表流人工濕地COD去除影響因素研究

徐斌　陳翔　武周虎　李修嶺

摘要：研究了表流人工濕地系統(tǒng)中COD去除率的影響因素，根據(jù)南四湖、東平湖表流人工濕地中試試驗(yàn)基地3年的 COD、DO、HRT、溫度、植物要素等的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了系統(tǒng)不同運(yùn)行條件下的COD去除率。結(jié)果表明：在未校正由較大滲透量引起的污染物濃縮情況下該中試系統(tǒng)對(duì)COD的平均去除率為26.4%，且去除場(chǎng)所主要位于濕地A段，占72%；在進(jìn)水COD濃度60～120.3 mg/L范圍內(nèi)，出水COD濃度隨系統(tǒng)進(jìn)水COD濃度呈線性變化，表流人工濕地系統(tǒng)不具備高效處理的能力。系統(tǒng)的COD去除率在5～10月份逐月增長(zhǎng)，10月份達(dá)到最大33.9%；COD去除率與溶解氧濃度具有大致同步的增減變化過程，且溶解氧的補(bǔ)給主要依靠大氣復(fù)氧；在HRT月平均值范圍2～12 d內(nèi)，COD去除率隨HRT的延長(zhǎng)而提高，較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間有利于提高COD去除率，但會(huì)降低去除COD的能力。

關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理；COD去除；影響因素

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）8002804

1引言

城市生活污水在經(jīng)過常規(guī)的二級(jí)處理后，盡管污染物已被大幅度去除，但排入自然水體中仍會(huì)造成污染。在二級(jí)處理后常采用常規(guī)三級(jí)處理，如反滲透法、離子交換法和電滲析法等[1～3]，常規(guī)三級(jí)處理雖然可提高排放水的質(zhì)量，但其建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用非常昂貴，大大提高了回用水的成本。同時(shí)，由于二級(jí)處理工藝的出水污染物濃度在現(xiàn)有水平上已沒有大幅下降的空間，故采用經(jīng)濟(jì)、高效的三級(jí)處理工藝在污水處理中就尤為重要。人工濕地工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)管理方便、能耗低并且具有非常好的生態(tài)環(huán)境效益[4，5]?，F(xiàn)有的表流人工濕地去除COD的研究大多局限在COD的去除率表現(xiàn)上[6～8]，但對(duì)其去除率影響因素的探究較少，而且針對(duì)人工濕地去除COD的季節(jié)及年際變化研究較多[9～11]，針對(duì)月份變化的研究較少。因此，試驗(yàn)以南四湖、東平湖人工濕地中試試驗(yàn)基地為平臺(tái)，將系統(tǒng)COD去除率分別與月份、DO、HRT、水力負(fù)荷結(jié)合進(jìn)行分析，探究了各因素對(duì)COD去除率的影響，并探討其可能機(jī)理。

2材料與方法

2.1進(jìn)水水質(zhì)

中試試驗(yàn)基地進(jìn)水為濟(jì)寧市污水廠二級(jí)出水，試驗(yàn)水量50～100 m3/d，試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)見表1。

2.2表流濕地系統(tǒng)介紹

該人工濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)占地面積約為2000 m2，有效濕地池面積1000 m2，處理工藝見圖1。采用串、并聯(lián)組合的表流運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)為A-B兩段處理工藝，分為1#、2#兩個(gè)并聯(lián)試驗(yàn)系統(tǒng)。A1、B1兩池串聯(lián)組成1#系統(tǒng)，A2、B2兩池串聯(lián)組成2#系統(tǒng)，每個(gè)處理單元面積為250 m2，長(zhǎng)寬比大致為4∶1，單池尺寸均為31.25 m×8 m。A1、B1、A2三池選擇種植蘆葦，B2池選擇種植香蒲。濕地池設(shè)計(jì)水深0.15～0.50 m。

2.3研究方法

人工濕地中試試驗(yàn)在2003～2005年分時(shí)段檢測(cè)，試驗(yàn)進(jìn)水、1#、2#試驗(yàn)系統(tǒng)A段、B段出水采用同步采樣，檢測(cè)頻次為每周2～5次，COD檢測(cè)值共計(jì)1350個(gè)。由于濕地試驗(yàn)系統(tǒng)的水力停留時(shí)間一般在2～15 d，濕地試驗(yàn)系統(tǒng)中水流的移流離散和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性為推流型，當(dāng)天同步采樣的進(jìn)、出水水質(zhì)沒有直接的因果關(guān)系，而受前些天的進(jìn)水水質(zhì)影響很大，所以采用月平均值進(jìn)行分析。并且在自然環(huán)境條件下，月份綜合反映了南四湖、東平湖區(qū)域蘆葦及其它濕地植物的生長(zhǎng)階段、植物葉面積指數(shù)LAI、生物量及濕地的水溫和溶解氧的動(dòng)態(tài)變化過程[12，13]，也比較直觀。采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD（GB11914-89）；采用稀釋接種法測(cè)定BOD5（GB7488-87）；用810型DO測(cè)試儀測(cè)定DO。

蒸發(fā)蒸騰損失是濕地的共性特征，所以在該中試試驗(yàn)系統(tǒng)中無(wú)需進(jìn)行污染物濃縮作用的修正，而滲透損失受試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)系統(tǒng)本身的影響，滲透量相對(duì)較大，致使檢測(cè)的污染物出水濃度偏高，由此計(jì)算的污染物去除率偏小，該去除率為試驗(yàn)系統(tǒng)的最小去除率，以η下用表示。在去除率計(jì)算中，對(duì)因滲透損失水量而引起的污染物濃縮作用予以扣除從而對(duì)污染物去除率加以修正。忽略滲透水中可能帶走的少量污染物，將其滲透水量作為系統(tǒng)出水量進(jìn)行加權(quán)，以此修正出水的污染物濃度，再計(jì)算污染物去除率，該去除率可以理解為試驗(yàn)系統(tǒng)的最大去除率，以下用η上表示之。它們的計(jì)算公式分別為：

η下=1-CeC0×100%（1）

η上=1-QeCe（Qe+I）C0×100%

=1-QeCe（Q0-ET）C0×100%（2）

式中：C0為系統(tǒng)進(jìn)水污染物濃度，Ce為A段出水/B段出水污染物濃度，可得到A段或系統(tǒng)的下去除率。I為滲透損失水量，ET為蒸散損失水量，Q0為濕地試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)水流量，Qe為A段出水/B段出水流量，可得到A段或系統(tǒng)的上去除率。

3結(jié)果與分析

3.1常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

三年的COD監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2。監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)出水COD濃度范圍為41.0～108.4 mg/L，平均為62.1 mg/L， COD的平均去除率為26.4%，相對(duì)較低。分析原因有兩點(diǎn)：①原水的可生化性較差，試驗(yàn)進(jìn)水BOD5 /COD的總平均值為0.17，月平均最大值也只有0.29。②水流在濕地表面流動(dòng)無(wú)法充分利用植物根系的泌氧能力[14]。由圖2可以看出，濕地試驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)水、A出水和B出水月平均COD濃度的動(dòng)態(tài)變化過程相似，A出水和B出水的月平均COD濃度隨試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)水月平均COD濃度的增大而增大，反之也是同樣的規(guī)律。說明表流人工濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)不同于一般的污水處理系統(tǒng)，它不具備高效去除COD的能力，而是在原來的基礎(chǔ)上通過過濾、沉淀、吸附、植物吸收和微生物的生化作用起到一定的凈化效果[15]，其出水COD隨進(jìn)水COD的變化而變化。

扣除2003年6月和2004年4月兩個(gè)特殊的COD試驗(yàn)點(diǎn)，將其它1#、2#試驗(yàn)系統(tǒng)的所有月平均進(jìn)出水COD濃度繪于圖3，可清晰看到A、B出水COD與進(jìn)水COD 的關(guān)系。試驗(yàn)系統(tǒng)COD濃度削減范圍為6.7～35.2 mg/L，平均削減22.0 mg/L。其中A段占試驗(yàn)系統(tǒng)削減量的72%， B段占試驗(yàn)系統(tǒng)削減量的28%，因此人工濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)在初始段對(duì)COD的去除能力較強(qiáng)，隨著流程的增加濕地試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)COD的去除能力明顯衰減[16]。

3.2不同月份表現(xiàn)出的COD去除率

2003～2005年檢測(cè)時(shí)段內(nèi)1#、2#試驗(yàn)系統(tǒng)的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果按月取平均，將系統(tǒng)COD下去除率η下和上去除率η上的動(dòng)態(tài)變化過程繪于圖4?？梢钥闯鰴z測(cè)時(shí)段總體上的月平均COD上、下去除率變化情況：在5～10月份COD去除率是逐月增長(zhǎng)，10月份COD去除率達(dá)到最大（η下=33.9%，η上=48.8%），在10～12月份COD去除率是逐月下降，12月份COD去除率降低為η下=11.2%，η上=45.7%，次年1月COD下去除率略有回升。8月份植物葉面積指數(shù)LAI最大，植物生長(zhǎng)最快，水溫也最高，但溶解氧最低，濕地池濃密的大型挺水植物和浮水植物限制了大氣中氧氣向水中的擴(kuò)散，晚上活性植物的呼吸作用可能會(huì)將白天的光合作用完全抵消，以至于使?jié)竦爻厮w處于缺氧（厭氧）狀態(tài)，大大減小了濕地池中好氧微生物的生化降解作用，降低了水質(zhì)凈化效率。10月份水溫相對(duì)較高，濕地植物處于成熟期，仍需要吸收一定的營(yíng)養(yǎng)物，并且植物葉子枯死，濕地透氣、溶解氧濃度迅速提升，所以表現(xiàn)出10月份COD去除率最大。4月份（2、3月份未作檢測(cè)，下同）溫度回升，濕地底泥會(huì)釋放出有機(jī)污染物，致使COD下去除率出現(xiàn)負(fù)值。 月份反映了各因素綜合作用的結(jié)果。以月份序號(hào)作為自變量進(jìn)行回歸分析，見圖5。

3.3DO對(duì)COD去除的影響

將1#與2#試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的COD月平均去除率進(jìn)行平均得到系統(tǒng)整體的月平均COD去除率，系統(tǒng)整體的月平均DO濃度同理。將系統(tǒng)的COD去除率和DO濃度繪于圖6?？梢钥闯觯斯竦氐腃OD去除率與DO濃度最大值出現(xiàn)的月份相同，COD去除率與DO濃度具有大致同步的增減變化過程。試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)段（春、冬季未檢測(cè)）月平均DO變化情況：6～8月份較低為0.5～0.7 mg/L，10、11月份較高為1.1～1.9 mg/L，同時(shí)，后者的COD去除率明顯高于前者。6～8月份處于蘆葦?shù)陌喂?jié)生長(zhǎng)階段，生長(zhǎng)旺盛，植物根系輸氧能力較強(qiáng)，但同時(shí)由于植物葉密閉導(dǎo)致大氣自然復(fù)氧能力較低。10、11月處于蘆葦揚(yáng)花成熟階段，發(fā)育減緩，根系輸氧能力下降，同時(shí)葉子枯死，濕地的透氣、大氣復(fù)氧能力增強(qiáng)?？芍谠撝性嚤砹鳚竦刂蠧OD去除所需的氧氣主要來自大氣復(fù)氧，植物向根區(qū)的輸氧對(duì)COD去除所做的貢獻(xiàn)較少 [17]。另一方面， 2004年挖除了B2池中的部分香蒲，B2池形成部分開敞性水面，大氣復(fù)氧作用明顯，使得B2池溶解氧達(dá)到1.51 mg/L，超過A2池溶解氧（0.84 mg/L）的80%，同樣證明上述觀點(diǎn)。

3.4HRT對(duì)COD去除的影響

檢測(cè)時(shí)間內(nèi)HRT月平均值范圍為2～12 d，將系統(tǒng)的COD月平均去除率與對(duì)應(yīng)的HRT繪于圖7。在完全自然環(huán)境條件下進(jìn)行人工濕地中試試驗(yàn)研究，這既有一年的季節(jié)性氣候變化、降雨和滲透等影響，也有濕地植物生長(zhǎng)階段與收割、水溫和DO變化等影響，雖然圖7中試驗(yàn)點(diǎn)有些分散，但除去2003年6月和 2004年4月因底泥釋放污染物去除率為負(fù)值的2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，仍能看出人工濕地中試試驗(yàn)整體COD去除率隨HRT的增大而增長(zhǎng)的規(guī)律。

3.5水力負(fù)荷對(duì)COD去除的影響

水力負(fù)荷是濕地運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，將直接影響濕地的處理效果[18]。定義濕地試驗(yàn)系統(tǒng)單位表面積上的污染物去除量為污染物表面去除負(fù)荷（AELR），單位體積上的污染物去除量為污染物容積去除負(fù)荷（VELR），可表示單位面積或體積濕地的污染物去除能力。其定義式如下：

AELR=Q0C0-QeCeA（3）

VELR=Q0C0-QeCeV（4）

將1#與2#試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的月平均水力負(fù)荷進(jìn)行平均得到系統(tǒng)整體的月平均水力負(fù)荷，系統(tǒng)整體的月平均去除負(fù)荷同理。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理分析，圖8給出了系統(tǒng)整體的COD表面去除負(fù)荷、COD容積去除負(fù)荷與水力負(fù)荷的相關(guān)關(guān)系， 系統(tǒng)水力負(fù)荷月平均值的范圍為4～15 cm/d?？梢钥闯?，人工濕地水質(zhì)凈化工程的COD表面去除負(fù)荷與水力負(fù)荷的相關(guān)性密切，COD容積去除負(fù)荷與水力負(fù)荷的相關(guān)性比較密切。在試驗(yàn)水力負(fù)荷范圍內(nèi)，COD表面去除負(fù)荷和COD容積去除負(fù)荷均隨水力負(fù)荷的增加而增大。因此，在人工濕地水質(zhì)凈化工程其他設(shè)計(jì)要素許可的情況下，應(yīng)適當(dāng)提高人工濕地的設(shè)計(jì)水力負(fù)荷。

4結(jié)論

（1）采用月份反映南四湖、東平湖人工濕地中試試驗(yàn)系統(tǒng)各變量的綜合作用，并建立了月份與COD去除率的擬合曲線，通過曲線更直觀詳細(xì)地掌握人工濕地水質(zhì)凈化工程水質(zhì)凈化效果的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化過程。

（2）從系統(tǒng)的COD去除率來看，該中試系統(tǒng)對(duì)COD的下去除率平均為26.4%，且出水COD隨進(jìn)水COD的變化而變化，不具備高效處理的能力。

（3）表流濕地系統(tǒng)的COD去除率隨DO濃度的增大而增大，主要通過大氣復(fù)氧增加系統(tǒng)的溶解氧，適當(dāng)?shù)亻g隙性布置開敞水域、沉水植物、浮水植物，對(duì)水體復(fù)氧、增強(qiáng)好氧微生物活性和提高污染物去除率具有良好的促進(jìn)作用。

（4）水力負(fù)荷在4～15 cm/d的范圍內(nèi)，在其他設(shè)計(jì)要素許可的情況下可提高其水力負(fù)荷來提高表流濕地COD的去除能力。

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