復(fù)合潛流人工濕地對(duì)北方河流水質(zhì)的凈化效果研究

王堅(jiān)李揚(yáng)

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

復(fù)合潛流人工濕地對(duì)北方河流水質(zhì)的凈化效果研究

王堅(jiān)李揚(yáng)

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

綜合水平流人工濕地和垂直流人工濕地的優(yōu)點(diǎn)，在山西省沁河干流建設(shè)了復(fù)合潛流人工濕地，運(yùn)行及水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明：通過合理設(shè)計(jì)基質(zhì)（填料）種類及粒徑，采用水平流和垂直流結(jié)合工藝的復(fù)合潛流人工濕地能夠克服國內(nèi)人工濕地普遍除磷能力不足的缺點(diǎn)，取得較好的除磷效果，在冬季運(yùn)行期也具有較好的效益，適宜用于水量、水質(zhì)變化不大、對(duì)管理要求不高的北方河流微污染治理。

復(fù)合潛流人工濕地；北方河流；凈化效果

0 引言

人工濕地是近年來較為流行的污水處理技術(shù)之一，其底部鋪設(shè)基質(zhì)，上部種植水生植物，基質(zhì)常由不同粒徑的砂、礫石等組成，污水進(jìn)入濕地后，通過基質(zhì)吸附、植物吸收、微生物分解等多重理化作用降解水中的污染物，較為環(huán)保經(jīng)濟(jì)。人工濕地污水處理系統(tǒng)是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比，具有建造和運(yùn)行費(fèi)便宜、易于維護(hù)、技術(shù)含量低、可營造優(yōu)美景觀等優(yōu)點(diǎn)，在城鄉(xiāng)污水處理中得到了日益廣泛的應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。

本研究針對(duì)山西省沁河流域以及北方地區(qū)河流特點(diǎn)，通過建設(shè)水平潛流和垂直潛流復(fù)合型人工濕地，對(duì)潛流人工濕地應(yīng)用于北方河流水質(zhì)處理的效果進(jìn)行分析探討，以期為北方河流水質(zhì)凈化提供發(fā)展思路。

1 濕地概況

1.1 濕地設(shè)計(jì)及工藝流程

本研究所建設(shè)的復(fù)合潛流人工濕地位于沁河干流山西省陽城縣潤城鎮(zhèn)下河村，占地面積1 800 m2，采用水平潛流與垂直潛流組合工藝，其中水平潛流人工濕地占地1 200 m2，分為8個(gè)單元；垂直潛流人工濕地占地600 m2，分為4個(gè)單元。

圖1 人工濕地系統(tǒng)工藝流程示意圖

濕地系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，河水經(jīng)過管道自流入集水井，然后經(jīng)過水泵提升到沉淀池，沉淀池自流出水，先后進(jìn)入水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地組合成的復(fù)合潛流人工濕地系統(tǒng)，處理后的出水排入河道。

濕地設(shè)計(jì)污水處理量700 m3/d，格柵集水井為矩形磚混結(jié)構(gòu)，尺寸3 m×3.5 m×2 m，有效水深1.8 m，有效容積18 m3，有效面積10.5 m2，水力停留時(shí)間1 h；沉淀池亦為磚混結(jié)構(gòu)，實(shí)際尺寸3 m×10 m×3.5 m，有效水深3.0 m，有效容積90 m3，有效面積30 m2，水力停留時(shí)間4.3 h。

水平潛流人工濕地占地面積1 200 m2，分為8個(gè)單元，并聯(lián)布置，單塊尺寸15 m×10 m，深度1.0 m，水平流濕地出水進(jìn)入垂直流濕地，垂直潛流人工濕地占地面積600 m2，分為4個(gè)單元，并聯(lián)布置，單塊尺寸15 m×10 m，深度1.2 m。濕地設(shè)計(jì)填料種類與顆粒級(jí)配如圖2和圖3所示。

圖2 水平流人工濕地單元填料情況及水流方向

圖3 垂直流人工濕地單元填料情況及水流方向

1.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

設(shè)計(jì)原水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì) （單位：mg/l）

（2）設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

處理后出水應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)具體指標(biāo)值見表2。

表2 設(shè)計(jì)出水水質(zhì) （單位：mg/l）

2 結(jié)果與分析

2015年9月—2016年8月，項(xiàng)目組在復(fù)合潛流人工濕地入口和出口處各設(shè)置1個(gè)取樣點(diǎn)，平均每月1次連續(xù)取樣，其中2016年2月和3月因突發(fā)狀況停測(cè)2次，總計(jì)取樣9次，水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目包括pH值、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、水溫等8項(xiàng)。

2.1 水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

將取樣期歷次水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的平均值與表2對(duì)照，結(jié)果如圖4所示。

圖4 濕地水質(zhì)指標(biāo)均值

由圖4可知，除總氮、總磷外，濕地進(jìn)出口水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明河流水質(zhì)較好，其污染指標(biāo)主要為總氮和總磷。此外，從平均值來看，經(jīng)過處理后濕地出水各水質(zhì)指標(biāo)的平均值均顯著降低，其中COD、BOD5和總磷的濃度降幅相對(duì)較大。圖4表明，本研究所建設(shè)的復(fù)合潛流濕地綜合了水平流濕地和垂直流濕地的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)沉淀后的河水有明顯的凈化能力，出水水質(zhì)得到較為顯著的改善。

2.2 各污染物指標(biāo)去除情況

圖4表明復(fù)合潛流濕地對(duì)河水中污染物的處理能力總體上較為顯著。為進(jìn)一步研究各項(xiàng)污染指標(biāo)在取樣期間的濃度變化，圖5中分別列出了pH值、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)的濃度變化曲線，并與設(shè)計(jì)原水水質(zhì)和設(shè)計(jì)出水水質(zhì)進(jìn)行對(duì)照。

由圖5（a）可知，濕地入水和出水的pH值較為穩(wěn)定，且位于設(shè)計(jì)水質(zhì)范圍之內(nèi)；圖 5（b）和（c）顯示，入水和出水的COD和BOD5濃度均低于設(shè)計(jì)出水水質(zhì)，表明河流入水水質(zhì)的這兩項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到出水水質(zhì)要求，此外，經(jīng)過濕地處理，COD和BOD5濃度進(jìn)一步下降，使出水水質(zhì)更好；對(duì)氨氮和總氮兩項(xiàng)指標(biāo)即圖5（d）、（e）而言，其入水濃度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)原水指標(biāo)，接近設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)，說明河流入水水質(zhì)較好，經(jīng)過濕地處理后，其濃度有所下降，但由于入水水質(zhì)本身較好，濃度的降幅不大；對(duì)總磷即圖5（f）而言，其入水濃度波動(dòng)較大，個(gè)別值已經(jīng)超過了設(shè)計(jì)原水指標(biāo)濃度，說明入水中總磷含量較高，經(jīng)過處理，總磷濃度顯著下降，達(dá)到出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明濕地對(duì)總磷的去除效果較為理想；在設(shè)計(jì)過程中沒有指定高錳酸鹽指數(shù)的取值，但從圖5（g）可以直觀地看出，復(fù)合潛流濕地對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的處理效果也比較理想。

這是因?yàn)椋孩傺芯繀^(qū)人工濕地中，密集種植了蘆葦、菖蒲、鳶尾、美人蕉等多種水生植物，一方面，污水中的大量無機(jī)氮、磷可作為營養(yǎng)物質(zhì)被植物吸收，利于植物生長，最后通過植物的收割從污水中去除；另一方面，其根系發(fā)達(dá)，可輸送較多的氧，在植物根區(qū)形成特殊的好氧厭氧環(huán)境，利于各種微生物的生長，而微生物的生命活動(dòng)是污水中有機(jī)物降解的主要機(jī)制，對(duì)BOD5、COD的降解起主要作用；同時(shí)，微生物的硝化和反硝化作用促進(jìn)了氮的去除，植物根系還可分泌促進(jìn)某些氮、磷細(xì)菌生長的物質(zhì)，有利于氮、磷的釋放及轉(zhuǎn)化，間接促進(jìn)各種污染物的降解。②濕地基質(zhì)對(duì)特定污染物也可起到吸附作用，研究表明，濕地中磷的去除與基質(zhì)吸附、植物吸收、微生物作用有關(guān)，但主要依靠基質(zhì)的吸附作用去除，同時(shí)，復(fù)合潛流濕地綜合了水平流和垂直流兩種濕地的特點(diǎn)，其特殊結(jié)構(gòu)使得污水先后通過多層填料，在基質(zhì)過濾、植物吸收、微生物降解等多重理化作用下，污水可得到更為充分徹底的凈化，處理效率大大提高。

圖5 濕地污染物濃度變化

2.3 污染物去除率比較

研究選取了 COD、BOD5、氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)6項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算并比較復(fù)合潛流人工濕地對(duì)各種污染物的去除率高低，計(jì)算公式見式（1），結(jié)果見圖6。

式中：R——污染物去除率，%；

Ci——入水污染物濃度，mg/L；

C0——出水污染物濃度，mg/L。

圖6 濕地污染物去除率變化

圖6顯示，復(fù)合潛流濕地對(duì)氨氮和總磷的去除率相對(duì)較高，但波動(dòng)也較大，其中氨氮的去除率從9%～87%不等，總磷的去除率從17%～98%不等，這兩個(gè)指標(biāo)去除率的最高值十分可觀，幾乎除去了水中絕大部分的污染物；其次為BOD5、COD、高錳酸鹽指數(shù)等三個(gè)指標(biāo)，去除率約在15%～50%之間，其變化趨勢(shì)與氨氮和總磷相比較為平緩；總氮的去除率相對(duì)略低，大部分在10%上下，僅2015年取樣的去除率較高，可達(dá)50%左右。

國內(nèi)外研究表明，除磷能力不足是人工濕地的普遍缺點(diǎn)之一，而本研究所建的復(fù)合潛流濕地除磷效果十分突出，分析其主要原因?yàn)椋簼竦爻字饕揽炕|(zhì)的吸附及沉淀，而基質(zhì)的吸附能力取決于基質(zhì)的種類，本研究所建設(shè)的復(fù)合潛流濕地，其基質(zhì)種類及粒徑均經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，并且結(jié)合了水平流和垂直流兩種形式，磷在基質(zhì)中被充分吸附，且河流入水水質(zhì)較好，同時(shí)濕地運(yùn)行時(shí)間較短，基質(zhì)的吸附量尚未達(dá)到飽和，因此能夠取得較好的除磷效果。

分析總氮去除率較低的主要原因可能為：總氮的入水濃度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)原水指標(biāo)，接近設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過濕地處理后，其濃度有所下降，但由于入水水質(zhì)本身較好，導(dǎo)致濃度的降幅不大。

2.4 冬季運(yùn)行效果分析

為考察濕地冬季運(yùn)行期的處理效果，將冬季污染物濃度變化與其他季節(jié)比較（圖5和圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)為黑色的區(qū)間為冬季），可以發(fā)現(xiàn)，圖5顯示，冬季濕地的水溫與其他季節(jié)相比明顯偏低，在1月達(dá)到最低；pH值與其余時(shí)間相比變化不大；COD、BOD5、氨氮在冬季的入水濃度與其余時(shí)間類似或偏低，出水濃度與其余時(shí)間類似，說明這三項(xiàng)指標(biāo)冬季處理率略有下降，但仍有一定的處理效果；總氮冬季入水濃度和出水濃度與其余時(shí)間相比略微偏高，處理效果與其余時(shí)間相比有所減弱；總磷的冬季入水濃度與其余時(shí)間相比略偏高，但出水濃度與其余時(shí)間相當(dāng)，說明冬季濕地對(duì)總磷的處理效果較為顯著，其處理率比其余季節(jié)更高；高錳酸鹽指數(shù)在冬季的出水濃度降幅比其余季節(jié)更加顯著，說明冬季濕地對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的處理效果較為理想。

圖6從污染物去除率角度描述了冬季濕地運(yùn)行效果，可以發(fā)現(xiàn)，僅COD、BOD5冬季去除率比其他季節(jié)略有下降，其余指標(biāo)沒有明顯的季節(jié)變化，其中氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)幾個(gè)指標(biāo)在氣溫最低的1月去除率反而較高，表明在合理可靠的冬季運(yùn)行管理措施下，本研究所建設(shè)的復(fù)合潛流濕地依然能夠取得較好的處理效果。

3 結(jié)論與建議

本研究在山西省沁河干流建設(shè)了復(fù)合潛流人工濕地，該濕地綜合了水平流人工濕地和垂直流人工濕地的優(yōu)點(diǎn)，通過一年左右的持續(xù)取樣檢測(cè)，取得以下結(jié)論：

（1）在整個(gè)取樣期，復(fù)合潛流人工濕地對(duì)所選取的多項(xiàng)污染指標(biāo)均有較為顯著的去除效果，尤其是除磷能力較強(qiáng)。

（2）復(fù)合潛流人工濕地有效解決了北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行問題，在冬季運(yùn)行期的處理效果較好。

上述結(jié)論表明，通過合理設(shè)計(jì)基質(zhì)（填料）種類及粒徑，采用水平流和垂直流結(jié)合工藝的復(fù)合潛流濕地能夠克服國內(nèi)人工濕地普遍除磷能力不足的缺點(diǎn)，取得較好的除磷效果，在冬季運(yùn)行期也具有較好的效益，是一種有效的水處理技術(shù)，適宜用于水量、水質(zhì)變化不大、對(duì)管理要求不高的北方河道微污染治理。同時(shí)，濕地種植的水生植物還具有觀賞價(jià)值，可與當(dāng)?shù)鼐G化有機(jī)結(jié)合，營造優(yōu)美景觀，適宜大規(guī)模推廣應(yīng)用。

Research on Purification Effect of Hybrid Subsurface Flow Constructed Wetland on Water Quality of River in North China

WANG Jian LI Yang

A hybrid subsurface flow constructed wetland was constructed on the mainstream of the Qinhe River in Shanxi Province,which combined with the advantages of horizontal subsurface flow constructed wetland and vertical subsurface flow constructed wetland.Operation and water quality detection results show that:with reasonable design of the type and particle size of substrate,this hybrid subsurface flow constructed wetland could overcome the disadvantage of low phosphorus removal rate in most of the domestic constructed wetlands and achieve better phosphorus removal effect.Besides,this hybrid subsurface flow constructed wetland has good effect in winter operation period,and is suitable for micro polluted rivers with less variation in water quality and water quality in the north China,whose management requirements are not high.

hybrid subsurface flow constructed wetland；river in north China；purification effect

X799.3

B

1006-8139（2017）02-042-05

2017-02-16

2017-02-28

王 堅(jiān)（1969-），男，2007年太原理工大學(xué)工程碩士畢業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事節(jié)水灌溉試驗(yàn)、水資源論證、節(jié)水工程設(shè)計(jì)及工程監(jiān)理等理論研究與技術(shù)方面的工作。

山西省水利科學(xué)技術(shù)研究與推廣項(xiàng)目：潛流人工濕地污水處理技術(shù)研究