利用潛流人工濕地處理郝堂村生活污水的效果研究

王富河 趙蓮花 袁曉琴

摘要 以河南省信陽市郝堂村生活污水為處理對象，構(gòu)建2個潛流人工濕地生態(tài)凈化系統(tǒng)。于2014年6月分別栽植2組不同的濕地植物。通過2016、2017年2、6、10月對潛流人工濕地進(jìn)水口、出水口的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，研究了潛流人工濕地對生活污水的處理效果和配置不同植物對污染物的去除效果。預(yù)處理對化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總磷和總氮的去除率分別是34.46%、50.02%、34.69%、12.89%。栽種引種植物美人蕉（Canna indica L）、香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser）的潛流人工濕地對COD、氨氮、總磷和總氮的去除率分別為43.90%、41.80%、51.90%和66.30%；栽種鄉(xiāng)土樹種鬼針草（Bidens pilosa L）、蘆葦（Phragmites communis）、菖蒲（Acorus calamus L）的潛流人工濕地對COD、氨氮、總磷和總氮的去除率分別為52.80%、49.90%、59.70%和73.40%。研究結(jié)果表明，潛流人工濕地對生活污水中的污染物去除效果較好，預(yù)處理和濕地基質(zhì)的吸附降解作用是潛流人工濕地處理污水的主要途徑，栽種鄉(xiāng)土濕地植物的潛流人工濕地污染物去除效果更好。

關(guān)鍵詞 潛流人工濕地；處理；生活污水

中圖分類號 X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）09-0071-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.021

Abstract Taking the domestic sewage of Haotang Village， Xinyang City， Henan Province as the processing object，two subsurface flow constructed wetland ecological purification systems were constructed.In June 2014，two groups of different wetland plants were planted.Through February，June and October of 2016，2017，we monitored the water quality of inlet and outlet of subsurface flow constructed wetland，studied the effect of subsurface flow constructed wetland on domestic sewage treatment and the effect of different plants on pollutant removal.The removal rates of chemical oxygen demand，ammonia nitrogen，total phosphorus and total nitrogen were 34.46%，50.02%，34.69% and 12.89% respectively.The chemical oxygen demand，ammonia nitrogen，total phosphorus and total nitrogen removal rates of planting Canna indica L，Typha orientalis Presl，Thalia dealbata Fraser in the constructed wetland were 43.90%，41.80%，51.90% and 66.30%，planting native tree species Bidens pilosa L，Phragmites communis，Acorus calamus L were 52.80%，49.90%，59.70% and 73.40%.The results showed that the subsurface flow constructed wetland had better effect on pollutant removal in domestic sewage，pretreatment and adsorption degradation of wetlands were the main ways for sewage treatment，the subsurface constructed wetlands planted with native wetland plants had better pollutant removal effect.

Key words Subsurface flow constructed wetland；Treatment；Domestic sewage

郝堂村位于河南省信陽市平橋區(qū)五里店街道辦事處，被中國生態(tài)文化協(xié)會（CECA）評為“中國生態(tài)文化村”，河南平橋兩河口國家濕地公園轄區(qū)的七龍溪穿過郝堂村全境。為了更好地保護(hù)濕地，2014年平橋區(qū)林業(yè)局建設(shè)了潛流人工濕地2座，對郝堂村生活廢水進(jìn)行生態(tài)凈化處理。在綜合評估人工濕地設(shè)計(jì)、持續(xù)運(yùn)行研究的基礎(chǔ)上，探討如何利用潛流人工濕地的預(yù)處理、基質(zhì)、植物和潛流方式，系統(tǒng)闡述人工濕地處理鄉(xiāng)村污水的效果，以豐富人工濕地處理鄉(xiāng)村生活污水設(shè)計(jì)體系的研究。

1 材料與方法

1.1 郝堂村污水處理現(xiàn)狀

郝堂村（32°02′～32°05′N，114°10′～114°13′E）位于河南省信陽市平橋區(qū)郝堂村，該區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒А⑴瘻貛媳睔夂蜻^渡區(qū)域，年平均氣溫為15.1 ℃，降水量豐沛，年降水量為1 150 mm。該村常住人口數(shù)量為1 160人，人均排污水量為55 L/d，郝堂村對鄉(xiāng)村污水進(jìn)行了收集，每戶均建有化糞池。由于化糞池出水中污染物濃度均較高，且村莊的生活污水要排入河南平橋兩河口國家濕地公園的七龍溪河流濕地，其濃度高于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，這些污水排入兩河口國家濕地公園后，會造成水污染，破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)，因此還需要對污水進(jìn)一步凈化處理。

1.2 潛流人工濕地生活污水處理設(shè)計(jì)

郝堂村人工濕地污水處理系統(tǒng)基本工藝流程為生活污水先經(jīng)格柵井?dāng)r截大部分較大的固體懸浮物；經(jīng)過格柵井后污水進(jìn)入水解酸化池，以改善污水的可生化性；污水經(jīng)過水解酸化處理后，流入人工濕地，通過濕地基質(zhì)的吸附沉降、濕地植物和微生物的共同作用得到生態(tài)凈化[1]；凈化后的污水流入荷塘、水田；經(jīng)過荷塘、水田的自然凈化后，再流進(jìn)七龍溪河流濕地（圖1）。

1.2.1 污水預(yù)處理。預(yù)處理采用格柵和水解酸化的方式。格柵井?dāng)r截較大的固體懸浮物；水解酸化池分隔成4個格室，在該池中通過化學(xué)反應(yīng)將不溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)，通過水解酸化，改善廢水的可生化性，為后續(xù)處理奠定良好基礎(chǔ)。

1.2.2 人工濕地。潛流人工濕地內(nèi)部組成主要包括基質(zhì)、植物、水和微生物[2]。選用不同粒徑的礫石和砂石作為基質(zhì)，按照一定的厚度鋪設(shè)成人工濕地的床體，栽植菖蒲、鬼針草、蘆葦?shù)人参颷3]。污水經(jīng)過配水堰均勻配水，流經(jīng)人工濕地，通過基質(zhì)的吸附沉降作用、基質(zhì)表面的植物和微生物共同作用去除污水中的有機(jī)污染物[4]。

1.2.3 生產(chǎn)再處理。凈化后的污水通過集水管集中到集水堰中，排放到荷塘、水田，再進(jìn)入河南平橋兩河口國家濕地公園七龍溪河流濕地。

1.3 潛流人工濕地構(gòu)建

2014年2月，構(gòu)建郝堂村街西（No.1）、街東（No.2）2座不同植物配置的潛流人工濕地。預(yù)處理采用磚混結(jié)構(gòu)，格柵井1.5 m×0.6 m×0.7 m，濾網(wǎng)空隙為5 cm×5 cm；水解酸化池14.42 m×4.00 m×3.50 m，5格室，活性污泥從信陽市污水處理廠接種；配水堰13.0 m×1.2 m×1.7 m，配水口處于底部；人工濕地采用磚砌而成，規(guī)格為25.0 m×60.0 m×1.7 m，側(cè)壁和底部全部使用混凝土進(jìn)行防滲處理，基質(zhì)填充下層0.7 m，填充直徑8 cm礫石，上層0.9 m，填充直徑1.5 cm細(xì)礫石，礫石為當(dāng)?shù)厥規(guī)r，表層覆蓋0.1 m厚度的種植土壤作為濕地基質(zhì)。2014年6月，分別向No.1人工濕地移栽人工培育的苗期的美人蕉（Canna indica L）、香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser），條狀混栽；向No.2人工濕地移栽當(dāng)?shù)匾吧磲槻荩˙idens pilosa L）、蘆葦（Phragmites communis）、菖蒲（Acorus calamus L），條狀混栽；濕地植物的種植密度為20～25株/m2。郝堂村潛流人工濕地污水處理系統(tǒng)構(gòu)建圖見圖2。

1.4 人工濕地運(yùn)行與監(jiān)測

No.1人工濕地進(jìn)水為郝堂村小學(xué)、21戶居民的生活污水，污水處理能力達(dá)150 m3/d；No.2人工濕地進(jìn)水為47戶居民、6家農(nóng)家樂食堂的生活污水，污水處理能力達(dá)300 m3/d。污水通過配水堰調(diào)控進(jìn)入人工濕地，進(jìn)水深度為基質(zhì)底部1.5 m，采用不間斷進(jìn)水，水力停留時間為7 d。分別于2016和2017年的2、6和10月，每月進(jìn)行5次采樣檢測，采樣間隔6 d1次。用PVC塑料瓶，在每座預(yù)處理格柵井進(jìn)水口、人工濕地配水堰進(jìn)水口、集水堰排水口處取水100 mL，水面下深度10～15 cm。每次采樣取1對平行樣，均在進(jìn)、出水口重復(fù)采集2瓶樣品。樣品取回后，放置在冰箱中，于4 ℃避光存放。監(jiān)測分析方法見表1。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2016和SPSS 13.0進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理主要污染物去除率

郝堂村生活污水收集進(jìn)入預(yù)處理格柵井，流經(jīng)封閉的5格室水解酸化池，在化學(xué)作用下，主要污染物去除較明顯，其中No.1和No.2的COD去除率分別為32.69%、36.23%，氨氮的去除率分別為49.46%、50.58%，總磷的去除率分別為31.86%、37.52%，總氮的去除率分別為14.07%、11.7%，pH變化不明顯。預(yù)處理主要污染物去除率變化規(guī)律見圖3。

2.2 人工濕地主要污染物去除率

2014年6月建成的人工濕地中植物根系經(jīng)過2年的生長，長度約30 cm，此時根系能夠穿透種植土，達(dá)到小顆粒礫石的縫隙。經(jīng)過人工濕地的基質(zhì)吸附和化學(xué)沉淀以及濕地植物吸收和微生物轉(zhuǎn)化、分解[5]，郝堂村莊生活廢水中的污染物處理效果明顯。其中No.1和No.2的COD去除率為43.90%、52.80%，監(jiān)測均值為21.53、18.60 mg/L，處理后水質(zhì)臨界地表水Ⅲ類～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；對氨氮的去除率為41.80%、49.90%，監(jiān)測均值為0.72、0.82 mg/L，處理后水質(zhì)為地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；對總磷的去除率為51.90%、59.70%，監(jiān)測均值為0.35、0.41 mg/L，處理后水質(zhì)為地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；總氮的去除率為66.30%、73.40%，監(jiān)測均值1.58、1.74 mg/L，處理后水質(zhì)為地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；pH變化不明顯。

通過對2塊人工濕地生態(tài)凈化效果的連續(xù)監(jiān)測，栽種美人蕉、香蒲、再力花的No.1人工濕地污染物去除率均稍低于栽種鬼針草、蘆葦、菖蒲的No.2人工濕地。人工濕地去除率變化規(guī)律見圖4。

3 討論

預(yù)處理改善了進(jìn)水水質(zhì)，能夠提高潛流人工濕地污染物去除能力。水解酸化處理可以有效去除污水中大量的懸浮物質(zhì)以及水解酸化過程中產(chǎn)生的污泥，避免人工濕地由于長時間運(yùn)行造成堵塞現(xiàn)象[6]。采用水解酸化處理技術(shù)，出水通過配水堰進(jìn)入潛流式人工濕地，可以避免臭味的產(chǎn)生[7]。水解酸化過程能將廢水中的非溶解態(tài)有機(jī)物截留并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物，一些難以生物降解的大分子物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為易于降解的小分子物質(zhì)，從而使廢水的可生化性和降解速度大幅度提高，以利于后續(xù)人工濕地的好氧生物處理。

濕地基質(zhì)的吸附降解作用是潛流人工濕地處理污水的主要途徑[8]。該研究基質(zhì)取材于當(dāng)?shù)氐氖規(guī)r，機(jī)械碎粒形成大塊礫石作為下層填充物，小塊礫石為上層填充物。在不同進(jìn)水條件下2塊人工濕地均表現(xiàn)出了較高的污染物去除率，特別是經(jīng)過冬季之后，濕地植物地上部分枯萎死亡，植物根系雖然有一定的越冬能力，但是受植物莖葉光合作用停滯的影響，人工濕地的植物凈化能力減弱[9]；但從檢測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，2月與6、10月相比，人工濕地的去除效果差別不大。人工濕地基質(zhì)的吸附沉淀降解，經(jīng)過6～8年，濕地填料要更新或者沖洗以后才能持續(xù)使用，否則去除效果會下降[6]。

栽種鄉(xiāng)土濕地植物的潛流人工濕地對主要污染物的去除效果更好。監(jiān)測表明，栽種當(dāng)?shù)匾吧磲槻荨⑻J葦、菖蒲的No.2濕地對主要污染物的去除率相對高于栽種美人蕉、再力花、香蒲的No.1濕地，其機(jī)理可能是當(dāng)?shù)匾吧鷿竦刂参锵蚋鶇^(qū)輸氧能力更強(qiáng)，根系較引種栽培濕地植物更發(fā)達(dá)[10]。選擇栽種當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土濕地植物，更能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，使根系充分發(fā)育，可以為植物根系間微生物提供良好的新陳代謝環(huán)境，便于在植物根系區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)微環(huán)境，使有氧和厭氧共同作用，有利于充分發(fā)揮微生物降解有機(jī)污染物的作用[3]。

4 結(jié)論

潛流人工濕地對郝堂村生活污水中的各污染物去除效果較好。2014年6月栽種美人蕉、再力花、香蒲的潛流人工濕地對COD、氨氮、總磷和總氮的去除率分別為43.90%、41.80%、51.90%和66.30%；栽種鬼針草、蘆葦、菖蒲的潛流人工濕地對COD、氨氮、總磷和總氮的去除率分別為52.80%、49.90%、59.70%和73.40%。預(yù)處理能夠提高潛流人工濕地污染物去除能力，濕地基質(zhì)的吸附降解作用是潛流人工濕地處理污水的主要途徑，栽種鄉(xiāng)土濕地植物的潛流人工濕地污染物去除效果更好。

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