復合垂直流-水平流組合人工濕地對污水的凈化效果

閆暉敏，漆志飛，程花，林超，張艷晴

（江蘇江達生態(tài)科技有限公司，江蘇無錫214061）

復合垂直流-水平流組合人工濕地對污水的凈化效果

閆暉敏，漆志飛，程花，林超，張艷晴

（江蘇江達生態(tài)科技有限公司，江蘇無錫214061）

采用下行流和上行流復合垂直流及水平流組合人工濕地系統(tǒng)對污水進行處理，研究該系統(tǒng)在不同季節(jié)、不同水力負荷條件下對污水的凈化效果。組合人工濕地系統(tǒng)對TP的去除率在秋季水力負荷為0.3 m3/（m2·d）時最大；TN的去除率在夏季水力負荷為0.1 m3/（m2·d）時最大；NH3-N去除率基本遵循秋季>夏季>春季>冬季的規(guī)律，同時隨著水力負荷的增加而降低；高錳酸鹽指數(shù)在水力負荷為0.3 m3/（m2·d）時去除效果最好，在冬季的處理效果最弱。

組合人工濕地系統(tǒng)；水力負荷；季節(jié)；去除效果

人工濕地是一個自適應系統(tǒng)，它是近20 a發(fā)展起來的一種污水處理技術，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、氮磷去除能力強、運行維護管理方便、工程基建與運行費用低，以及對負荷變化適應性強等優(yōu)點，非常適合在我國中小城市推廣［1－3］。

根據(jù)人工濕地系統(tǒng)中污水在濕地床中流動方式的不同，人工濕地通常分為表面流濕地和潛流濕地，潛流濕地又可以分為水平潛流和垂直潛流2種。一般地，人工濕地可以按布水方式不同，分為自由表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地［4－6］。

本試驗選用2種濕地類型，分別為復合垂直流人工濕地與水平潛流人工濕地，研究該系統(tǒng)在不同季節(jié)不同水力負荷條件下對污水的凈化效果。其中復合垂直流人工濕地是一種新型的具有獨特下行流－上行流復合水流方式的濕地系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

根據(jù)試驗需要，在實驗室搭建了組合人工濕地裝置。組合人工濕地系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

污水首先經(jīng)廢水箱攪拌混勻后，由蠕動泵泵入復合垂直流人工濕地裝置，該復合垂直流人工濕地分別由下行流和上行流組成，里面填充粒徑為5 cm左右的礫石，其中上行流濕地填充高度高于下行流濕地，分別為50 cm與46 cm。復合垂直流濕地出水通過上端的出水閥后流入第二級水平流濕地，該濕地采用左邊進水，右邊出水的推流式，填充基質(zhì)為陶粒與礫石的混合物，基質(zhì)填充高度為25 cm。濕地植物選用菖蒲，栽種密度為20株／m2。

圖1 組合人工濕地系統(tǒng)工藝流程Fig.1Process flow of composite artificial wetland system

1.2 試驗用水

試驗用水為某河道水，水質(zhì)為劣Ⅴ類，其中TP的質(zhì)量濃度為0.30～0.34 mg／L，TN的質(zhì)量濃度為3.35~3.89 mg／L，NH3－N的質(zhì)量濃度為0.24~ 0.31 mg／L，高錳酸鹽指數(shù)為7.30~8.54 mg／L。

1.3 試驗方法

考察不同季節(jié)（冬季、春季、夏季、秋季）及不同水力負荷（0.1、0.3和0.5 m3／（m2·d））條件下組合人工濕地系統(tǒng)對污染物的去除效果。

裝置構(gòu)建完畢后，進行試運行，定期監(jiān)測出水中高錳酸鹽指數(shù)、TN、TP和NH3－N濃度。裝置運行穩(wěn)定后，考察不同工藝參數(shù)對運行效果的影響，其中2個采樣點分別為復合垂直流人工濕地出水、水平流人工濕地出水。

2 結(jié)果與討論

2.1 組合人工濕地系統(tǒng)對TP的去除效果

TP去除主要是通過填料床的物理化學作用、微生物的同化作用以及植物的攝取作用［2，7－9］。不同季節(jié)、不同水力負荷下，組合人工濕地系統(tǒng)對TP的去除效果如圖2所示。

由圖2可以看出，組合人工濕地系統(tǒng)在秋季水力負荷為0.3 m3／（m2·d）時對TP的去除效果最好，這可能是因為秋季系統(tǒng)中微生物的數(shù)量達到最大，同化作用較強，導致TP的去除效果較好；而水力負荷過低造成系統(tǒng)內(nèi)氧氣含量降低，微生物過量吸收的磷又重新釋放，致使TP去除效果偏低；而水力負荷過大時，水流速度也較大，會導致原先被吸附的磷沖出系統(tǒng)，從而也會導致去除率下降。各級人工濕地對TP的去除效果如表1所示。

圖2 不同季節(jié)不同水力負荷下對TP的去除率Fig.2Removal rates of TP under different hydraulic loading conditions at different seasons

表1 各級人工濕地對TP的去除效果Tab.1Removal rates of TP by artificial wetlands

由表1可以看出，復合垂直流濕地對TP的去除起主導作用。這主要是由復合垂直流濕地中的植物、填料以及附著在填料表面的微生物共同作用的結(jié)果。復合垂直流濕地對TP的去除率表現(xiàn)為秋季水力負荷0.3 m3／（m2·d）下去除效果較好，從水平流的去除作用來看，其對TP去除效果要低于復合垂直流系統(tǒng)，這是因為水平流系統(tǒng)中以厭氧環(huán)境為主，厭氧條件不利于植物和填料對磷的吸收。

2.2 組合人工濕地系統(tǒng)對TN的去除效果

TN包括硝態(tài)氮、氨態(tài)氮及有機氮3種形式［2］，不同季節(jié)、不同水力負荷下，組合人工濕地系統(tǒng)對TN的去除效果如圖3所示。

圖3 不同季節(jié)不同水力負荷下對TN的去除率Fig.3Removal rates of TN under different hydraulic loading conditions at different seasons

由圖3可以看出，組合人工濕地系統(tǒng)在夏季水力負荷為0.1 m3／（m2·d）時TN的去除率最大，這是因為較大的水力負荷使污水在系統(tǒng)中的停留時間縮短，硝化菌等細菌的世代時間減少，且較大的水力負荷會使得部分硝化菌易隨著水流被帶出，抑制了硝化、反硝化作用，導致TN去除率下降；另外，過低的溫度會降低硝化菌等細菌的活性，導致硝化、反硝化能力減弱，TN的去除效果受到抑制［10－12］。各級人工濕地對TN的去除效果如表2所示。

表2 各級人工濕地對TN的去除效果Tab.2Removal rates of TN by artificial wetlands

由表2可以看出，水平流系統(tǒng)在TN的去除上要明顯好于復合垂直流系統(tǒng)，因為水平流系統(tǒng)內(nèi)部處于一定的厭氧環(huán)境，同時水力負荷較低，系統(tǒng)的反硝化作用達到一個比較理想的狀態(tài)。

2.3 組合人工濕地系統(tǒng)對NH3－N的去除效果

隨著季節(jié)和水力負荷的波動，組合人工濕地系統(tǒng)出水中NH3－N去除率也會隨之出現(xiàn)一定的波動。不同季節(jié)、不同水力負荷下，組合人工濕地系統(tǒng)對NH3－N的去除效果如圖4所示。

圖4 不同季節(jié)不同水力負荷下對NH3-N的去除率Fig.4Removal rates of NH3-N under different hydraulic loading conditions at different seasons

由圖4可以看出，NH3－N去除率基本遵循秋季＞夏季＞春季＞冬季的規(guī)律，由于在溫度降低時組合人工濕地系統(tǒng)的流態(tài)導致其輸氧能力增強以及秋季的溫度使得硝化細菌活性增強［13－16］，而冬季微生物活性較低、植物衰亡，NH3－N去除能力最弱，春季、夏季植物處于生長階段，對NH3－N吸收作用越來越好。各級人工濕地對NH3－N的去除效果如表3所示。

表3 各級人工濕地對NH3-N的去除效果Tab.3Removal rates of NH3-N by artificial wetlands

由表3可以看出，復合垂直流系統(tǒng)對NH3－N的去除效果要低于水平流系統(tǒng)，其原因可能是復合垂直流的水流分別是下行流和上行流，復氧效果較好，導致系統(tǒng)內(nèi)反硝化反應效果較差，所以系統(tǒng)內(nèi)NH3－N的去除率較低；而水平流系統(tǒng)厭氧效果較好，所以NH3－N的去除率較高。

2.4 組合人工濕地系統(tǒng)對高錳酸鹽指數(shù)的去除效果

高錳酸鹽指數(shù)是反映污染河道有機物污染綜合指數(shù)的較為常見的指標。不同季節(jié)、不同水力負荷下，組合人工濕地系統(tǒng)對高錳酸鹽指數(shù)的去除效果如圖5所示。

圖5 不同季節(jié)不同水力負荷下對高錳酸鹽指數(shù)的去除率Fig.5Removal rates of permanganate index under different hydraulic loading conditions at different seasons

由圖5可以看出，出水高錳酸鹽指數(shù)在水力負荷為0.3 m3／（m2·d）時去除效果最好，因為水力負荷越大，污水在組合人工濕地系統(tǒng)中的停留時間就越短，使得部分吸附在生物膜表面的有機物還未來得及被降解就隨出水被帶出，而水力負荷過小，會導致有機物沉積，造成濕地堵塞［2，17－20］。高錳酸鹽指數(shù)去除率在冬季時最低，因為冬季微生物代謝緩慢，有機物分解速率降低，使得濕地運行效率降低。各級人工濕地對高錳酸鹽指數(shù)的去除效果如表4所示。

表4 各級人工濕地對高錳酸鹽指數(shù)的去除效果Tab.4Removal rates of permanganate indexes by artificial wetlands

由表4可以看出，組合人工濕地系統(tǒng)中復合垂直流濕地在去除有機物的過程中起主要的作用，水平流濕地對有機物的去除起輔助作用。冬季復合垂直流濕地、水平流濕地對高錳酸鹽指數(shù)的去除率較低，春季、夏季、秋季無明顯區(qū)別。

3 結(jié)論

（1）就組合人工濕地系統(tǒng)對TP的去除率而言，冬季、春季、夏季、秋季不同水力負荷條件下去除率分別為18.2%～42.9%、43.6%～65.5%、50.0%～82.4%、75.0%～87.3%。組合人工濕地系統(tǒng)秋季在水力負荷為0.3 m3／（m2·d）時對TP的去除效果最好，分級考察組合人工濕地系統(tǒng)對TP的去除效果可知，起主導作用的是復合垂直流濕地。

（2）在夏季水力負荷為0.1 m3／（m2·d）時組合人工濕地系統(tǒng)對TN的去除率最大，可達53.8%；冬季時組合人工濕地系統(tǒng)對TN的去除率最低。分級考察TN的去除效果可知，水平流濕地在TN的去除上要明顯好于復合垂直流濕地，因為水平流濕地內(nèi)部處于一定的厭氧環(huán)境，同時水力負荷較低，濕地的反硝化作用達到一個比較理想的狀態(tài)。

（3）組合人工濕地系統(tǒng)出水中NH3－N去除率的季節(jié)變化基本遵循秋季＞夏季＞春季＞冬季的規(guī)律；水力負荷變化基本遵循隨著水力負荷的增加而降低。通過逐級測定NH3－N的去除率可知，復合垂直流對NH3－N的去除效果要低于水平流對NH3－N的去除效果。

（4）組合人工濕地系統(tǒng)中出水高錳酸鹽指數(shù)在水力負荷為0.3 m3／（m2·d）時去除效果最好，在冬季的處理效果最低。組合人工濕地系統(tǒng)中復合垂直流濕地在去除有機物的過程中起主要作用，水平流濕地對有機物的去除起輔助作用；隨著水力負荷的降低，復合垂直流濕地對有機物的去除率有所增加，但不是特別明顯。冬季復合垂直流濕地、水平流濕地對高錳酸鹽指數(shù)的去除率較低，春季、夏季、秋季無明顯區(qū)別。

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Study on efficiency of composite artificial wetland system of vertical flow-horizontal flow on sewage purification

YAN Hui-min，QI Zhi-fei，CHENG Hua，LIN Chao，ZHANG Yan-qing
（The Ecological Science and Technology Limited Company of Jiangda,Wuxi 214061,China）

The composite artificial wetland system that was combined by downstream and upstream vertical flow and horizontal flow was adopted to treat sewage;and the efficiency of the system on sewage purification in different seasons and at different hydraulic loading conditions were studied.It could be seen that,the removal rate of TP by the composite artificial wetland reached the highest in autumn at hydraulic loading of 0.3 m3/(m2· d);and the highest removal rate of TN could be obtained in summer at hydraulic loading of 0.1 m3/(m2·d).The removal rate of NH3-N followed the rule of fall>summer>spring>winter,and decreased with the increasing of hydraulic loading.The maximum removal rate of permanganate index was obtained at hydraulic loading of 0.3 m3/ (m2·d),and the minimum removal rate happened in winter.

composite artificial wetland system;hydraulic loading;seasons;removal efficiency

X703.1

A

1009－2455（2016）06－0039－05

閆暉敏（1989-），女，江蘇如皋人，助理工程師，碩士，研究方向為生態(tài)修復，（電子信箱）245972414@qq.com。

2016-07-04（修回稿）

國家“十二五”水專項（2012ZX07101-013-5）