垂直-水平流復(fù)合人工濕地凈化河水效果研究

寧波碧城生態(tài)科技有限公司 劉亮，趙燎原，許寧寧

一、概述

人工濕地是基于生態(tài)學(xué)原理，通過基質(zhì)填料的過濾、吸附、沉淀、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)，微生物吸收、分解、同化、氮素的硝化與反硝化作用和植物對營養(yǎng)元素的攝取等實現(xiàn)對污水的高效凈化。自從上個世紀(jì)末引入國內(nèi)后，在低水力負(fù)荷（0.2～0.4m3/m2·d）下運行能達(dá)到良好的效果，而且運行維護(hù)費用也低，逐漸成為主流的生態(tài)水處理工藝。但是，低水力負(fù)荷的人工濕地所需占地面積大，為了提高土地的利用率，高水力負(fù)荷（≥1.0m3/m2·d）人工濕地水處理工藝開始出現(xiàn)[1]。

臺州灣人工濕地是臺州灣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水生態(tài)工程的重要組成部分，位于臺州市集聚區(qū)聚海大道與綠脈南路交叉位置，承擔(dān)著凈化月湖水質(zhì)和為其補水的重要功能。該人工強化濕地占地約232.5畝，設(shè)計處理規(guī)模為1.3×105m3/d，水力表面負(fù)荷為2.22m3/m2·d，其采用的水處理工藝為：自月湖/洪家場浦河進(jìn)水→植物沉淀塘→格柵→提升泵→垂直流人工強化濕地→水平流人工強化濕地→表面流人工強化濕地→出水到月湖，且垂直流和水平流人工強化濕地是該水處理工藝的核心。通過該工藝的處理，使水質(zhì)由地表水Ⅴ類凈化到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，保證整個月湖水系為地表水Ⅳ類水質(zhì)。

為便于今后高水力負(fù)荷人工濕地的設(shè)計優(yōu)化和運行控制，寧波碧城生態(tài)科技有限公司成立長三角濕地研究中心，以水力負(fù)荷、水生植物、垂直流人工強化濕地填料深度和水平流人工濕地水平長度為參數(shù)，采用上述工藝的核心垂直-水平流復(fù)合人工濕地對洪家場浦河水進(jìn)行凈化效果的研究。

二、試驗條件

（一）垂直-水平流復(fù)合人工濕地的結(jié)構(gòu)

垂直-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)由垂直流人工濕地和水平流人工濕地先后串聯(lián)而成，池體均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其中，垂直流人工濕地池體內(nèi)采用平鋪PVC管小孔出流的布水方式形成垂直流，從上到下裝填0.4m厚度的細(xì)粒徑（5～10mm）、中粒徑（10～20mm）和粗粒徑（20～30mm）碎石，表面栽種水生植物；水平流人工濕地池體內(nèi)采用從一側(cè)渠道進(jìn)水的布水方式形成水平流，從水流進(jìn)口到出口填充粗粒徑（20～30mm）、中粒徑（10～20mm）和細(xì)粒徑（5～10mm）碎石，表面栽種水生植物。

（二）人工濕地栽種的水生植物

試驗采用的水生植物為水生美人蕉。

（三）試驗用水

試驗用水為洪家場浦河下游河水。

（四）水質(zhì)指標(biāo)與化驗設(shè)備

（1）水質(zhì)指標(biāo)

試驗中檢測的水質(zhì)指標(biāo)有溶解氧、CODCr、氨氮、總氮和總磷。

（2）化驗設(shè)備

化驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 化驗儀器

三、結(jié)果與討論

（一）水力負(fù)荷對垂直-水平流復(fù)合人工濕地凈水效果的影響

試驗研究了水力負(fù)荷為2.22、1.11和0.55m3/m2·d三種運行工況下垂直-水平流復(fù)合人工濕地對洪家場浦河水凈化效果的影響。試驗結(jié)果見表1。

表1 水力負(fù)荷對垂直-水平流復(fù)合人工濕地凈水效果的影響

從表1可以看出，隨著水力負(fù)荷的逐漸降低，出水水質(zhì)指標(biāo) COD、NH3-N、TN和 TP呈 逐漸下降的趨勢，并且水力負(fù)荷從2.22m3/m2·d變 為 1.11m3/m2·d時的去除量要大于水力負(fù)荷從1.11m3/m2·d變 為 0.55m3/m2·d的去除量?？紤]到投資成本的因素，設(shè)計時可采用的水力表面負(fù)荷為1.11m3/m2·d左右。這是因為：水力負(fù)荷降低，停留時間增加，反應(yīng)進(jìn)行的較為徹底，所以隨著水力負(fù)荷的降低而使出水水質(zhì)逐漸變好。

（二）水生植物對垂直-水平流復(fù)合人工濕地凈水效果的影響

水生植物在人工濕地凈化污水過程中的功能主要表現(xiàn)在：（1）對污水中營養(yǎng)物質(zhì)的直接吸收、利用；（2）輸送氧氣到根區(qū)，提供根區(qū)微生物生長、繁殖和降解反應(yīng)所需的氧氣；（3）增強和維持介質(zhì)的水力傳輸能力[2]。

本試驗在水力負(fù)荷2.22m3/m2·d的條件下，進(jìn)行了植物種植前后垂直-水平流復(fù)合人工濕地凈水效果的影響。

數(shù)據(jù)采集與處理：對植物種植前和植物種植生長半年后的垂直-水平流復(fù)合人工濕地的凈水結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)一個月的數(shù)據(jù)采集，然后計算其平均值進(jìn)行水處理效果的評價。結(jié)果見圖2。

圖2 水生植物對垂直-水平流復(fù)合人工強化濕地凈水效果的影響

從圖2可以看出：與未種植水生植物相比，種植水生植物半年后的人工濕地對水質(zhì)各指標(biāo)的去除率提高了15～25%。可見，植物在人工濕地對水質(zhì)的凈化過程中起著非常重要的作用。這主要是因為：（1）種植在人工濕地中的植物一般具有生長迅速、生物量大和吸收能力強的特征。這些植物能夠直接吸收、利用污水中的營養(yǎng)元素，并經(jīng)過同化作用將其轉(zhuǎn)化為自身組分，最后，通過收割植物，將水中的營養(yǎng)元素去除。（2）水生植物具有的發(fā)達(dá)根系，一方面為微生物的聚集和生存繁衍提供了合適場所；另一方面能夠?qū)⑵渫ㄟ^光合作用產(chǎn)生的氧氣通過氣道傳遞到根區(qū)。這樣在植物根部周圍依次形成了好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，通過微生物反應(yīng)實現(xiàn)水中營養(yǎng)物的去除。

（三）填料深度對復(fù)合人工濕地中垂直流部分凈水效果的影響

填料深度主要對復(fù)合人工濕地中的垂直流部分形成影響，會造成水中豎向上溶解氧含量的梯度變化，從而形成不同的微生物環(huán)境，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。

（1）填料深度與水中溶解氧含量的關(guān)系

試驗進(jìn)行了復(fù)合人工濕地中垂直流部分的填料深度與水中溶解氧含量關(guān)系的研究，考察的填料深度位置點依次為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2m，結(jié)果見圖3。

圖3 填料深度與水中溶解氧含量的關(guān)系

從圖3可以看出，隨著填料深度的增加，溶解氧呈逐漸下降的趨勢。在深度大于0.6m后溶解氧的含量變化很小，約在0.5～1.0mg/l之間而呈缺氧環(huán)境。這是因為：垂直流人工濕地的水流從上到下，水中溶解氧在好氧微生物的作用下發(fā)生膜生物反應(yīng)而被不斷地消耗，導(dǎo)致填料深度方向上水中溶解氧呈逐漸降低的趨勢，直到呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)。

（2）填料深度對水處理效果的影響

填料深度主要對復(fù)合人工濕地中的垂直流部分形成影響，其大小直接影響到填料的截留、吸附能力和微生物反應(yīng)的完全性[3]。填料深度較小時，填料的截留、吸附能力不夠以及造成微生物反應(yīng)不徹底，造成水中污染物去除率的降低。反之，則能提高污染物的去除率，但也不應(yīng)過大，否則會造成填料的浪費和出水水質(zhì)變差。

本試驗在水力負(fù)荷2.22m3/m2·d的條件下，進(jìn)行了復(fù)合人工濕地中垂直流部分的填料深度與處理水質(zhì)效果關(guān)系的試驗，考察的填料深度位置點依次為0.3、0.6、0.9和1.2m，結(jié)果見圖4。

圖4 填料深度對水處理效果的影響

從圖4可以看出，隨著填料深度的增加，各水質(zhì)指標(biāo)COD、NH3-N、TN和TP呈先增加后保持不變的趨勢，即在填料深度0.9m時，各水質(zhì)指標(biāo)的去除率都達(dá)到了最大。這是因為：填料深度0.9m時，填料的截留、吸附和微生物反應(yīng)達(dá)到了最佳狀態(tài)。

由此可知，從上述兩個試驗可以看出，在該試驗條件下，復(fù)合人工濕地中垂直流部分填料深度宜為0.6～0.9m。

（四）水平長度對復(fù)合人工濕地中水平流部分凈水效果的影響

水平長度主要對復(fù)合人工濕地中的水平流部分形成影響，主要表現(xiàn)為隨著水在水平推流的作用下，其水質(zhì)指標(biāo)在不斷地發(fā)生變化。試驗在水力負(fù)荷為2.22m3/m2·d的條件下，進(jìn)行了水平流人工濕地水平長度對處理水質(zhì)處理效果的影響。試驗考察的水平長度為6、12、18、24和30m處五個位置點，采樣深度為0.4m。結(jié)果見圖5。從圖5可以看出：隨著水平距離的逐漸增加，COD、氨氮、總磷和總氮的去除率呈逐漸增加的趨勢，并在第四個采樣點位置（距離進(jìn)水口24m）各水質(zhì)指標(biāo)的去除率達(dá)到最大。這是因為：復(fù)合人工濕地中的水平流部分在水流方向上距離進(jìn)水口24m時，填料的截留、吸附和微生物反應(yīng)達(dá)到了最佳狀態(tài)。可見，復(fù)合人工濕地的水平流部分的長度宜為24m。

圖5 水平長度與水質(zhì)指標(biāo)的處理效果

四、結(jié)論

（1）水力負(fù)荷從2.22m3/m2·d變?yōu)?1.11m3/m2·d時的去除量要大于水力負(fù)荷從1.11m3/m2·d 變?yōu)?0.55m3/m2·d。考慮到投資成本的因素，設(shè)計時宜采用的水力負(fù)荷為1.11m3/m2·d。

（2）與未種植水生植物相比，種植水生植物半年后的人工濕地對水質(zhì)各指標(biāo)的去除率提高了15～25%。

（3）在水力負(fù)荷從2.22m3/m2·d的條件下，復(fù)合人工濕地中垂直流部分的填料深度宜為0.6～0.9m，水平流部分的長度宜為24m。