不同季節(jié)人工濕地處理污水效果

華昇 陳浩 劉云國(guó)

摘要 人工濕地是目前最自然、生態(tài)的處理廢水技術(shù)。利用人工濕地植物、基質(zhì)和微生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，處理廢水中COD、總氮、總磷和氨氮，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。通過(guò)連續(xù)一年野外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期對(duì)廢水中污染物的去除效果有較大差別，春夏季對(duì)污染物的去除效果好于秋冬季，對(duì)不同污染物去除率也存在差異，人工濕地的平均去除率呈現(xiàn)出總磷>總氮>氨氮>COD。此外，美人蕉、菖蒲、銅錢(qián)草的耐淹性強(qiáng)，長(zhǎng)達(dá)35 d，在半淹狀態(tài)下90 d，植物形態(tài)上與未淹時(shí)無(wú)明顯的差別，生長(zhǎng)良好。該人工濕地造價(jià)和運(yùn)行成本低，單位水量投資成本約為0.20元/（t·d），此人工濕地基本達(dá)到了凈化水質(zhì)、節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞 人工濕地;廢水處理;季節(jié);淹沒(méi)

中圖分類號(hào) X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）19-0068-05doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.021

Abstract Constructed wetland is the most natural and ecological wastewater treatment technology at present. In this paper， the ecosystem consisting of plants， substrates and microorganisms in constructed wetland system was used to remove COD， total nitrogen， total phosphorus and ammonia nitrogen in wastewater to achieve water purification. The field experiment for one year showed that the removal efficiency of pollutants in wastewater were varied greatly in different periods. The removal efficiency of pollutants in spring and summer was higher than that in autumn and winter. The removal efficiency of different pollutants was also varied. The average removal rate of constructed wetlands showed total phosphorus > total nitrogen > ammonia nitrogen > COD. In addition， Canna indica， Acorus calamus and Strychnos nudicaulis had strong waterlogging resistance for up to 35 days， in the semiflooded state for 90 days， there was no significant difference in plant morphology from that in the nonsubmerged state， and the plant grew well. The construction and operation cost of the constructed wetland was low， and the investment cost per unit water was about 0.20 yuan/（t·d）. This constructed wetland basically achieved the purpose of purifying water quality and saving energy.

Key words Constructed wetland;Wastewater treatment;Season;Flood

隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，廢水排放量驟增。目前處理廢水主要靠污水處理廠，其運(yùn)行成本高，管理運(yùn)營(yíng)復(fù)雜，二級(jí)污水處理廠的基建投資費(fèi)用為1 500～2 000元/t，運(yùn)行費(fèi)用為0.7～1.2元/t[1]。在較為偏遠(yuǎn)的城鎮(zhèn)區(qū)域，產(chǎn)生的廢水需要集中收集處理，通過(guò)較高費(fèi)用的管網(wǎng)收集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移至污水處理廠，因此在遠(yuǎn)離市中心管網(wǎng)系統(tǒng)不完善的區(qū)域，應(yīng)采用便捷、經(jīng)濟(jì)、美化的方法處理廢水。近年來(lái)，人工濕地在我國(guó)逐漸被重視，它具有基建投資費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)低成本、管理維護(hù)方便、污染物去除效率高等特點(diǎn)，如若選取合適的植物，能達(dá)到凈化水質(zhì)與綠化觀賞相融合的效果。

基質(zhì)是人工濕地中重要組成部分，對(duì)廢水的凈化有決定性的作用[2]。人工濕地中的基質(zhì)去除水體中的污染物主要是通過(guò)吸收、吸附、過(guò)濾、絡(luò)合、離子交換等作用實(shí)現(xiàn)[3-4]?；|(zhì)能為微生物提供生存環(huán)境，還能為植物生長(zhǎng)提供載體，植物根系能通過(guò)基質(zhì)的空隙進(jìn)行呼吸作用[5]。植物的生長(zhǎng)狀況、凈化性能以及植物之間的協(xié)同作用對(duì)廢水的凈化和污染物的去除有重要作用，植物根區(qū)為微生物生長(zhǎng)和分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供了場(chǎng)所和好氧環(huán)境。

筆者選取了常見(jiàn)的效果較佳基質(zhì)沸石、粉煤灰、石灰石及植物美人蕉、菖蒲、銅錢(qián)草為研究對(duì)象，研究人工濕地的凈化能力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

選取桃子湖和靳江河2處進(jìn)行試驗(yàn)。桃子湖位于長(zhǎng)沙市天馬山景區(qū)，岳麓山腳下，主要容納周邊居民生活用水，作為景觀娛樂(lè)用水，執(zhí)行水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);靳江河為湘江支流，選取靳江河一部分作為研究對(duì)象，作為生活飲用水源，執(zhí)行水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 材料

試驗(yàn)所用植物美人蕉（Canna indica）、菖蒲（Acorus calamus）、銅錢(qián)草（Strychnos nudicaulis）購(gòu)自長(zhǎng)沙市紅星桃花村花卉市場(chǎng)。

試驗(yàn)所用基質(zhì)沸石（zeolite）、石灰石（limestone）和活性炭（activated carbon）購(gòu)自河南博旭環(huán)保公司，粉煤灰（flyash）另購(gòu)自電廠。

采用具有透水不透泥的生態(tài)袋無(wú)紡布對(duì)基質(zhì)和河體進(jìn)行隔離[6]，在水體充分流經(jīng)基質(zhì)的前提下保證基質(zhì)組合的穩(wěn)定性。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)區(qū)域分為進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和出水區(qū)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。進(jìn)水區(qū)取2.0 m×0.6 m×0.5 m的矩形水道，污水由進(jìn)水區(qū)進(jìn)入裝置內(nèi)，進(jìn)水區(qū)內(nèi)部放置粉煤灰;反應(yīng)區(qū)挖取5.0 m×1.0 m×0.5 m的矩形水道，并添加少量活性炭等具有強(qiáng)吸附力的物質(zhì)，在填料層上部預(yù)埋上一層填土，將準(zhǔn)備好的美人蕉、銅錢(qián)草和菖蒲種植在填土上層;出水區(qū)用于承接由反應(yīng)區(qū)滲出的水，用以種植水草、水綿等植物，并測(cè)試裝置的COD、總氮、總磷和氨氮濃度，與此同時(shí)觀察裝置內(nèi)植物的生長(zhǎng)變化。

1.4 樣品采集及測(cè)試

試驗(yàn)周期為2018年3月—2019年2月，2018年3月為試運(yùn)行期。試驗(yàn)期間定期測(cè)定水樣中的COD、氨氮、總磷和總氮的濃度，同時(shí)，觀察記錄不同植物在不同季節(jié)的生存情況、耐淹程度等。

水樣中的COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定;氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定;總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定;總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地去除效果

2.1.1 人工濕地對(duì)總氮的去除率。

由圖2可知，人工濕地在連續(xù)1年中的不同時(shí)期對(duì)廢水中總氮的去除效果有較大差別，廢水經(jīng)人工濕地處理后總氮含量有所下降。2個(gè)濕地系統(tǒng)總氮去除率隨不同月份的變化趨勢(shì)基本保持一致。桃子湖人工濕地的總氮去除效率略高于靳江河。夏季5—8月總氮去除率較高，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別達(dá)88.3%和77.9%，此階段是微生物繁殖期，植物生長(zhǎng)較快;秋冬季10月—次年2月總氮去除率效果較低，桃子湖和靳江河人工濕地最低去除率分別為2.8%和5.7%。

濕地系統(tǒng)中去除總氮的機(jī)理有揮發(fā)、硝化和反硝化、氨化、植物攝取和基質(zhì)吸收等，硝化和反硝化是人工濕地系統(tǒng)除氮最常見(jiàn)途徑。濕地系統(tǒng)也可通過(guò)多種機(jī)理聯(lián)合作用達(dá)到高效去除總氮的效果。圖2表明，4—8月春末和盛夏環(huán)境條件（氣候、濕度等）適合濕地植物和微生物的生長(zhǎng)繁殖及新陳代謝，保證人工濕地系統(tǒng)對(duì)廢水中氮的去除;在10月—次年2月的秋末和冬季，氣溫低，美人蕉等濕地植物進(jìn)入萎蔫、凋零狀態(tài)，微生物也處在冬眠期，造成濕地系統(tǒng)去除廢水中總氮能力下降。

2.1.2 人工濕地對(duì)總磷的去除率。

從圖3可以看出，桃子湖人工濕地在春冬季總磷去除率高于靳江河人工濕地，而在夏秋季出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。從試驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)行至9月，2處人工濕地去除總磷的效率處于較高水平，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別達(dá)80.9%和72.7%;從10月開(kāi)始，去除率明顯下降，冬季的總磷去除率都處在較低水平，桃子湖和靳江河人工濕地最低去除率分別為25.0%和12.5%。2處人工濕地系統(tǒng)，春夏季總磷去除率優(yōu)于秋冬季。

人工濕地對(duì)廢水中總磷的去除主要是通過(guò)基質(zhì)的吸附作用和系統(tǒng)的過(guò)濾作用實(shí)現(xiàn)。從圖3可以看出，人工濕地全年總磷去除率都處在較高水平，該試驗(yàn)采用粉煤灰作為基質(zhì)上層的填料，可以達(dá)到較好的除磷效果。一年中，植物的生長(zhǎng)情況對(duì)廢水中磷的去除有較大影響，春夏季植物生長(zhǎng)旺盛，對(duì)磷的吸收增加，可有效去除水中的無(wú)機(jī)磷酸鹽，進(jìn)入秋冬季，植物萎蔫，對(duì)廢水中磷的吸附下降，植物體內(nèi)磷元素被微生物分解、釋放，使得總磷去除率降低[7]。

2.1.3 人工濕地對(duì)氨氮的去除率。

由圖4可知，試驗(yàn)一整年過(guò)程中，桃子湖人工濕地氨氮去除率總體高于靳江河人工濕地。試驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)行至8月，2處人工濕地氨氮的去除率呈上升趨勢(shì)，氨氮去除率處在較高水平，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別達(dá)93.9%和83.0%;9月，氨氮去除率急速下降，一直到12月，氨氮去除率都處在較低水平，桃子湖和靳江河人工濕地最低去除率分別為10.6%和14.0%。2處人工濕地系統(tǒng)夏季氨氮去除效率最佳，優(yōu)于春秋冬季。

人工濕地對(duì)氨氮的去除與去除總氮的機(jī)制類似，一部分是通過(guò)植物和基質(zhì)的吸附和過(guò)濾作用，另一部分是微生物硝化和反硝化作用。氮元素作為植物的必需元素，吸收后，能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。同時(shí)，氨氮也能通過(guò)微生物的分解作用達(dá)到高效去除，氨氮經(jīng)過(guò)硝化菌的硝化作用后生成NO2-和NO3-，硝酸鹽再經(jīng)過(guò)反硝化細(xì)菌的反硝化作用后形成N2或N2O從水中釋放。秋冬季低溫，硝化菌和反硝化菌活性降低，其作用隨之減弱，造成濕地去除率降低。

2.1.4 人工濕地對(duì)COD的去除率。

從圖5可以看出，試驗(yàn)一整年過(guò)程中，桃子湖人工濕地COD去除率總體高于靳江河人工濕地。春夏季去除率高于秋冬季，秋季的去除率逐漸下降，而冬季逐漸上升。一整年COD的平均去除率在50%以下，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別為63.3%和429%，在11月去除率達(dá)到最低值，最低去除率分別為7.1%和13.0%。

人工濕地系統(tǒng)對(duì)廢水中COD的去除機(jī)制主要包括吸附、吸收和生物降解。菖蒲具有發(fā)達(dá)的根系，能高效地對(duì)不溶性有機(jī)物進(jìn)行截留。廢水經(jīng)過(guò)人工濕地時(shí)，基質(zhì)和植物會(huì)對(duì)廢水中的不溶性有機(jī)物進(jìn)行阻擋和截留，隨著植物生長(zhǎng)和微生物的繁殖，基質(zhì)表面形成一層生物膜，不溶性有機(jī)物逐漸被濕地系統(tǒng)降解;可溶性有機(jī)物是通過(guò)植物根系吸附、基質(zhì)吸收和微生物新陳代謝作用被去除[8-9]。春夏季是植物生長(zhǎng)最為旺盛的季節(jié)，植物根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)較快，在此時(shí)期濕地植物根系的輸氧作用也最強(qiáng)，能促進(jìn)地下部分好氧微生物對(duì)有機(jī)物的降解。秋冬季溫度較低，美人蕉凋零，植物根系的輸氧作用降低，微生物活性降低，從而對(duì)水體中有機(jī)物的去除作用下降。

2.2 人工濕地植物生長(zhǎng)情況

2.2.1 人工濕地植物不同時(shí)期生長(zhǎng)情況。

圖6是不同時(shí)期靳江河人工濕地植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。從圖中可以看出，春季濕地系統(tǒng)運(yùn)行初期，靳江河濕地植物長(zhǎng)期處于被淹沒(méi)狀態(tài)，美人蕉和菖蒲頂部呈綠色，露在水面上，美人蕉和銅錢(qián)草正常存活，表明試驗(yàn)植物的栽培存活率較高，能在河岸漫灘上正常生長(zhǎng)。

夏季退水之后，所有濕地植物露出水面，美人蕉、菖蒲和銅錢(qián)草恢復(fù)生長(zhǎng)，并生長(zhǎng)迅速，生長(zhǎng)量驟增，部分美人蕉在此時(shí)期開(kāi)花。夏季降水較多，植物根莖部長(zhǎng)期被水淹沒(méi)，但植物仍正常生長(zhǎng)，出水水質(zhì)較好，表明所選植物長(zhǎng)期處在被淹狀態(tài)仍能維持正常生長(zhǎng)，還能對(duì)水體中污染物進(jìn)行去除。

秋初，靳江河濕地植物仍然處在被淹沒(méi)狀態(tài)，秋末植物莖部才完全露出水面。退水之后，植物生長(zhǎng)量下降，美人蕉、菖蒲逐漸萎蔫，銅錢(qián)草朝四周蔓延，生長(zhǎng)較為旺盛?？傮w而言，秋季植物的吸收作用愈來(lái)愈低，吸收速度減慢，水體中各項(xiàng)污染物去除指標(biāo)下降。

冬初，美人蕉基本枯萎，菖蒲仍有少數(shù)未枯萎，銅錢(qián)草仍正常生長(zhǎng)，冬末，美人蕉、菖蒲、銅錢(qián)草基本都已萎蔫。植物死亡后，植株會(huì)釋放氮、磷及有機(jī)物到人工濕地水體中，使得人工濕地出水中污染物質(zhì)含量上升，人工濕地污染物去除率下降[10]。

圖7是不同時(shí)期桃子湖人工濕地植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。從圖中可以看出，春季濕地植物逐漸生長(zhǎng)，美人蕉正常生長(zhǎng)，試驗(yàn)反應(yīng)區(qū)內(nèi)植物復(fù)蘇，生長(zhǎng)逐漸茂盛。春季是桃子湖污染最為嚴(yán)重的時(shí)期，從圖中可以明顯看到試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水體呈渾濁狀態(tài)，污染越嚴(yán)重，濕地植物生長(zhǎng)越旺盛，說(shuō)明濕地植物能對(duì)廢水中氮、磷、有機(jī)物進(jìn)行有效的吸收，促進(jìn)植物體自身的生長(zhǎng)。

夏初，湖區(qū)中心濕地植物生長(zhǎng)速度快，生長(zhǎng)較為旺盛，應(yīng)對(duì)中心區(qū)域濕地植物進(jìn)行打撈收割。夏季桃子湖進(jìn)水水質(zhì)比春季好，濕地植物正常生長(zhǎng)，多數(shù)美人蕉在該季節(jié)開(kāi)花。夏季降水較多，外部湖區(qū)水位上漲，人工濕地出水水質(zhì)佳，污染物去除率較高，但由于外部湖區(qū)荷葉茂盛，水流動(dòng)性不強(qiáng)，造成外部湖區(qū)水質(zhì)較試驗(yàn)區(qū)水質(zhì)差。

秋季，濕地植物開(kāi)始從四周往中心凋零、萎蔫，在秋季植物的吸收作用愈來(lái)愈低，吸收速度減慢，各類污染物去除率下降明顯。進(jìn)入冬季，濕地植物基本上都凋謝。植物死亡后，植株會(huì)釋放氮、磷及有機(jī)物到人工濕地水體中，使得人工濕地出水中污染物質(zhì)含量上升，人工濕地污染物去除率下降。進(jìn)入秋冬季后，植物根部對(duì)基質(zhì)中吸附截留的污染物同化吸收能力減弱，去除主要靠濕地基質(zhì)的吸附、過(guò)濾和截留等物理作用，植物根系對(duì)微生物生存環(huán)境的改善作用和對(duì)濕地污染物的攔截能力減弱。

2.2.2 人工濕地植物耐淹性。

不同淹水條件下，各種濕地植物的表觀特征見(jiàn)表1。5月，水位一直處在全年較高水位，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)植物長(zhǎng)期處于全淹狀態(tài)，在此狀態(tài)維持35 d，濕地植物從正常生長(zhǎng)，葉片逐漸開(kāi)始萎蔫，至大部分葉片泛黃。而當(dāng)6月退水后，濕地植物又能繼續(xù)恢復(fù)正常生長(zhǎng)狀態(tài)，葉、莖、根呈鮮綠色。7、8、9月降水多，河流水量較大，水位上升，再次將濕地植物根莖部覆蓋，維持半淹狀態(tài)長(zhǎng)達(dá)90 d，但美人蕉、菖蒲和銅錢(qián)草形態(tài)上與未淹時(shí)無(wú)明顯差別。

在淹水脅迫下，美人蕉、菖蒲和銅錢(qián)草有著較強(qiáng)的生理應(yīng)激能力，完全能夠適應(yīng)在不同時(shí)期水位變化條件下的生長(zhǎng)。菖蒲的根系較為發(fā)達(dá)，能夠起到固土護(hù)坡的作用。同時(shí)，銅錢(qián)草綠葉周期長(zhǎng)，美人蕉花期長(zhǎng)，能夠在很大程度上提升濕地的景觀效應(yīng)[11]。

2.3 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從經(jīng)濟(jì)角度分析，人工濕地對(duì)環(huán)境的主要貢獻(xiàn)是削減水體中污染物質(zhì)含量，改善水質(zhì)。該人工濕地單位水量投資成本為0.20元/（t·d），單位水量運(yùn)行成本0.04元/（t·d）。人工濕地每年處理有機(jī)物的經(jīng)濟(jì)效益較高，1元能處理43.25 g的有機(jī)物;其次是處理總氮和氨氮的經(jīng)濟(jì)效益，1元能處理9.70 g的總氮，1元能處理4.70 g的氨氮;處理總磷的經(jīng)濟(jì)效益較差，1元能處理0.66 g的總磷。

3 結(jié)論

一年中，人工濕地的平均去除率呈現(xiàn)出總磷>總氮>氨氮>COD，春夏季去除4項(xiàng)指標(biāo)的效率高于秋冬季。夏季濕地植物生長(zhǎng)旺盛，微生物活性強(qiáng);秋冬季植物逐漸枯萎、凋零，溫度降低，微生物代謝減弱。

選取的3種濕地植物的耐淹性都較強(qiáng)，被水完全淹沒(méi)35 d后，植物仍能正常生長(zhǎng)，銅錢(qián)草生長(zhǎng)繁殖速度最快。在半淹狀態(tài)下90 d，植物形態(tài)上與未淹時(shí)無(wú)明顯的差別，生長(zhǎng)良好。

該人工濕地造價(jià)和運(yùn)行成本低，單位水量投資成本約為0.20元/（t·d），人工濕地每年處理有機(jī)物的經(jīng)濟(jì)效益較高，1元能處理43.25 g的有機(jī)物。

試驗(yàn)采用人工濕地處理廢水成本低，管理運(yùn)行簡(jiǎn)單方便。在桃子湖和靳江河的應(yīng)用結(jié)果顯示，人工濕地處理后靳江河出水水質(zhì)達(dá)水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，桃子湖達(dá)水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。人工濕地的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了凈化水質(zhì)、節(jié)約能源的目的，實(shí)現(xiàn)了污染物低排放。

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