人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化淺析

李煥青，侯佳，尹惟惟

（1.天津市水務(wù)局，天津300074；2.天津市南水北調(diào)曹莊管理處，天津300074；3.天津市排水管理處，天津300202）

人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化淺析

李煥青1，侯佳2，尹惟惟3

（1.天津市水務(wù)局，天津300074；2.天津市南水北調(diào)曹莊管理處，天津300074；3.天津市排水管理處，天津300202）

人工濕地作為一種自然生物處理方法，可以改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。濕地池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響濕地系統(tǒng)對(duì)氮和磷去除效果的重要因素。通過試驗(yàn)得出結(jié)論，波式流濕地對(duì)污染物的去除效果好且投資費(fèi)用低，是一種較為理想的濕地結(jié)構(gòu)形式。

人工濕地；填料結(jié)構(gòu)；曝氣；污染負(fù)荷；濕地結(jié)構(gòu)

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長，城市和農(nóng)村的污染情況不斷升級(jí)，嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活。目前，天津市農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量普遍較差，已嚴(yán)重影響到農(nóng)村居民的居住環(huán)境，直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，威脅廣大人民群眾的身體健康。人工濕地處理技術(shù)正是研究開發(fā)解決這一問題的新技術(shù)。人工濕地作為一種自然生物處理方法，可以改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。濕地池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響濕地系統(tǒng)對(duì)氮和磷去除效果的重要因素，本文通過試驗(yàn)進(jìn)行人工濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

1 填料結(jié)構(gòu)對(duì)水體凈化效果的影響

本研究試驗(yàn)共設(shè)2套裝置。其中，第1套裝置以頁巖和粗礫石作為填料基質(zhì)，下行潛流濕地單元填充35 cm厚粗礫石作為底料，起收水和支撐作用，粗礫石上填充45 cm厚頁巖作為主填料層，最后為防止進(jìn)水管堵塞，在頁巖表面填充10 cm厚粗礫石。上行潛流濕地單元填充50 cm厚頁巖為主填料，底料粗礫石為40 cm厚，最后為防止出水管堵塞，在頁巖上填充10cm厚粗礫石。

第2套裝置除頁巖和粗礫石外又加入了生物填料作為填料基質(zhì)，下行潛流濕地單元填充35 cm厚粗礫石作為底料，粗礫石上填充35 cm厚頁巖和10 cm厚生物填料作為主填料層，最后為防止進(jìn)水管堵塞，在頁巖表面填充10 cm厚粗礫石。上行潛流濕地單元填充40 cm厚粗礫石作為底料，粗礫石上填充40 cm厚頁巖和10 cm厚生物填料為主填料，最后為防止出水管堵塞，在頁巖上填充10 cm厚粗礫石。2套裝置的填料結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖12 種填料結(jié)構(gòu)人工濕地模擬裝置

試驗(yàn)開始前，分別在每個(gè)濕地單元內(nèi)種植8株生物量相當(dāng)?shù)南闫炎鳛闈竦刂参?。植物種植的第1周，由于環(huán)境條件的改變，香蒲大部分地上植物組織（莖和葉）枯萎。為防止死亡的地上組織（莖和葉）脫落入潛流濕地，將所有地上植物組織清除。經(jīng)過約2周的維護(hù)，新的幼株高度達(dá)到約0.3 m。

研究表明，2種填料結(jié)構(gòu)組成的人工濕地系統(tǒng)對(duì)水體中的COD、氮磷均有一定的去除作用，雖然2種填料結(jié)構(gòu)對(duì)水體中氮和磷的去除隨運(yùn)行時(shí)間變化略有差異，但總體而言，去除效果基本相當(dāng)，無顯著性差異。綜合考慮填料結(jié)構(gòu)對(duì)水體的凈化效果以及填料的來源和成本等因素，在后續(xù)示范工程中推薦使用的填料結(jié)構(gòu)為：粗礫石作為底料，起收水和支撐作用；頁巖作為主填料層；在頁巖的表面填充粗礫石，防止進(jìn)水管堵塞。

2 曝氣方式對(duì)水體凈化效果的影響

本試驗(yàn)采用垂直潛流濕地中的填料結(jié)構(gòu)，共設(shè)置3套裝置，其中第1套中部曝氣、第2套底部曝氣、第3套無曝氣對(duì)照。在第1套下行流和上行流單元的中部（距頁巖填料上表面30 cm）和第2套下行流和上行流單元的底部（距裝置底部10 cm）均勻布置3個(gè)曝氣頭（在同一水平面上）。采用最大供氣量100 L/min的ACQ-007型小型空氣壓縮機(jī)向第1套和第2套濕地間歇曝氣，每天8∶30—16∶30曝氣8 h，其余時(shí)間不曝氣，氣水比為5∶1。曝氣對(duì)人工濕地去污效果試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 曝氣對(duì)人工濕地去污效果試驗(yàn)裝置

盡管第1套和第2套內(nèi)香蒲莖葉中磷的含量高于第3套，但由于第1套和第2套中地上組織的生物量較低，所以通過植物收割去除的磷并沒有因?yàn)殚g歇曝氣而增加。與無曝氣系統(tǒng)相比，通過收割香蒲地上組織可使氮去除分別增加11.6 g/m2（中部曝氣）和12.6 g/m2（底部曝氣）。濕地植物貯存的氮和磷在春季從根系向莖葉轉(zhuǎn)移、在秋季從莖葉向根系轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致莖葉中氮和磷含量在春季高于秋季。本試驗(yàn)也觀測到類似現(xiàn)象，香蒲莖葉中氮和磷含量在種植前高于收割時(shí)。為防止植物吸收的氮和磷從莖、葉向根系轉(zhuǎn)移，應(yīng)當(dāng)在秋季及時(shí)收割濕地植物，最大限度地移出植物吸收的氮和磷。

3 污染負(fù)荷對(duì)水體凈化效果的影響

人工濕地系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，每一階段的水力負(fù)荷是固定的，但由于進(jìn)水的污染物濃度在不斷變化，所以其相應(yīng)的污染負(fù)荷也在不斷波動(dòng)變化。利用前述試驗(yàn)過程中COD、NH4+-N、TN和TP（氮和磷）進(jìn)、出水濃度監(jiān)測結(jié)果，分別計(jì)算進(jìn)水污染負(fù)荷和濕地去除負(fù)荷。其計(jì)算公式分別為：

式中：H為濕地處理系統(tǒng)的水力負(fù)荷[m3/（m2·d）]；Q為濕地處理系統(tǒng)的流量（m3/d）；Ci為污染物i的進(jìn)水濃度（mg/L）；Ci0為污染物i的出水濃度（mg/L）；A為濕地處理系統(tǒng)的面積（m2）；λi為進(jìn)水污染負(fù)荷（mg·m/dL）；μ為濕地去除負(fù)荷（mg·m/dL）。

經(jīng)計(jì)算，人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行過程中的污染負(fù)荷變化范圍見表1。

表1 人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷

根據(jù)人工濕地處理系統(tǒng)進(jìn)水中的污染負(fù)荷與去除負(fù)荷進(jìn)行回歸分析，研究人工濕地處理系統(tǒng)對(duì)COD、、TN和TP（氮和磷）的去除負(fù)荷與進(jìn)水污染負(fù)荷的相關(guān)關(guān)系。

4 濕地結(jié)構(gòu)對(duì)水體凈化效果的影響

對(duì)二級(jí)垂直流濕地和三級(jí)垂直流濕地、二級(jí)垂直流濕地與波式流濕地的去除性能進(jìn)行比較研究，二級(jí)垂直流濕地、三級(jí)垂直流濕地和波式流濕地結(jié)構(gòu)分別如圖3—5所示。

圖3 二級(jí)垂直流濕地結(jié)構(gòu)

圖4 三級(jí)垂直流濕地結(jié)構(gòu)

圖5 波式流濕地結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)過程中在水量調(diào)節(jié)池內(nèi)進(jìn)行連續(xù)曝氣預(yù)處理，各池內(nèi)部均未曝氣，而且各池水力負(fù)荷是相等的，均為500 mm/d，以上各池進(jìn)水均由調(diào)節(jié)池內(nèi)供水，進(jìn)水水質(zhì)完全相同，其中COD濃度為150～180 mg/L、TN濃度為15～18 mg/L、TP濃度為1.0～1.5 mg/L。各對(duì)比池影響因子對(duì)比情況，見表2。

結(jié)果表明，池形結(jié)構(gòu)對(duì)TP（磷）去除效果的影響與TN（氮）相似。在水力負(fù)荷、曝氣方式、填料結(jié)構(gòu)和種植植物相同的情況下，二級(jí)處理池對(duì)TN（氮）去除率略高于三級(jí)處理池，而垂直流濕地對(duì)TP（磷）去除效果與波式流濕地基本相當(dāng)，并無明顯優(yōu)劣差異。

表2 各對(duì)比池影響因子對(duì)比情況

5 結(jié)論

濕地池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響濕地系統(tǒng)對(duì)TN和TP（氮和磷）去除效果的重要因素。在不同池形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，二級(jí)處理池的效果優(yōu)于三級(jí)處理池，而垂直流與波式流濕地對(duì)污染物的去除效果基本相當(dāng)，但由于波式流濕地在建設(shè)過程中可省去布水管道，在取得相同去除效果的情況下，波式流濕地的投資費(fèi)用要低于垂直流濕地，因此波式流濕地是一種較為理想的濕地結(jié)構(gòu)形式。

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：1004-7328（2017）01-0049-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.015

2016—11—10

李煥青（1983—），男，工程師，主要從事水利工程建設(shè)和管理工作。