不同水力條件下人工濕地處理效果中試研究

徐祥熙， 王榮震， 徐立榮， 徐征和

(濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250022)

生活污水一般是指居民在日常生活中形成的污水，主要包括廚房污水[1]、洗漱污水[2]、廁所污水[3]等，污水中含有大量的有機(jī)物質(zhì)以及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4]，如果處理不當(dāng)就會(huì)造成水體污染，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。由于農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不到位，沒(méi)有完善的污水排放系統(tǒng)及處理設(shè)施，因此生活污水的分布較為分散，且水量、水質(zhì)變化較大[5-6]。目前，人工濕地具有開(kāi)發(fā)投資少、運(yùn)行成本低、污染物去除效果好以及本身固有的景觀價(jià)值等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸在處理農(nóng)村生活污水的方面得到了廣泛的推廣應(yīng)用[7-9]。

人工濕地對(duì)污染物的去除主要通過(guò)基質(zhì)、植物、微生物間的各種理化作用與生物作用共同完成[10-11]。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)污水的流態(tài)，可以將人工濕地分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直潛流人工濕地[12]。目前，對(duì)人工濕地的研究多集中于植物與基質(zhì)的選擇[13]。有學(xué)者研究表明，水力停留時(shí)間、水力負(fù)荷等水力條件是影響濕地處理效果的關(guān)鍵，水力條件的優(yōu)化可以顯著增強(qiáng)污水凈化效果[14-16]。本文中為了探討水力條件對(duì)于人工濕地處理效果的影響，構(gòu)建6種不同類(lèi)型的人工濕地進(jìn)行中試研究，以期為人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水的凈化效果提供參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了比較不同水力條件下人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水處理效果的區(qū)別，構(gòu)建表面流、含擋板表面流、水平潛流、含擋板水平潛流、垂直上行和垂直下行共6種不同類(lèi)型的人工濕地來(lái)進(jìn)行中試研究，模擬不同水力條件下人工濕地的污水處理過(guò)程。每個(gè)濕地的尺寸為5.1 m×1.7 m×0.8 m(長(zhǎng)度×寬度×厚度)，濕地整體布置平面圖見(jiàn)圖1。表面流人工濕地基質(zhì)從下往上，分別是粒徑為0.4～0.8 cm的陶粒、粒徑小于0.4 cm的瓜子石；其余類(lèi)型的人工濕地基質(zhì)從下往上，依次是粒徑為3 cm的陶粒、粒徑為0.8～1.6 cm的沸石、粒徑為0.4～0.8 cm的陶粒、粒徑小于0.4 cm的瓜子石，每層的填埋厚度均為15 cm。植物統(tǒng)一選擇香蒲和再力花這2種挺水花卉，每平方米種植25株。

圖1 人工濕地整體布置平面圖(單位：mm)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及指標(biāo)測(cè)定

濕地穩(wěn)定運(yùn)行后，改變水力停留時(shí)間、水力負(fù)荷等水力條件，在出水口處取樣檢測(cè)污染物濃度。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)12、24、48、72 h共4組水力停留時(shí)間以及5、15、25、35 cm/d共4組水力負(fù)荷，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。主要檢測(cè)水質(zhì)指標(biāo)、測(cè)定方法見(jiàn)表1。

1.3 進(jìn)水水源

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省水利科學(xué)研究院長(zhǎng)清科源天然泉水開(kāi)發(fā)中心，進(jìn)水水源為一處水產(chǎn)養(yǎng)殖池水。

表1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及測(cè)定方法

該養(yǎng)殖池內(nèi)水體氮、磷含量超標(biāo)，出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，用以模擬農(nóng)村混合污水，具體水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。進(jìn)水方式采用恒流泵抽取，通過(guò)DN50聚乙烯管輸送到不同類(lèi)型的個(gè)人工濕地。

表2 進(jìn)水水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 水力停留時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響

2.1.1 化學(xué)需氧量(COD)

不同類(lèi)型人工濕地的COD去除效率隨水力停留時(shí)間的變化如圖2所示。由圖可以看出：各類(lèi)型人工濕地的COD去除率隨水力停留時(shí)間增加先升高、后降低；在相同的水力停留時(shí)間下，水平潛流人工濕地比表面流人工濕地具有更高的COD去除率。當(dāng)水力停留時(shí)間為48 h時(shí)，各類(lèi)型人工濕地的COD去除效果最好，去除率均超過(guò)60%，其中垂直下行人工濕地COD的去除率最高，可達(dá)到81.67%。隨著停留時(shí)間繼續(xù)增加，COD去除率開(kāi)始下降。其原因在于，當(dāng)水力停留時(shí)間較短時(shí)，濕地內(nèi)微生物沒(méi)有充分發(fā)揮作用，使得有機(jī)物沒(méi)有完全降解就被排出系統(tǒng)。隨著停留時(shí)間的不斷增加，有機(jī)物的降解越來(lái)越充分，COD去除效率也隨之升高；但是過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，也造成了污水的滯留和厭氧區(qū)的不斷增加，因此去除率開(kāi)始下降。

圖2 不同類(lèi)型人工濕地化學(xué)需氧量去除率隨水力停留時(shí)間的變化

擋板的增設(shè)在水力停留時(shí)間為12 h時(shí)，使表面流人工濕地COD去除率增加8.84%，水平潛流人工濕地COD去除率提高9.3%，但是，隨著停留時(shí)間的增加，去除率提升效果開(kāi)始變得不明顯，到達(dá)48 h時(shí)，有無(wú)擋板對(duì)COD的去除率基本沒(méi)有影響，增設(shè)擋板的表面流人工濕地的COD去除率甚至還低于無(wú)擋板的表面流人工濕地的。造成這一結(jié)果的主要原因是過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間和緩慢的流速，再加上擋板形成的污水滯留區(qū)，使得COD的去除效率不斷下降。

2.1.2 總氮

不同類(lèi)型人工濕地的總氮去除率隨水力停留時(shí)間的變化如圖3所示。由圖可以看出：各類(lèi)型人工濕地對(duì)總氮均有較好的去除效果，去除率隨水力停留時(shí)間的增加而不斷提高，但是48 h后提升趨勢(shì)明顯減弱，且不同類(lèi)型人工濕地間的差距逐漸變小。72 h時(shí)，各個(gè)人工濕地的總氮去除率達(dá)到最大值，其中垂直上行人工濕地對(duì)總氮的去除效果最好，去除率為93.02%，表面流人工濕地的效果最較差，但也達(dá)到了76.77%。

圖3 不同類(lèi)型人工濕地總氮去除率隨水力停留時(shí)間的變化

擋板的增設(shè)在較短的水力停留時(shí)間即48 h內(nèi)，對(duì)人工濕地總氮的去除效果有明顯提升，當(dāng)水力停留時(shí)間到達(dá)72 h，有無(wú)擋板對(duì)人工濕地總氮的去除率影響不大，所以擋板的增設(shè)可以在短時(shí)間內(nèi)提升總氮的去除效果，隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)，擋板的效果逐漸減弱。

2.1.3 氨氮

不同類(lèi)型人工濕地氨氮去除率隨水力停留時(shí)間的變化如圖4所示。由圖可知：表面流人工濕地氨氮的凈化效果最差，去除率最高僅為51.79%；水平潛流人工濕地的去除率最高，在24 h達(dá)到了72.73%。除了垂直下行人工濕地氨氮的去除率隨水力停留時(shí)間的增加無(wú)明顯規(guī)律外，其余5個(gè)類(lèi)型人工濕地氨氮的去除率全部表現(xiàn)出隨水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)先提高、后降低的現(xiàn)象，水力停留時(shí)間為72 h的去除率普遍小于水力停留時(shí)間為24 h的。

圖4 不同類(lèi)型人工濕地氨氮去除率隨水力停留時(shí)間的變化

擋板的增設(shè)使得表面流人工濕地氨氮的去除率顯著提升，水力停留時(shí)間為12 h時(shí)提升效果最好，氨氮去除率相對(duì)于沒(méi)有擋板時(shí)的提高19.13%，24 h時(shí)提升了8.46%；水平潛流人工濕地?fù)醢宓脑鲈O(shè)并沒(méi)有增加氨氮的最大去除率，但是延長(zhǎng)了最佳水力停留時(shí)間，使得氨氮去除率隨水力停留時(shí)間的變化變得平緩，在一定程度上減小了水力停留時(shí)間對(duì)氨氮去除率的影響。

2.1.4 總磷

不同類(lèi)型人工濕地總磷去除率隨水力停留時(shí)間的變化如圖5所示。由圖可以看出，各類(lèi)型人工濕地總磷去除率都表現(xiàn)出隨水力停留時(shí)間的增加先提高、后降低的趨勢(shì)，48 h時(shí)各人工濕地的總磷去除率均達(dá)到最大值，其中垂直下行人工濕地的總磷去除率最高，達(dá)到91.71%，表面流人工濕地的最低，也達(dá)到了62.36%。48 h之后，各類(lèi)型人工濕地總磷去除率開(kāi)始降低。其原因在于，當(dāng)水力停留時(shí)間較短時(shí)，水體中的磷未能與聚磷菌充分接觸，很快被帶出濕地，所以總磷去除率隨著水力停留時(shí)間的增加而不斷提高；但是，過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間使得水體處于缺氧環(huán)境，而聚磷菌只有在富氧的環(huán)境下才能進(jìn)行磷的吸收，所以總磷去除率在達(dá)到峰值后出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

表面流人工濕地增設(shè)擋板后總磷的去除率平均提升6.23%，其中，48 h時(shí)提升最為明顯，為9.20%；水平潛流人工濕地增設(shè)擋板后總磷的去除效率平均提升4.30%，其中12 h時(shí)提升最為明顯，為6.84%。可見(jiàn)，增設(shè)擋板可在一定程度上提升人工濕地總磷的去除率，并且表面流人工濕地的去除效果比水平潛流人工濕地的更顯著。

2.2 水力負(fù)荷對(duì)污染物去除效果的影響

2.2.1 COD

不同類(lèi)型人工濕地COD去除率隨水力負(fù)荷的變化如圖6所示。由圖可見(jiàn)，各類(lèi)型人工濕地COD去除率隨水力負(fù)荷的增大先提高、后降低，水力負(fù)荷為15 cm/d時(shí)，COD去除率達(dá)到最大，其中垂直上行人工濕地的去除效果最好，去除率為75.71%。隨著水力負(fù)荷的增大，各人工濕地的COD去除率出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其原因主要是： 1)當(dāng)水力負(fù)荷過(guò)低時(shí)，生物膜的吸附作用和微生物的降解作用更加充分，但是容易形成厭氧狀態(tài)，COD的去除效果不佳； 2)隨著水力負(fù)荷的增加，水流速度加快，濕地內(nèi)部氧氣增加，COD去除效果隨之增強(qiáng)； 3)隨著水力負(fù)荷的進(jìn)一步增加，大量的有機(jī)物還沒(méi)有與微生物群落充分接觸就被帶出濕地系統(tǒng)，導(dǎo)致COD去除率降低。

人工濕地中擋板的增設(shè)在水力負(fù)荷為15 cm/d時(shí)對(duì)COD的去除效果最佳，表面流、水平潛流人工濕地的COD去除率分別提升7.91%、5.57%。隨著水力負(fù)荷的進(jìn)一步增加，擋板對(duì)COD去除率影響逐漸減弱，當(dāng)水力負(fù)荷達(dá)到35 cm/d時(shí)，擋板的作用幾乎不體現(xiàn)。

2.2.2 總氮

不同類(lèi)型人工濕地總氮去除率隨水力負(fù)荷的變化如圖7所示。由圖可以看出：各類(lèi)型人工濕地總氮去除率隨著水力負(fù)荷的增加而降低，在較小的水力負(fù)荷下(如5、15 cm/d)，6種類(lèi)型人工濕地對(duì)總氮去除效果較好，去除率均高于60%；水力負(fù)荷超過(guò)15 cm/d后，去除率出現(xiàn)大幅下降。在高水力負(fù)荷下，垂直流、水平潛流人工濕地的總氮去除率明顯高于表面流人工濕地的，平均高出29.19%。當(dāng)水力負(fù)荷較小時(shí)，硝化和反硝化作用更強(qiáng)，水體中的氮可以被充分分解，植物與微生物對(duì)氮的吸收利用也更充分。隨著水力負(fù)荷增大，污水在人工濕地系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間不足，導(dǎo)致硝化和反硝化作用不能完全進(jìn)行，甚至部分硝化菌及反硝化菌會(huì)被快速流動(dòng)的水流帶出系統(tǒng)，使得總氮去除率降低。總的來(lái)說(shuō)，水力負(fù)荷低于15 cm/d時(shí)能夠保證人工濕地系統(tǒng)對(duì)總氮有較好的去除效果。

圖7 不同類(lèi)型人工濕地總氮去除率隨水力負(fù)荷的變化

水平潛流人工濕地增設(shè)擋板后總氮去除率明顯提高，尤其在水力負(fù)荷為15 cm/d時(shí)，去除率提高了11.77%。相比之下，表面流人工濕地增設(shè)擋板后總氮去除率略有提升，但是效果不明顯。

2.2.3 氨氮

不同類(lèi)型人工濕地氨氮去除率隨水力負(fù)荷的變化如圖8所示。由圖可知： 水平潛流人工濕地氨氮的去除效果，明顯好于表面流人工濕地的。隨著水力負(fù)荷的增大，各類(lèi)型人工濕地氨氮去除率均降低，垂直流、水平潛流人工濕地的去除率由80%左右下降至20%左右，表面流人工濕地的由40%左右下降至不足10%，說(shuō)明水力負(fù)荷越小越有利于氨氮的去除。當(dāng)垂直流、水平潛流人工濕地水力負(fù)荷小于25 cm/d，表面流人工濕地水力負(fù)荷小于15 cm/d時(shí)，能夠保證濕地系統(tǒng)有較好的氨氮去除效果。

圖8 不同類(lèi)型人工濕地氨氮去除率隨水力負(fù)荷的變化

在水力負(fù)荷為15 cm/d時(shí)，增設(shè)擋板的表面流人工濕地氨氮去除率提高了8.71%，增設(shè)擋板的水平潛流人工濕地在水力負(fù)荷為15、25 cm/d時(shí)氨氮去除率分別提高了9.19%、12.82%，在其余的水力負(fù)荷下，有無(wú)擋板對(duì)上述2種類(lèi)型人工濕地的氨氮去除基本沒(méi)有影響?？梢?jiàn)，擋板的增設(shè)有利于提高人工濕地在中等水力負(fù)荷下的氨氮去除率，但在較低或較高的水力負(fù)荷下，擋板的作用并不明顯。

2.2.4 總磷

不同類(lèi)型人工濕地總磷去除率隨水力負(fù)荷的變化如圖9所示。由圖可見(jiàn)，在較低的水力負(fù)荷下，各類(lèi)型人工濕地都具有較高的總磷去除率。當(dāng)水力負(fù)荷為5 cm/d時(shí)，水平潛流人工濕地去除率最高，為89.26%，含擋板表面流人工濕地的去除率最低，為79.01%，兩者差距僅為10.05%。隨著水力負(fù)荷的不斷增大，各類(lèi)型人工濕地總磷去除率均降低，并且表面流人工濕地的去除率與其他類(lèi)型人工濕地的數(shù)值差距越來(lái)越大。當(dāng)水力負(fù)荷為35 cm/d時(shí)，含擋板水平潛流人工濕地的去除率最高，為83.26%，表面流人工濕地的去除率最低，為40.17%，兩者差距達(dá)到43.09%。

圖9 不同類(lèi)型人工濕地總磷去除率隨水力負(fù)荷的變化

當(dāng)水力負(fù)荷大于15 cm/d時(shí)，擋板的作用才得以體現(xiàn)。當(dāng)水力負(fù)荷為25 cm/d時(shí)，擋板的增設(shè)對(duì)表面流人工濕地總磷去除效果的提升最大，去除率為6.23%；設(shè)擋板的水平潛流人工濕地在水力負(fù)荷為35 cm/d時(shí)對(duì)總磷去除效果的提升最大，去除率為8.24%。當(dāng)水力負(fù)荷為5 cm/d時(shí)，設(shè)擋板的表面流、水平潛流人工濕地的總磷去除率，還略低于無(wú)擋板的表面流、水平潛流人工濕地的，說(shuō)明當(dāng)水力負(fù)荷較低時(shí)濕地不適宜增設(shè)擋板。

3 結(jié)論

1)在不同的水力條件下，人工濕地的處理效果表現(xiàn)為垂直流優(yōu)于水平潛流和表面流。在不同水力停留時(shí)間下，總氮去除效果最好的是垂直上行人工濕地，總磷、COD去除效果最好的是垂直下行人工濕地，氨氮去除效果最好的是水平潛流人工濕地；不同水力負(fù)荷下，考慮到處理效果與處理效率，表面流人工濕地的最佳水力負(fù)荷為5 cm/d，垂直流、水平潛流人工濕地的最佳水力負(fù)荷為15 cm/d，可以保證人工濕地既有較好的處理效果，又有較高的污水處理效率，同時(shí)還可以增加污水處理量。

2)擋板的增設(shè)可以使人工濕地在相同水力條件下改善污染物的去除效果，適當(dāng)延長(zhǎng)人工濕地的水力停留時(shí)間以及減少水力負(fù)荷的沖擊，但是當(dāng)水力負(fù)荷過(guò)小或過(guò)大時(shí)擋板的作用并不明顯，甚至?xí)夯瘽竦氐奶幚硇Ч囼?yàn)結(jié)果表明，增設(shè)擋板合適的水力負(fù)荷范圍為15～25 cm/d。