季節(jié)變化對組合濕地污水處理系統(tǒng)凈化力的影響

付新喜，吳曉芙，陳永華，奚成業(yè)，周 鑫

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖南 長沙410004）

季節(jié)變化對組合濕地污水處理系統(tǒng)凈化力的影響

付新喜，吳曉芙，陳永華，奚成業(yè)，周 鑫

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖南 長沙410004）

建立了用以處理城鎮(zhèn)污水的“表流A-潛流B-表流C” 組合人工濕地（400 t/d）中試系統(tǒng)，監(jiān)測分析了組合系統(tǒng)凈化力的季節(jié)性變化規(guī)律。結果表明：組合系統(tǒng)出水的5項指標年均值達到了國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放 [GB 18918—2002]一級A標準，A、B、C單元之間凈化力差異顯著，其中B單元對系統(tǒng)凈化力的貢獻率最高；組合系統(tǒng)COD去除率存在顯著的季節(jié)性差異，冬季COD去除率明顯低于其他季節(jié)；組合系統(tǒng)氮、磷去除率季節(jié)性差異不顯著，原因是B單元對系統(tǒng)氮、磷去除率貢獻大，而其氮、磷去除率受季節(jié)影響小。要克服季節(jié)溫度變化對組合系統(tǒng)凈化力的影響，有必要進一步增強B單元的吸附過濾功能和提高系統(tǒng)冬季的生物活性。

城鎮(zhèn)污水；人工濕地中試系統(tǒng)；污染物去除率；季節(jié)效應

人工濕地是一種生態(tài)型污水處理技術，近年來發(fā)展迅速[1]。與傳統(tǒng)污水污水處理技術相比，人工濕地具有低成本、低能耗、運行管理方便、去氮除磷效果好等特點[2-3]。濕地技術可將污水處理、水源涵養(yǎng)[4]、水土流失攔截過濾[5]和濕地資源利用[6]有機結合起來，實現(xiàn)污染控制、美化環(huán)境、提高污水和植物資源回收利用價值的多重目標，具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟效益[7]，因此被廣泛應用于國內外污水處理中[8-11]。然而，在實踐過程中，人工濕地技術也暴露了一些缺點，如受季節(jié)影響大，尤其是冬季處理效果差等問題。有研究[12]發(fā)現(xiàn)當水溫低于10 ℃時，人工濕地凈化力顯著下降，水溫低于4℃時，濕地系統(tǒng)中的硝化作用趨于停止[13]。聶志丹等[14]研究了季節(jié)變化對人工濕地處理效率的影響，發(fā)現(xiàn)人工濕地去除率隨季節(jié)性變化顯著，夏季最高，冬季最低。鄭僵秋等[15]也研究了季節(jié)變化對潛流濕地去氮除磷的影響，其氨氮與總磷的去除率與聶志丹的研究結果一致，最高在夏季，其次是秋季與春季，冬季去除率最低。由于人工濕地受溫度影響較大，一定程度上限制了該技術在寒冷地區(qū)的推廣應用。因此，如何解決人工濕地冬季處理效率低下的問題已成為當今濕地研究領域的熱點和難點[16]。針對以上問題，本研究建立 “表流型A—潛流型B—表流型C”組合人工濕地中試系統(tǒng)，研究季節(jié)變化對該系統(tǒng)凈化力的影響，檢驗該組合人工濕地污水處理系統(tǒng)的冬季處理效果，其目的是為濕地技術在冬季的推廣應用提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 組合濕地結構與工藝流程

該實驗基地建于中南林業(yè)科技大學校區(qū)內，占地面積約為805 m2。 試驗系統(tǒng)由表流濕地A、潛流濕地B和表流濕地C構成，表流濕地A單元含3個次級單元，即A1、A2和A3。A1與A2單元分別接受試驗室廢水與生活污水，混合后進入A3單元；A3單元的出水以均勻布水方式依此進入潛流濕地B和表流濕地C單元。各個單元結構尺寸見表1。系統(tǒng)工藝流程見圖1。

表1 組合濕地系統(tǒng)各單元尺寸Table 1 The size of every cell in the constructed wetlandsystem

圖1 組合濕地中試系統(tǒng)工藝流程Fig. 1 The process of the pilot constructed wetland system

1.2 系統(tǒng)運行條件

系統(tǒng)采用連續(xù)進水方式。進水量及各污質的質量濃度如表2所示。

1.3 填料與植物配置

潛流B單元從上至下依次鋪設了40 cm紅壤與細沙混合層、40 cm細沙與蛭石混合層、20 cm細沙層、30 cm的礫石層。

表2 進水水質指標Table 2 Influent quality of the waste water

系統(tǒng)植物以南方本地植物為主，栽種植物隨季節(jié)變化。濕地單元的植物配置如表3所示。

表3 組合系統(tǒng)的植物配置Table 3 Plants introduced in constructed system

1.4 水樣采集測定與數(shù)據(jù)處理

自9月份起，連續(xù)12個月，每月采樣4次，測定系統(tǒng)各單元水質中COD、BOD、NH4+-N 、TN、TP 5項指標，以4次出水質量濃度的平均值作為當月出水濃度。各指標測定方法參照國家環(huán)境保護總局編制的《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）[17]。數(shù)據(jù)處理采用Office Excel 2010進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 系統(tǒng)單元污水凈化貢獻率

2.1.1 單元水質與去除率

由表4可知，各污質去除率由A至C單元呈顯著遞增趨勢。組合系統(tǒng)出水中所有污染物質質量濃度均達到國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放的一級A標準[GB18918—2002]，說明組合系統(tǒng)處理效果良好。

表4 系統(tǒng)各單元出水的污質質量濃度與去除率（年均值）Table 4 The mass concentration and removal rate of the contaminant

A單元的各污質去除率中，BOD的去除率最高（31.18%），說明A單元對有機污染物具有較強的降解作用。該單元主要功能是厭氧降解和吸收利用，在厭氧生物群的作用下，伴隨著BOD的降解，部分有機氮和磷也得到了相應的去除，因此出水中TN和TP的去除率也達到20%以上。而NH4+-N的去除率相對較低（19.01%），這是由于A單元厭氧環(huán)境中氨氮的轉化率較低所致。B單元各項污質的去除率提高的幅度很大（58%～75%）。該單元為潛流濕地，在填料的攔截吸附、微生物的降解轉化和濕地植物的吸收利用等綜合作用下，絕大部分污染物在此單元得以去除。到C單元，各項污質的去除率達到了78%以上。C單元的去除率代表組合人工濕地系統(tǒng)的整體去除效果。

2.1.2 單元貢獻率

表4的數(shù)據(jù)僅僅反映了組合系統(tǒng)的處理效果趨勢，不能直接反映各單元的凈化力，為了解各單元的去除效果，進一步分析了單元貢獻率。

單元貢獻率為該單元所去除污染物的量與系統(tǒng)去除總量的比值，公式如下：

式中：R代表單元貢獻率；Cin為單元進水濃度；Cef為單元出水質量濃度；C0代表初始質量濃度。

圖2展示了組合系統(tǒng)各單元的貢獻率（年均值）?？梢钥吹?，B單元的貢獻率遠高于A、C單元，最高的是氨氮（56%），最低的是COD（40%）。這說明，B單元是組合系統(tǒng)的核心處理單元，去除效果顯著。該單元的主要功能是過濾吸附污染質，其中高吸附容量的填料發(fā)揮著極其重要的作用。B單元中去氮效果顯著，尤其是氨氮，這與填料配置中的蛭石有一定關系，相關資料[18-19]證實蛭石具有較高的去氮效果。B單元除磷效果也較明顯，這是因為紅壤具有較強的陰離子吸附性能[20]，有機污染物降解后,磷主要以陰離子態(tài)存在于系統(tǒng)中。相比氮磷，B單元對有機物的去除力稍弱，因此，有必要進一步增強潛流濕地B單元的填料、微生物和濕地植物的綜合作用，從而提高組合系統(tǒng)凈化力。

圖2 組合系統(tǒng)各單元貢獻率Fig.2 The rate of contribution of every cell in the system

A、 C兩單元二者貢獻率基本相當，約為20%左右。C單元是處理系統(tǒng)的最后一個單元，其主要作用是利用水生生物群落的吸收利用和轉化，進一步降低污染物濃度，穩(wěn)定出水水質，因此在該單元各污染物去除效果差異不顯著。

2.2 系統(tǒng)凈化力季節(jié)性差異

2.2.1 COD去除效果

組合系統(tǒng)對COD的去除效果如圖3所示?？梢悦黠@看到，COD去除受溫度影響顯著，出水質量濃度中冬季最高，除冬季外其他季節(jié)出水均可達到國家一級A標準[GB 18918-2002]；COD去除率夏季最高為87%，冬季最低為66%，季節(jié)性變化規(guī)律為夏季＞秋季＞春季＞冬季，這與徐康寧等[21]的報道結果相似。

一般認為，COD去除途徑如下：1) 部分有機物被填料顆粒所吸附而截留，為微生物所利用；2)部分有機物直接被微生物所吸收分解，轉化成CO2及無機鹽類，并不斷被濕地植物作為營養(yǎng)而吸收利用[22]。因此，COD的降解和轉化大部分依靠微生物的活動[23]。在組合系統(tǒng)中，夏季微生物活性強，處理效果好，而冬季氣溫低，微生物的活動受到極大的限制，從而致使COD不能得到有效地降解。

圖3 系統(tǒng)COD進出水質量濃度及去除率Fig.3 In flow and out flow concentration and removal of COD

2.2.2 BOD去除效果

由圖4可知，系統(tǒng)對BOD的去除情況季節(jié)性差異與COD去除總體上相似，但相對差異較小。秋與夏季系統(tǒng)BOD去除率都在91%左右，春與冬季的差異也較小，大體為89%左右。各季節(jié)出水BOD質量濃度大小依次為冬季＞春季＞秋季＞夏季，其中春、夏、秋三季出水達到國家一級A標準，冬季達到國家一級B標準。BOD去除存在季節(jié)性差異的主要原因與COD去除差異相同，BOD主要依靠微生物降解去除，低溫條件下，微生物的活性減弱，BOD去除力下降。值得探討的是, 系統(tǒng)BOD去除的季節(jié)性差異明顯低于COD去除的差異，說明構建的中試濕地系統(tǒng)具有較強的抗有機污染負荷能力。處理系統(tǒng)同時接受了低含量BOD的試驗廢水，因此除了冬季生物活性低外，廢水中含有的其他無機有毒元素極有可能是降低冬季COD去除率的重要因素。

圖4 系統(tǒng)BOD進出水質量濃度及去除率Fig.4 In flow and out flow concentration and removal of BOD

2.2.3 NH4+-N去除效果

NH4+-N去除效果如圖5所示。不同季節(jié)系統(tǒng)NH4

+-N去除率均為95%左右，出水水質穩(wěn)定，達到了國家一級A標準。這說明系統(tǒng)NH4+-N的去除效果好，基本不受季節(jié)變化影響。其主要原因可歸結為組合系統(tǒng)中添加了陽離子高吸附性的蛭石填料，其增強NH4+-N的吸附去除率；其次則可能是系統(tǒng)中冬季植物根系的輸氧作用改善了根系區(qū)域的好氧微環(huán)境，這一功能受溫度變化影響小，而好氧環(huán)境可促進硝化作用的進行。

圖5 系統(tǒng)NH4+-N進出水質量濃度及去除率Fig.5 In flow and out flow concentration and removal of NH4+-N

2.2.4 TN去除效果

由圖6可以看出，系統(tǒng)四季出水TN質量濃度均遠低于國家一級A標準（15 mg/L），去除率大小依次為夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季去除率91%，夏季去除率96%，因此TN去除率受季節(jié)變化影響不顯著。系統(tǒng)TN的高效去除與系統(tǒng)具有較強的BOD去除能力相關，伴隨BOD的降解，有機氮轉化為氨氮，然后在填料吸附、硝化和反硝化的綜合作用下被去除。與氨氮去除率相比，冬季TN去除率下降，其原因可能是低溫降低了BOD的降解，并同時抑制了反硝化細菌的活性。

圖6 系統(tǒng)TN進出水質量濃度及去除率Fig.6 In flow and out flow concentration and removal of TN

2.2.5 TP去除效果

TP去除情況如圖7所示。系統(tǒng)出水水質四季均可達到國家一級A標準，去除率為88%左右，全年出水質量濃度恒定。這說明，TP受季節(jié)變化影響小，去除效果穩(wěn)定。TP的去除途徑一般有三種：植物吸收、微生物作用和基質吸附。有研究[24]表明，植物和微生物作用在除磷方面貢獻率不大，基質吸附是除磷的主要途徑。而基質吸附作用受溫度影響小，這可能是TP去除效果季節(jié)性差異小的主要原因。

圖7 系統(tǒng)TP進出水質量濃度及去除率Fig.7 In flow and out flow concentration and removal of TP

3 結 論

（1）中試系統(tǒng)運行正常，處理后出水水質四季存在差異，但所有檢測的污染物年均指標已達到一級A標準[GB18918—2002]。這說明構建的組合濕地系統(tǒng)可用于校園混合污水的處理。

（2）組合系統(tǒng)中潛流濕地B單元的實際貢獻率最高，其中氮、磷去除率受季節(jié)溫度變化影響較小。因此，進一步增強B單元基質、微生物和濕地植物，這三者的綜合作用是提高和穩(wěn)定模式系統(tǒng)凈化力的關鍵環(huán)節(jié)。

（3）組合系統(tǒng)中冬季COD去除率明顯低于其他三季，原因可歸結為冬季系統(tǒng)生物活性低和試驗室廢水含有的無機有毒元素對COD降解的影響。因此，有必要通過豐富冬季系統(tǒng)的生物種類來提高冬季系統(tǒng)降解有機污染物的能力，當試驗室廢水無機污染物濃度過高時，可設置預處理單元，來提高混合污水的可生化性。

[1]高紅杰,王 帥,宋永會,等.潮汐流-潛流組合人工濕地污水凈化效率[J].環(huán)境工程學報,2013,7(10):3743-3748.

[2]Tee H C, Seng C E, Noor A M,et al.Performance comparison of constructed wetlands with gravel and rice husk-based media for phenol and nitrogen removal[J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(11): 3563-3571.

[3]宋志文,畢學軍,曹 軍.人工濕地及其在我國小城市污水處理中的應用[J].生態(tài)學雜志,2003,22(3):74-78.

[4]李建軍,張會儒,熊志祥,等.水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)的結構解析[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2014,34(7): 19-26.

[5]孫曉濤,陳傳勝,肖 波,等.植被過濾帶攔截徑流和泥沙效果的模型研究[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2014,34(42):96-101.

[6]吳后建,但新球,王隆富,等.中國國家濕地公園的空間分布特征[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2015,35(6): 51-57.

[7]付新喜.人工濕地系統(tǒng)模式原理與污水處理效果研究[D].長沙:中南林業(yè)科技大學,2013.

[8]Gross A, Shmueli O, Ronen Z,et al. Recycled vertical flow constructed wetland (RVFCW): A novel method of recycling grey water for irrigation in small communities and households[J].Chemosphere, 2007, 66(5): 916-923.

[9]劉超翔,胡洪營,張 建,等.不同深度人工復合生態(tài)床處理農村生活污水的比較[J].環(huán)境科學,2003,24( 5) : 92-96.

[10]項學敏,楊洪濤,周集體,等.人工濕地對城市生活污水的深度凈化效果研究:冬季和夏季對比[J].環(huán)境科學,2009,30(3): 713-719.

[11]Huang J, Reneau R B, Hagedorn C. Nitrogen removal in constructed wetlands employed to treat domestic wastewater[J].Water Research, 2000, 34(9): 2582-2588.

[12]黃錦樓,陳 琴,許連煌.人工濕地在應用中存在的問題及解決措施[J].環(huán)境科學,2013,34(1):401-408.

[13]Cookson W R,Cornforth I S,Rowarth J S.Winter soil temperature(2-15℃) effects on nitrogen transformations in clover green manure amended or unamended soils; a laboratory and field study[J]. Soil Biology and Biochemistry,2002,34(10):1401-1415.

[14]聶志丹,年躍剛,李林峰,等.水力負荷及季節(jié)變化對人工濕地處理效率的影響[J].給水排水,2006,32(11):28-31.

[15]鄭僵秋,鄒長武.季節(jié)變化對潛流人工濕地除磷脫氮的影響[J].中國農村水利水電,2012,(3):53-55.

[16]楊水興.國際濕地科學研究的主要特點、進展與展望[J].地理科學進展,2002,21(2):111-120.

[17]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法( 第4版)[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2002.

[18]胡 艷,胡曰利,吳曉芙,等.潛流濕地中蛭石填料對氮磷的去除效果研究[J].江蘇環(huán)境科技,2007,20(3):5-8.

[19]陳明利,吳曉芙,陳永華,等.蛭石人工濕地中吸附-生物轉化系統(tǒng)脫氮能力及其機理研究[J].環(huán)境工程學報,2009,3(2):223-228.

[20]胡 艷,胡曰利,吳曉芙,等.基質組合方式對生活污水中磷的去除效果研究[J].環(huán)境科學與技術,2008,31(7):112-115.

[21]張列宇,饒本強,熊 瑛,等.人工濕地黑臭水體處理系統(tǒng)微生物脫氮機理研究[J].水生生物學報,2010,34(2): 256-261.

[22]王曉丹,翟振華,趙 爽,等.北京翠湖表流和潛流濕地對細菌多樣性的影響[J].環(huán)境科學,2009,30(1): 280-288.

[23]Ottova V, Balcarova J, Vymazal J. Microbial characteristics of constructed wetlands[J].Water Science Technology, 1997, 35(5):117-123.

[24]Westholm L J.Substates for phosphorus removal-potential benefits for on site wastewater treatment[J].Water Research,2006, 40(1):23-36.

[本文編校：謝榮秀]

Effect of seasonal changes on pollutant removal rate of a constructed wetland system established for treatment of municipal sewage

FU Xinxi, WU Xiaofu, CHEN Yonghua, XI Chengye, ZHOU Xin
(College of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

A pilot constructed wetland system consisting of a combination of “surface- flow A-subsurface flow B-surface flow C” units was established for treatment of municipal sewage. The effect of seasonal temperature change on the pollutant removal rate of the pilot system was monitored. The results showed that the annual average effluent quality of the pilot system met the 1st grade A of the national discharge standards for pollutants for municipal wastewater treatment [GB 18918-2002]. There were significant differences in treatment efficiency among Units A, B and C, of which Unit B gave the highest pollutant removal rate for all analyzed water quality index. The COD removal rate of the pilot system in winter was apparently lower than that in other seasons and the difference was significant. In comparison,the difference in removal rates of phosphorus and nitrogen of the pilot system was insignificant throughout the whole year. The reason is that the major parts of phosphorus and nitrogen were removed in unit B while the removal rates of phosphorus and nitrogen in unit B were little affected by temperature changes. Further enhancement of the bio-activity of the pilot system in cold season and increase in the adsorption and filtration capacity of Unit B are essential measures to strengthen the treatment efficiency and stability of the pilot system.

municipal sewage; pilot constructed wetland system; pollutant removal rate; seasonal effect

S718.57；X52

A

1673-923X(2017)09-0124-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.021

2016-04-28

中南林業(yè)科技大學青年基金項目（QJ201505）；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目（15B249）；湖南省環(huán)境科學與工程重點實驗室建設項目；國家科技惠民計劃項目（2012GS430203）

付新喜，講師，博士研究生

吳曉芙，教授，博士生導師；E-mail：wuxiaofu530911@vip.163.com引文格式：付新喜，吳曉芙，陳永華，等. 季節(jié)變化對組合濕地污水處理系統(tǒng)凈化力的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報，2017, 37(9):124-128.