污染河水的人工濕地凈化特性分析

趙 錦

（錦州市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 錦州 121000）

人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不僅加劇了水資源消耗，同時(shí)也帶來(lái)嚴(yán)重的水資源污染問(wèn)題。我國(guó)每年排放的污水總量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百億噸，超過(guò)1/3的河流處于中度和重度污染狀態(tài)。河流水體污染直接導(dǎo)致城市水環(huán)境不斷惡化，限制了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。采用人工濕地等生態(tài)凈化方法，可以有效實(shí)現(xiàn)污染河水治理，改善城市水環(huán)境。人工濕地的凈化作用較為復(fù)雜，包括物理作用、化學(xué)作用和生物作用等，有必要結(jié)合目前使用的幾種人工濕地凈化方式，探討其具體的凈化效果和凈化作用。

1 人工濕地凈化技術(shù)概述

人工濕地是利用其內(nèi)部水體、基質(zhì)、微生物和植物之間的復(fù)雜作用，實(shí)現(xiàn)污水治理的一種生態(tài)凈化技術(shù)。具體包括物理凈化作用、化學(xué)凈化作用和生物凈化作用等，能夠去除污染河水中的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物和懸浮物。人工濕地有多種運(yùn)行方式，但目前關(guān)于人工濕地的研究主要表現(xiàn)在垂直流-水平流復(fù)合形式方面，而對(duì)于兩級(jí)垂直流復(fù)合形式的研究較少，更缺乏對(duì)其污染河水凈化作用的研究。另外，對(duì)垂直流間歇運(yùn)行方式的參數(shù)研究也未形成統(tǒng)一結(jié)論，主要結(jié)合污水水質(zhì)特點(diǎn)和地區(qū)氣候條件進(jìn)行分析[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合形式的人工濕地可以有效強(qiáng)化人工濕地的污染河水治理效果，充分發(fā)揮其內(nèi)部要素功能。比如，采用多級(jí)潮汐流人工濕地可以提高人工濕地對(duì)污染河水總氮的去除效果，總氮去除率可以達(dá)到85%。有學(xué)者構(gòu)建了垂直潛流-水平潛流-水平表流的負(fù)荷人工濕地系統(tǒng)，使其氨氮、TSS（總懸浮固體）、BOD5（生化需氧量）的去除效果得到提升。因此，有必要對(duì)不同組合形式的人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)采用最佳的組合形勢(shì)，提升人工濕地凈化能力，達(dá)到污染河水治理目標(biāo)。

2 人工濕地對(duì)污染河水的凈化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)構(gòu)建了一個(gè)兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)兩級(jí)垂直流人工濕地構(gòu)造方式進(jìn)行相同設(shè)置，尺寸規(guī)格均為0.55 m×0.55 m×0.80 m，機(jī)制厚度為55 cm，粒徑分布設(shè)置為5～30 mm，孔隙率為50%。一級(jí)垂直流人工濕地設(shè)置為間歇運(yùn)行方式，即潮汐流人工濕地，采用河邊礫石作為濕地基質(zhì)。二級(jí)垂直流人工濕地設(shè)置為連續(xù)運(yùn)行方式，采用具有強(qiáng)磷吸附能力的爐渣作為濕地基質(zhì)。在兩級(jí)人工濕地中種植的植物均為蘆葦，種植密度設(shè)置為13株/m2。在該復(fù)合系統(tǒng)中，一級(jí)人工濕地采用瞬間進(jìn)水、出水的方式運(yùn)行，干濕周期各為1 d，出水直接進(jìn)入二級(jí)人工濕地。二級(jí)人工濕地則采用連續(xù)運(yùn)行方式，水力負(fù)荷對(duì)應(yīng)設(shè)置為0.5 m/d。對(duì)兩級(jí)人工濕地水位的設(shè)計(jì)均低于基質(zhì)表面5 cm，且濕地內(nèi)種植的蘆葦植物均在9月末進(jìn)行收割，保留植物根部和基質(zhì)表面10 cm之上的莖稈[2]。

2.2 試驗(yàn)水質(zhì)

本次試驗(yàn)采用小凌河水樣，該河流為城市主要納污河道，存在較為嚴(yán)重的水質(zhì)污染問(wèn)題，其水質(zhì)接近生活污水。在上述濕地系統(tǒng)中，進(jìn)水的主要污染年平均值范圍如下：化學(xué)需氧量（COD）為（221.3±15.0）mg/L；BOD5（49.6±4.2）mg/L；總磷（TP）為（3.4±0.2）mg/L；固體懸浮物（SS）為（196.8±15.5）mg/L；（5）氨氮（NH3-N）為（29.9±1.6）mg/L；總氮（TN）為（18.1±0.8）mg/L。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，皂河水質(zhì)的污染狀況所有改善，但有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物濃度較高，仍屬于重度污染河道[3]。

2.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)的取樣周期為每周一次，分別從兩級(jí)人工濕地單元中進(jìn)行取樣分析，包括進(jìn)水水樣和出水水樣。采用哈希算法測(cè)定TN、NH3-N、COD等污染物含量。在蘆葦收割后，測(cè)量收割后的濕地植物干重，利用H2SO4-H2O2消解法對(duì)植物組織內(nèi)的氮磷含量進(jìn)行分析。同時(shí)，采用SPSS等軟件輔助數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析[4]。

3 人工濕地凈化效果及凈化特性分析

3.1 BOD5、COD和SS凈化特性分析

上述構(gòu)建的兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染河水中BOD5、COD和SS的去除效果為：（1）進(jìn)水取樣的BOD5濃度為49.58 mg/L，COD濃度為221.28 mg/L，SS濃度為196.77 mg/L；（2）經(jīng)過(guò)一級(jí)垂直流濕地后，BOD5去除率為84.10%，COD去除率為79.00%，SS去除率為92.00%；（3）經(jīng)過(guò)二級(jí)垂直流濕地后，BOD5去除率達(dá)到94.70%，COD去除率達(dá)到84.10%，SS去除率達(dá)到98.70%。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在該復(fù)合人工濕地系統(tǒng)中，一級(jí)濕地對(duì)BOD5、COD和SS的去除效果較為顯著，去除率可以達(dá)到90%，而經(jīng)過(guò)二級(jí)潛流濕地單元，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)BOD5、COD和SS的去除效果，去除率提升接近10%。這說(shuō)明不同進(jìn)水方式的組合可以提高人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染河水中有機(jī)物、懸浮物的去除能力。

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的長(zhǎng)期取樣觀察，可以得出BOD5的年平均值為（2.7±0.2）mg/L，去除率為94.7%；COD的年平均值為（2.7±0.2）mg/L，去除率為85.6%；SS的年平均值為（2.5±0.5）mg/L，去除率為98.7%。去除效果較為穩(wěn)定，而且不具有明顯季節(jié)差異性（p＜0.05）。這充分體現(xiàn)了人工濕地用于河水污染治理的優(yōu)勢(shì)，兩級(jí)垂直流濕地系統(tǒng)更強(qiáng)化了其物理凈化能力，能夠有效降低河水污染物濃度，獲得較好的BOD5、COD和SS的去除效果。

3.2 磷凈化特性分析

通過(guò)對(duì)兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)中的進(jìn)出水進(jìn)行取樣，觀察磷含量變化情況，人們可以得出該系統(tǒng)對(duì)污染河水中磷的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)一級(jí)人工濕地，溶解性磷的去除率可以達(dá)到48.00%，懸浮態(tài)磷的去除率可以達(dá)到67.70%。經(jīng)過(guò)二級(jí)人工濕地，溶解性磷的去除率可以達(dá)到81.30%，懸浮態(tài)磷的去除率可以達(dá)到89.20%。由于進(jìn)水中懸浮物濃度較高，因此進(jìn)水磷中54.9%為懸浮態(tài)磷，通過(guò)發(fā)揮一級(jí)濕地的過(guò)濾和吸附作用，對(duì)懸浮態(tài)磷的去除率可以達(dá)到67.70%，同時(shí)能夠去除48.00%的溶解態(tài)磷。二級(jí)濕地去除磷的效果非常顯著，這主要是由于二級(jí)濕地的基質(zhì)吸附作用和植物吸收作用。

通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)的磷去除效果高于潮汐-水平流人工濕地系統(tǒng)。該濕地系統(tǒng)的磷去除效果也未表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性波動(dòng)，磷去除效果較為穩(wěn)定。其中，本次試驗(yàn)采用的具有強(qiáng)磷吸附作用的爐渣基質(zhì)也發(fā)揮出了重要作用，進(jìn)一步強(qiáng)化了人工濕地的磷過(guò)濾和磷吸附能力。

3.3 氮凈化特性分析

通過(guò)對(duì)兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)的進(jìn)、出水氮含量變化情況進(jìn)行觀測(cè)，人們可以得出兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染河水中氮的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)一級(jí)人工濕地，氨氮去除率可以達(dá)到53.30%，有機(jī)氮去除率可以達(dá)到64.40%。經(jīng)過(guò)二級(jí)人工濕地，氨氮去除率可以達(dá)到87.70%，有機(jī)氮去除率可以達(dá)到88.00%。進(jìn)水中的氮主要以氨氮和有機(jī)氮的形式存在，分別占到60.5%和36.7%，兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)兩種形式的氮均有較好的去除效果，而且間歇運(yùn)輸方式能夠有效提高氨氮去除效果，降低后續(xù)濕地有機(jī)負(fù)荷，提升微生物硝化作用以及植物吸收去除能力。從氨氮和有機(jī)氮的年平均值和去除率情況來(lái)看，兩級(jí)垂直流系統(tǒng)的氨氮年平均值為（2.2±0.4）mg/L，去除率為87.7%；有機(jī)氮的年平均值為（7.7±0.8）mg/L，去除率為74.1%。而相關(guān)學(xué)者對(duì)潮汐流-水平潛流復(fù)合形勢(shì)的研究結(jié)果顯示，其氨氮去除率為19.5%，有機(jī)氮去除率為10.3%，遠(yuǎn)不如兩級(jí)垂直流系統(tǒng)的去除效果。

通過(guò)比較可以得出，兩級(jí)垂直流復(fù)合系統(tǒng)的總氮去除效果更好，可以對(duì)污染河水中的氨氮和有機(jī)氮進(jìn)行有效去除。人工濕地的氮去除原理主要是依靠微生物的降解作用和植物的吸收作用。在微生物的降解過(guò)程中，主要表現(xiàn)為好氧和厭氧過(guò)程，間歇運(yùn)行的人工濕地系統(tǒng)能夠更好地維持好氧環(huán)境，水平流人工濕地系統(tǒng)則主要為厭氧環(huán)境。因此，優(yōu)化垂直流復(fù)合系統(tǒng)的間歇運(yùn)行周期，可以改善其內(nèi)部氧化條件，從而提高人工濕地凈化效果。在本次設(shè)計(jì)的兩級(jí)垂直流人工濕地系統(tǒng)中，不同濕地單元形成了利于脫氮的好氧和厭氧環(huán)境，是脫氮率提升的主要原因。但其脫氮效果受溫度影響較為顯著，具有較為顯著的季節(jié)波動(dòng)性，在低溫時(shí)脫氮率明顯下降。

3.4 植物凈化作用分析

關(guān)于植物凈化作用的分析，主要通過(guò)對(duì)收割后植物干重以及植物組織氮、磷含量的計(jì)算得出。試驗(yàn)結(jié)果表明，在一級(jí)垂直流人工濕地中，植物對(duì)于氮的去除貢獻(xiàn)率為10.9%，對(duì)磷的去除貢獻(xiàn)率為5.6%；在二級(jí)人工濕地中，植物對(duì)于氮的去除貢獻(xiàn)率為19.8%，對(duì)磷的去除貢獻(xiàn)率為17.9%。由此可以看出，該系統(tǒng)中的蘆葦植物相比于潮汐流和連續(xù)流濕地表現(xiàn)出更加顯著的氮磷吸收作用，采取連續(xù)運(yùn)行方式的垂直流人工濕地更有利植物生長(zhǎng)。此外還可以看出，在一級(jí)濕地中植物對(duì)氮的去除貢獻(xiàn)率明顯高于對(duì)磷的去除貢獻(xiàn)率，而在二級(jí)濕地中差異顯著縮小，這主要是由于污染物形態(tài)的改變，為植物提供了更好的去除環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

人工濕地是凈化污染河水的有效方法，采用不同的復(fù)合形式，可以獲得不同的凈化效果。通過(guò)對(duì)兩級(jí)垂直流人工濕地的有機(jī)物、懸浮物、氮、磷以及植物凈化特性進(jìn)行分析，人們可以總結(jié)出提高人工濕地凈化效果的具體方法，從而更好地實(shí)現(xiàn)污染河水治理目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

1 熊家晴，段 然，鄭于聰，等.不同形式復(fù)合人工濕地對(duì)污染河水的凈化差異研究[J].工業(yè)水處理，2017，37（10）：27-30.

2 熊家晴，黃文平，鄭于聰，等.潮汐-連續(xù)流組合人工濕地對(duì)污染河水的凈化特性[J].工業(yè)水處理，2017，37（7）：26-30.

3 段 然.不同形式表流-潛流人工濕地對(duì)污染河水的凈化效果差異[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

4 葛 媛.潛流人工濕地中的基質(zhì)作用及污染物去除機(jī)理研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.