礫石潛流—浮橋平流復(fù)合濕地系統(tǒng)凈化生活污水研究

譚洪濤 李嘉 薛祝緣

摘要[目的]研究礫石潛流-浮橋平流復(fù)合濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水的凈化效果。[方法]人工組建礫石潛流-浮橋平流復(fù)合濕地系統(tǒng)，以生活污水為研究對(duì)象，考察該系統(tǒng)對(duì)污水中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的凈化效果。[結(jié)果]系統(tǒng)對(duì)生活污水中COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為73.3%、56.1%、47.1%、65.7%；一級(jí)濕地單元對(duì)COD的去除效果較好，二級(jí)濕地單元對(duì)NH3-N、TN和TP的去除效果較好，三級(jí)濕地單元對(duì)各項(xiàng)污染指標(biāo)的去除率均較差。[結(jié)論]礫石潛流—浮橋平流復(fù)合濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水整體凈化效果良好，可拓展研發(fā)新型生態(tài)污水處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞 礫石潛流；浮橋平流；生活污水；凈化效果

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）22-0052-03

Abstract[Objective]The purification effect of gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system on domestic sewage was studied.[Method]We constructed a gravel subsurface flowfloating bridge advection composite wetland system and took domestic sewage as the research object， to observe the purification effect of the system on COD， NH3-N， TN and TP in sewage.[Result]The average removal rates of COD， NH3-N， TN and TP in domestic sewage were 73.3%， 56.1%， 47.1% and 65.7%， respectively. The first level wetland unit had better removal effect on COD. The second level wetland unit had better removal effect on NH3-N， TN and TP. The third level wetland unit had poor removal rates for all pollution indicators.[Conclusion]Gravel subsurface flow floating bridge advection composite wetland system has good effect on domestic sewage purification and can develop new ecological sewage treatment technology.

Key words Gravel subsurface flow；Floating bridge advection；Domestic sewage；Purification effect

蕹菜（Ipomoea aquatica），又名空心菜，旋花科一年生草本植物，喜溫暖濕潤(rùn)，現(xiàn)已作為一種蔬菜廣泛栽培[1]。浮萍（Lemna minor），又名青萍，為浮萍科植物，在我國(guó)各省都是常見(jiàn)的水面浮生植物[2]。金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum L.）屬懸浮于水中的多年沉水草本植物，在我國(guó)分布廣泛，適應(yīng)能力強(qiáng)[3]。荷花，又名蓮花，毛茛目睡蓮科蓮屬，多年生水生草本花卉，地下莖長(zhǎng)而肥厚，葉盾圓形[4-5]。人工濕地技術(shù)自20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來(lái)至今已有近50年的歷史，因?yàn)槠鋵?duì)污水中有機(jī)物、氮、磷等具有較好的去除效果，同時(shí)在構(gòu)建和運(yùn)行成本方面較其他污水處理方式低，因此，目前在我國(guó)許多中小城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村等資金匱乏地區(qū)應(yīng)用較為普遍[6-8]。筆者通過(guò)人工組建礫石潛流-浮橋平流濕地單元，引進(jìn)新的浮橋技術(shù)和采用新的組合方式，探索了新型污水處理系統(tǒng)，研究了其對(duì)生活污水的凈化效果[9-12]，旨在為更好地實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、簡(jiǎn)便、效果良好的生態(tài)污水處理技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

蕹菜取自四川省綿陽(yáng)市青義鎮(zhèn)青羊村一處農(nóng)田（104°40′3.56″E，31°34′14.17″N）；浮萍、金魚(yú)藻和荷花取自青義鎮(zhèn)任家溝一池塘處（

104°40′3.57″E，31°34′14.16″N）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)構(gòu)建3個(gè)處理單元，由塑料扣板（PVC）制成，尺寸為750 mm×550 mm×350 mm，串聯(lián)組成一級(jí)礫石潛流濕地單元（HF1，礫石基質(zhì)填充，種植蕹菜）+二級(jí)浮橋平流濕地單元（HF2，泡沫隔板水下隔開(kāi)，種植浮萍和金魚(yú)藻）+三級(jí)緩沖單元（HF3，底泥，種植荷花）的復(fù)合濕地系統(tǒng)（圖1），系統(tǒng)各級(jí)濕地單元進(jìn)出水口高程差根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況在（250±25）mm內(nèi)調(diào)節(jié)。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在西南某大學(xué)污水處理廠空地一大棚內(nèi)構(gòu)建復(fù)合濕地系統(tǒng)，選取采掘生長(zhǎng)情況良好的植株分別移栽至系統(tǒng)各級(jí)濕地單元進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算及前期部分研究，在植物栽種后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在水力負(fù)荷為0.225 m3/ （m2·d）的條件下連續(xù)運(yùn)行7 d，待植物成活并生長(zhǎng)穩(wěn)定后，再連續(xù)運(yùn)行30 d，采樣周期為3 d一次，分析礫石基質(zhì)單元、浮橋平流單元、緩沖單元及整個(gè)系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果。試驗(yàn)期間，氣溫為24～33 ℃，濕度為68%～89%。

1.4 試驗(yàn)水質(zhì)及分析方法 試驗(yàn)所用原水（INC）為該污水處理廠格柵出水，水質(zhì)指標(biāo)：pH 6～8，化學(xué)需氧量（COD） 120～200 mg/L，氨氮（NH3-N） 20～30 mg/L，總氮（TN） 25～40 mg/L，總磷（TP） 1.5～4.0 mg/L。

污水中各指標(biāo)的分析方法：COD采用快速密封催化消解法（HZ-HJ-SZ-0108）；NH3-N采用納氏比色法（GB 7479—87）；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）；TP采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)對(duì)COD的凈化效果

由圖2、3可知，系統(tǒng)COD進(jìn)水濃度在137.6～172.6 mg/L，HF1出水濃度為53.3～93.3 mg/L，COD去除率在38.8%～60.7%；HF2出水濃度為40.7～67.7 mg/L，COD去除率在7.3%～20.3%；HF3最終出水濃度為31.3～51.7 mg/L，COD去除率在6.5%～15.2%。由此可以看出，系統(tǒng)對(duì)COD的綜合去除率（TR）在65%～80%，整體出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。其中，HF1對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)率最高，占主導(dǎo)作用，這可能是因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行前期HF1主要依靠礫石基質(zhì)和植物根系的吸附、吸收作用，后期這種作用逐漸減弱，表現(xiàn)為COD去除率逐漸降低。HF2和HF3對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)率較低，可能是因?yàn)檫@2級(jí)濕地單元無(wú)基質(zhì)填料，對(duì)COD的吸附和降解效果較差，使得去除貢獻(xiàn)率較低。

2.2 系統(tǒng)對(duì)NH3-N的凈化效果

由圖4、5可知，系統(tǒng)NH3-N進(jìn)水濃度在21.2～25.9 mg/L，HF1出水濃度為16.3～21.6 mg/L，NH3-N去除率在13.2%～25.7%；HF2出水濃度為10.8～15.5 mg/L，NH3-N去除率在18.9%～32.5%；HF3最終出水濃度為8.1～13.1 mg/L，NH3-N去除率在7.2%～17.1%。由此可以看出，系統(tǒng)對(duì)NH3-N的綜合去除率在48%～62%，整體出水水質(zhì)可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。其中，HF2對(duì)NH3-N的去除貢獻(xiàn)率最高，占主導(dǎo)作用，這可能是因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)試運(yùn)行穩(wěn)定后，浮萍和金魚(yú)藻進(jìn)入生長(zhǎng)期，進(jìn)行快速的自我繁殖，使得HF2水體pH上升，加快了水中NH4+向NH3之間的轉(zhuǎn)化速率，起到去除NH3-N的作用；其次，藻類繁殖過(guò)程中部分腐敗的殘?bào)w可以被微生物作為碳源利用，促進(jìn)其反硝化作用從而去除水體中的NH3-N。另外，HF1和HF3對(duì)NH3-N也有較好的去除作用，但與HF2相比較低，可能是因?yàn)榛|(zhì)的吸附作用和植物根系對(duì)轉(zhuǎn)化后的無(wú)機(jī)氮的吸收作用相對(duì)較弱。

2.3 系統(tǒng)對(duì)TN的凈化效果

由圖6、7可知，系統(tǒng)TN進(jìn)水濃度在26.4～31.6 mg/L，HF1出水濃度為19.5～25.2 mg/L，TN去除率在10.0%～26.7%；HF2出水濃度為13.9～19.1 mg/L，TN去除率在13.4%～30.4%；HF3最終出水濃度為11.9～16.5 mg/L，TN去除率在4.1%～9.3%。由此可以看出，系統(tǒng)對(duì)TN的綜合去除率可以達(dá)到41.0%～56.0%，整體出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。污水中TN主要通過(guò)NH3的揮發(fā)、植物吸收、基質(zhì)吸附和離子交換等作用去除，系統(tǒng)中HF1和HF2對(duì)TN的去除效果較好，占主導(dǎo)作用，這可能是因?yàn)榈[石基質(zhì)的吸附作用與藻類快速生長(zhǎng)對(duì)氮的吸收作用，使得氮元素在較短時(shí)間內(nèi)被快速去除，而HF3受進(jìn)水TN濃度較低的影響對(duì)TN的去除效果始終較差。

2.4 系統(tǒng)對(duì)TP的凈化效果

由圖8、9可知，系統(tǒng)TP進(jìn)水濃度在1.6～2.7 mg/L，HF1出水濃度為1.2～2.1 mg/L，TP去除率在19.4%～33.0%；HF2出水濃度為0.7～1.3 mg/L，TP去除率在18.3%～38.1%；HF3最終出水濃度為0.5～1.1 mg/L，TP去除率在7.2%～13.9%。由此可以看出，系統(tǒng)對(duì)TN的綜合去除率可以達(dá)到58.8%～73.2%，整體出水水質(zhì)可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)運(yùn)行前期HF1和HF2對(duì)TP的去除效果較好，且隨著時(shí)間的增加去除率不斷增加，但到系統(tǒng)運(yùn)行中后期，這種趨勢(shì)逐漸減緩甚至下降，可能是因?yàn)榛|(zhì)逐漸吸附飽和和藻類腐敗的影響，這也在一定程度上限制了傳統(tǒng)人工濕地對(duì)磷的進(jìn)一步去除。HF3對(duì)TP的去除效果始終較差，在整個(gè)濕地系統(tǒng)中主要起到緩沖作用。

3 結(jié)論

通過(guò)人共組建礫石潛流-浮橋平流復(fù)合濕地系統(tǒng)，研究其對(duì)生活污水中各主要污染指標(biāo)的去除效果。從各污染指標(biāo)的去除率看，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果最好，平均去除率在70%以上，其次是對(duì)TP和NH3-N的去除效果，平均去除率在50%以上；從各級(jí)濕地單元的去除效果看，HF1對(duì)各污染指標(biāo)的去除效果最好，尤其是對(duì)COD的去除效果，平均去除貢獻(xiàn)率在60%以上，其次是HF2，對(duì)NH3-N、TN和TP的去除效果較好。綜合來(lái)看，復(fù)合系統(tǒng)對(duì)污染物的整體去除效果良好，出水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，這將為目前我國(guó)一些城鎮(zhèn)地區(qū)探索新型低成本生態(tài)污水處理工藝的研究、推廣和應(yīng)用提供實(shí)踐和技術(shù)依據(jù)。

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