(tài)試驗）。其作用是用作污水的一級處理，降低污水中SS、BOD5等指標(biāo)的濃度，減輕人工濕地處理污水的負(fù)荷，提高濕地的處理效率。當(dāng)氣溫比較低的時候，沉淀池下部分插入聚氯乙烯制成的波紋板狀填料，使經(jīng)過人工濕地的去除率不是很高的污染水再經(jīng)過一次處理，其原理也是來自人工濕地的用插入式填料代替水生植物增加污染水的處理效果。

人工濕地的作用主要是對污染水的深度處理，使其達(dá)到處理的要求。這部分主要是利用了濕地中植物和介質(zhì)對污染水成分的去除作用。污水進(jìn)入人工濕地下行流池后先通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，此后在水流行進(jìn)的路線上硝化作用減弱，反硝化作用占主導(dǎo)地位，最終氮素轉(zhuǎn)化成氣態(tài)形式釋放。硝化作用和反硝化作用強(qiáng)度變化沿水流方向呈顯著負(fù)相關(guān)，硝化和反硝化作用微生物量與硝化和反硝化作用呈顯著正相關(guān)，其中，硝化作用與其微生物量的變化更為一致。

2.5 處理效果分析

研究結(jié)果是分別從系統(tǒng)的進(jìn)水和出水共采樣多次，以測試系統(tǒng)對污染物的去除率或其他項目的檢驗，以求得到比較全年各個時間段的污染物或其他項目去除率的值。

污水的水質(zhì)和濕地系統(tǒng)對污水的處理效果分別如表1～表3。

表1 供試污水水質(zhì)狀況 單位：mg/L

表2 人工濕地系統(tǒng)對污水的凈化效果 單位：%

表3 人工濕地系統(tǒng)對N，P 的凈化效果 單位：%

從表2 中可以得出，復(fù)合人工濕地系統(tǒng)對污水中COD 有較好的去除效果，最終去除率達(dá)到85%以上，出水中COD 平均濃度在20mg/L，基本達(dá)到GB3838—88《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》IV 類水標(biāo)準(zhǔn)。對污水中BOD5的去除效果也不錯，最終去除率達(dá)到89%以上，BOD5濃度在5.27～9.21mg/L 之間，基本上達(dá)到了V 類水標(biāo)準(zhǔn)，有些甚至好于IV 類水標(biāo)準(zhǔn)。相對于進(jìn)水的SS 的濃度，出水的濃度相對比較低，原因可能是復(fù)合人工濕地系統(tǒng)的下行和上行池對污水的SS 進(jìn)行了充分過慮，使SS 的出水濃度相對較低。

從表3 中可以看出，人工濕地對TP 的去除率非常高，在溫度較高的季節(jié)，處理率達(dá)到90%以上；而對TN 的去處率，在溫度較高的季節(jié)，也可以達(dá)到70%以上。當(dāng)氣溫較低時，TN 和TP 的去除率也比較高，這是因為沉淀池下部分插入聚氯乙烯制成的波紋板狀填料，使經(jīng)過人工濕地的去除率不是很高的污染水再經(jīng)過一次處理，代替水生植物增加污染水的處理效果。

3 結(jié)果分析及存在問題

濕地為細(xì)菌反硝化作用創(chuàng)造了有利條件［13］，但是細(xì)菌的反硝化作用受溫度的影響，在10 ℃～30 ℃范圍內(nèi)，高溫有利于反硝化［14］。在12月，由于溫度較低，反硝化作用較弱，在水力負(fù)荷為0.1～0.45m/d 條件下，對有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)有較高的去除率，尤其是在冬季寒冷的條件下，對COD 和NH+4-N 仍然有相對高的去除率［15］。

本研究關(guān)鍵所在，是不同季節(jié)設(shè)備的聯(lián)合使用，考慮到氣候?qū)θ斯竦氐挠绊?，結(jié)合濕地相關(guān)的理論模型，部分解決了溫度對濕地處理效率影響較大的問題。

植物吸收、存儲占濕地總氮去除量的10%左右［16］，本研究考慮到植物物種選擇的重要性，也是制約人工濕地處理污染水效果的一個重要因素，因此，針對植物的生長特性及其對污染水的吸附特性，為了使人工濕地的長期保持比較高的處理效果，提出對人工濕地維護(hù)的問題，包括植物保護(hù)及設(shè)備的維護(hù)問題。

人工濕地系統(tǒng)是一種資源化、生態(tài)化的污水處理技術(shù)，其良好的處理效果、較低的運行成本和優(yōu)良的造景效果使這一方法具有廣泛的應(yīng)用和推廣前景［17］。

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