多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除污染物研究

萬博陽，王全金，戚曉波

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除污染物研究

萬博陽，王全金，戚曉波

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

通過多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)在不同的水力停留時間下處理污染水體，對各項出水污染物進行測試對比。結(jié)果表明：在初春低溫條件下，COD，TN和NH4+-N的去除率隨著水力停留時間的增加顯著提高，在保證處理效果的前提下，水力停留時間選擇4 d較為合理。在水力停留時間為4 d時進行為期12個月的試驗。試驗結(jié)果表明：隨著季節(jié)的變化，多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對模擬農(nóng)村徑流污水的凈化效果保持在一個合理的波動范圍內(nèi)，在夏季時對污水中COD，TN以及NH4+-N去除效果比在冬季時好。從試驗去除污染物的效果可以看出，本系統(tǒng)可以在除污染物方面達到比較令人滿意的效果，COD出水水質(zhì)最好時為Ⅳ類水質(zhì)，NH4+-N出水水質(zhì)最好時接近地表水Ⅳ類水質(zhì)。

多級人工濕地；塘；水力停留時間；水污染物；除氮率

1 研究背景

目前處理污染水體的方式有化學(xué)處理、物理處理，生物處理和生態(tài)處理等[1]。在生物處理方面，以活性污泥法為代表，在處理過程中會產(chǎn)生大量富含有害化學(xué)成分的淤泥、廢渣[2]。生態(tài)處理以人工濕地為代表，在處理過程中不會產(chǎn)生二次污染[3]，人工濕地污水處理的研究日益受到重視。隨著人工濕地不斷深入的發(fā)展，研究不再局限在單純的濕地上面，還引入了一些其他系統(tǒng)，逐漸形成了人工濕地組合系統(tǒng)。根據(jù)研究[4]顯示人工濕地組合系統(tǒng)在處理效果方面明顯優(yōu)于單獨的人工濕地系統(tǒng)，具有更好的出水水質(zhì)等優(yōu)點。宋嘉駿等[5]利用人工濕地-塘組合系統(tǒng)，處理COD為87.36～21.5 mg/L，TN為26.81～13.49 mg/L，NH4+-N為23.74～11.21 mg/L，污水取得了較好的去除效果。烏蘭托婭[6]發(fā)現(xiàn)利用人工濕地處理高濃度的氨氮廢水去除率到達90%。國外的F.Masi等[7]發(fā)現(xiàn)多級人工濕地在二級處理時可以得出一個較好的效果，其中COD的去除率為86%，TN的去除率為60%，TP的去除率為43%，SS去除率為89%，NH4+-N的去除率為76%。

但是大部分人研究的都是處理高濃度的生活污水，對低污染濃度的污染水體處理研究較少，目前我國農(nóng)村水體污染問題已嚴重影響當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，國內(nèi)一部分學(xué)者已經(jīng)開始研究處理這種類型的污染，人工濕地組合系統(tǒng)作為一種新型的處理系統(tǒng)，有著投資少、消耗低、維護簡單等優(yōu)點，特別適合在農(nóng)村以及經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)使用[8]。所以本次試驗的目的就是探究多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對低濃度污染水體的凈化效果，試驗分為2部分：第1部分是研究水力停留時間對系統(tǒng)中污染物的去除影響；第2部分是通過第1部分試驗確定的一個水力停留時間進行系統(tǒng)1 a的去除污染物研究。

2 試驗部分

2.1 試驗裝置

試驗裝置為多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)，組合系統(tǒng)中各單體構(gòu)筑物由1 cm 厚 U-PVC 板焊接而成，制成以人工濕地為主體的生態(tài)處理系統(tǒng)，整個實驗裝置流程為高位水箱—生態(tài)塘A—表流濕地A—潛流濕地—表流濕地B—生態(tài)塘B，污水靠各構(gòu)筑物高差流動。

各個裝置的說明如下：高位水箱箱體尺寸為 800 mm×800 mm×700 mm(長×寬×高)，生態(tài)塘A，B內(nèi)部尺寸為 1 550 mm×400 mm×750 mm(長×寬×深)，設(shè)計水深為0.55 m。表流濕地A，B內(nèi)部尺寸為 1 550 mm×400 mm×750 mm(長×寬×深)，裝置內(nèi)設(shè)計水深為 0.3 m。潛流人工濕地內(nèi)部尺寸為1 550 mm×400 mm×750 mm(長×寬×深)，潛流人工濕地裝置內(nèi)設(shè)計的有效水深為0.6 m。

其中表流濕地底部鋪設(shè)有基質(zhì)，基質(zhì)采用2層設(shè)計，下層厚為200 mm，用φ100～200 mm礫石作為承托層，上層厚為 200 mm泥土，可作為挺水植物扎根固定用，整個基質(zhì)層總高度為0.4 m。潛流濕地底部鋪設(shè)有基質(zhì)填料，填料層采用通常用的三層設(shè)計，下部厚為 200 mm ，用φ100～200 mm礫石作為承托層；中部厚為300 mm，用φ10～20 mm 碎石作為填料層，供微生物掛膜使用；上部厚為200 mm沙土，供固定植物扎根使用。

各個裝置里面的植物為生態(tài)塘A中種植伊樂藻，生態(tài)塘B中種植狐尾藻，表流濕地A中種植美人蕉，表流濕地B中種植蘆葦，潛流人工濕地中種植的植物為美人蕉。

2.2 試驗設(shè)計

第一部分試驗選取7個水力停留時間測試整個裝置的氮去除能力，7個水力停留時間分別為3，3.5，4，4.5，5，5.5，6 d。試驗時間為初春，平均氣溫在11 ℃左右。

第二部分試驗通過前部分的試驗數(shù)據(jù)確定4.5 d作為長效試驗的水力停留時間，試驗周期為12個月，每月在10號和25號2天取水樣測試，一共24組試驗數(shù)據(jù)。

2.3 試驗水質(zhì)及檢測方法

第一部分試驗用水采用人工配水模擬污染水體水質(zhì)，涉及的主要藥品為葡萄糖、尿素、氯化銨和碳酸氫鈉等，配水水質(zhì)中TN質(zhì)量濃度為10.97～11.37 mg/L，NH4+-N質(zhì)量濃度為2.95～3.10 mg/L， COD質(zhì)量濃度為60.22～61.7 mg/L。

第二部分試驗配水水質(zhì)中TN質(zhì)量濃度為9.78～11.12 mg/L，NH4+-N質(zhì)量濃度為2.91～3.24 mg/L， COD質(zhì)量濃度為58.86～61.56 mg/L。

試驗過程中，對系統(tǒng)出水水質(zhì)進行檢測，所測項目和所測方法依次為：COD，微波密封消解法；TN，過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；NH4+-N，鈉氏試劑分光光度法。測定方法參照《水與廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[9]。

3 結(jié)果與討論

3.1 水力停留時間對系統(tǒng)去除污染物的影響

3.1.1 COD去除效果分析

污染水體中的COD首先是被基質(zhì)直接攔截一部分以及在化學(xué)吸附作用下被基質(zhì)吸附一部分，然后是植物通過光合作用和吸收同化作用將污水中的小分子有機化合物直接吸收、利用，最后是好氧微生物的分解作用[10]。 COD去除效果如圖1。

圖1 COD去除效果Fig.1 Effect of COD removal

由圖1可以看出：多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)隨著水力停留時間的延長，COD的去除率逐漸提高，前期的去除率低是因為停留時間短，有機物和微生物接觸之后未充分利用就隨著水流流出[11]。在5.5,6 d這2個停留時間出現(xiàn)去除率趨于平衡的現(xiàn)象，說明停留時間到達一定的時候，COD的去除就會出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，由此看出在利用多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除有機物在水力停留時間為5～5.5 d時可以達到最佳效果。選取5 d為水力停留時間，出水水質(zhì)為25.15 mg/L,達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB3838—2002)的Ⅳ類標(biāo)準。而選取水力停留時間為3 d，出水水質(zhì)36.94 mg/L，達到V類水質(zhì)標(biāo)準。說明在工程應(yīng)用上選取水力停留時間為3 d為最優(yōu)選擇。

圖2 TN去除效果Fig.2 Effect of TN removal

3.1.2 TN去除效果分析

人工濕地中氮的去除機理比較復(fù)雜，是濕地植物、基質(zhì)和微生物通過物理、化學(xué)及生物的協(xié)同作用的結(jié)果[12]。尹連慶等[13]研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地的脫氮主要是依靠微生物的硝化與反硝化。硝化和反硝化菌存在細菌世代的問題，所以在實際處理中要考慮到污水停留時間的問題；Huett等[14]研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時間為3.5～7.0 d的效果較好。TN的去除效果如圖2所示。

由圖2可以看出：多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對TN的去除率是隨著水力停留時間的增加而提高，水力停留時間到達5 d的時候出現(xiàn)拐點，去除率開始隨著水力停留時間的增加而降低。TN的去除率出現(xiàn)拐點的原因可能是因為系統(tǒng)中的溶解氧隨著水力停留時間的延長出現(xiàn)減少，從而抑制硝化反應(yīng)的進行，同時系統(tǒng)中的碳氮比開始下降，直接制約了反硝化作用的進行[15]，導(dǎo)致TN的含量開始上升。由此看出多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對TN的去除，選取5 d停留時間為最佳。此時的出水水質(zhì)為5.3 mg/L，出水水質(zhì)未達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》，原因在于微生物的生長對環(huán)境溫度的要求比較高，溫度的改變直接影響微生物的活性從而影響生物脫氮效果。硝化菌的最適宜溫度為30～35 ℃，反硝化菌的適宜溫度為34～37 ℃，當(dāng)溫度低于15 ℃時，硝化/反硝化反應(yīng)會明顯受到抑制[16]。

3.1.3 NH4+-N去除效果分析

NH4+-N的去除主要依賴于硝化反應(yīng)[17]。本次試驗使用多個構(gòu)筑物串聯(lián)比單個構(gòu)筑物有更明顯的復(fù)氧作用，NH4+-N的去除效果也更佳。NH4+-N的去除效果如圖3所示。

圖3 NH4+-N去除效果Fig.3 Effect of NH4+-N removal

由圖3可以看出：多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對NH4+-N的去除率是隨著水力停留時間的增加而提高，水力停留時間達到5 d時出現(xiàn)拐點，去除率開始隨著水力停留時間的增加而降低。NH4+-N的去除主要有2個途徑：第一是通過植物直接攝取合成植物蛋白，然后通過收割從濕地系統(tǒng)中去除；第二是利用硝化作用去除掉。隨著水力停留時間的延長，多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)會出現(xiàn)個別的厭氧區(qū)，在這其中就會抑制硝化作用，同時原本被根系吸附的NH4+-N可能重新釋放到水中[18]。由此得出多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除NH4+-N的水力停留時間選在5 d為最佳，當(dāng)水力停留時間為5 d時NH4+-N出水水質(zhì)為1.7 mg/L，達到最佳效果，同時滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》的V類標(biāo)準。而選取水力停留時間為4 d時，NH4+-N出水水質(zhì)已經(jīng)基本達到V類水質(zhì)標(biāo)準，表明在工程應(yīng)用時水力停留時間為4 d時為最優(yōu)選擇。

3.2 多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)去除污染物的長效試驗

在多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)的水力停留時間的試驗中，得到了在4 d水力停留時間這個條件下，就可以使出水NH4+-N水質(zhì)達到自然水體中的V類水的水質(zhì)標(biāo)準。為使試驗得到更進一步的處理效果數(shù)據(jù)，進行為期1 a的系統(tǒng)凈化污染物的長期試驗，以此數(shù)據(jù)來補充在多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)處理污水方面的理論依據(jù)。

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試驗周期是從2014年11月到2015年10月，總計12個月，每月10號、25號進行試驗，一共24組試驗。

3.2.1 COD的長效去除效果分析

從圖4可以看出：進水COD濃度的變化范圍是59.86～61.56 mg/L，去除率維持在50%以上，出水水質(zhì)達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準，說明多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)在處理COD方面有較好的效果。COD的去除率在夏季和春節(jié)比在秋季和冬季時高，說明季節(jié)性變化對系統(tǒng)的去除COD能力有一定的影響，但是波動維持在一個穩(wěn)定的范圍可以說明系統(tǒng)在去除COD方面可以保持一個較高的水平。從圖4中可以看出隨著氣溫的升高，COD的去除率也出現(xiàn)升高。在夏季的時候維持在一個高位，說明在同一水力停留時間的條件下，溫度的升高可以提高COD的去除率。同時可以看出即使是在低溫條件下，去除率也依然可以保持在50%以上，優(yōu)于其他研究[19]中COD在多級人工濕地中的去除率，說明多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)在去除COD方面可以在任何時候都維持一個較好的出水水質(zhì)。

圖4 COD去除效果(2014-11至2015-10)Fig.4 Effect of COD removal(2014-11 to 2015-10)

3.2.2 TN的長效去除效果分析

由圖5可以看出水TN濃度隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)了一定程度的波動，同時去除率保持在40%～50%之間，沒有出現(xiàn)明顯的大幅度的波動。隨著氣溫的逐步上升，提高了系統(tǒng)中微生物的活性[20]，導(dǎo)致TN的去除率出現(xiàn)了一定程度的提高，在夏季氣溫高的時候去除率達到峰值水平。在冬季溫度低時，TN的去除率維持在40%左右。說明多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)處理TN的出水水質(zhì)可以維持在較為穩(wěn)定的水平。

圖5 TN去除效果(2014-11至2015-10)Fig.5 Effect of TN removal(2014-11 to 2015-10)

由圖6可以得出，氨氮在夏季去除的效果比較好，原因是溫度的升高提升了微生物的活性，增強了硝化反應(yīng)的進行。隨著溫度的下降，去除率出現(xiàn)了一定的下降。同時也可以看出在冬季試驗時由于溫度過低，會出現(xiàn)出水NH4+-N水質(zhì)無法達到地表水V類水標(biāo)準，其他時候都達到了地表水V類水體標(biāo)準，最好的時候水質(zhì)接近地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準。

圖6 NH4+-N去除效果(2014-11至2015-10)Fig.6 Effect of NH4+-N removal(2014-11 to 2015-10)

3.2.4 COD,TN和NH4+-N四季的平均去除率分析

COD在四季的平均去除率為春季53.22%，夏季56.37%，秋季54.11%，以及冬季51.34%。TN在四季的平均去除率為春季44.45%，夏季45.65%，秋季43.98%，以及冬季41.79%。NH4+-N在四季的平均去除率為春季37.32%，夏季39.53%，秋季39.15%，以及冬季30.66%。

圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)分別為COD,TN和NH4+-N的去除率變化圖。從圖7看出，COD,TN，以及NH4+-N的去除率隨著季節(jié)溫度的上升而上升，夏秋兩季的去除率較高，溫度的提高會使得微生物的活性提高，從而導(dǎo)致去除率在夏秋這2季好于春冬2季。這一結(jié)論和其他人[19]的研究結(jié)果相一致。

圖7 COD，TN，NH4+-N去除率Fig.7 Effects of COD，TN and NH4+-N removal

4 結(jié) 論

(1) COD隨著水力停留時間的增加去除率逐步提高，最后趨于平衡，選取水力停留時間為3 d，出水水質(zhì)36.94 mg/L，已經(jīng)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》V類水質(zhì)標(biāo)準。這說明兼顧時間有效利用原則，水力停留時間為3 d時處理COD的效果好。

(2) TN，NH4+-N的去除，在一定范圍內(nèi)，水力停留時間越長，去除效果越好，但是到達一個臨界時間點之后會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。本試驗得出NH4+-N在水力停留時間為5 d時，出水水質(zhì)最好，但在水力停留時間為4 d時出水水質(zhì)已經(jīng)達到V類水質(zhì)標(biāo)準。這說明兼顧時間有效利用原則，選取4 d停留時間在工程上可以更好地實施。TN的去除由于溫度的限制，無法達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》，同時由于是低濃度污水，在處理方面有一定的難度，在去除率方面能達到47%，屬于較好的處理效果。

(3) 隨著季節(jié)的變化，多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)對模擬農(nóng)村徑流污水的凈化效果保持在一個合理的波動范圍內(nèi)。溫度的升高會導(dǎo)致水中的微生物生物活性提高，所以在夏季時對模擬農(nóng)村徑流污水中COD，TN以及NH4+-N去除效果比在冬季時好。從多級人工濕地-塘組合系統(tǒng)在一年的長效試驗去除NH4+-N的效果可以看出，本系統(tǒng)可以在除NH4+-N方面達到比較令人滿意的效果，出水水質(zhì)最好時接近地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準。

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(編輯：劉運飛)

Multi-stage Constructed Wetland-pond System to Remove Contaminants

WAN Bo-yang, WANG Quan-jin, QI Xiao-bo

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

The effect of multi-stage constructed wetland-pond system in treating contaminated water with different hydraulic retention time (HRT) is researched. The pollutants in effluent water are tested for comparison. Results show that in early spring with low temperature, the removal rates of COD, TN and NH4+-N increase significantly with the increasing of HRT. Under the premise of ensuring the treatment effect, four-day HRT is reasonable. Twelve months of test with four-day HRT were conducted, and the test results show that as the seasons change, the purification effect of multi-stage constructed wetland-pond system fluctuates within a reasonable range: the COD, TN and NH4+-N removal rates in summer are better than those in winter. From the test results we conclude that the present system could achieve satisfactory result in removing contaminants, with the best quality of COD-removed effluent water reaching grade IV, and NH4+-N-removed effluent water close to grade IV of surface water.

multi-stage constructed wetland; pond; hydraulic retention time; water contaminant; nitrogen removal rate

2015-11-26；

2015-12-23

國家自然科學(xué)基金項目(22141071)

萬博陽(1991-)，男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事污水處理研究工作，(電話)13257006901(電子信箱)1024278982@qq.com。

10.11988/ckyyb.20151002

2017,34(3):25-29

X524

A

1001-5485(2017)03-0025-05