階梯型導(dǎo)流生態(tài)擋墻對(duì)生活污水的凈化作用研究

徐恩兵

摘要 為對(duì)現(xiàn)有的河道護(hù)岸形式進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，形成一種穩(wěn)固性好、生態(tài)性強(qiáng)、景觀效果良好并可防治河道兩岸面源污染的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，利用小型自然造孔水平潛流人工濕地及集水沉淀槽為主要結(jié)構(gòu)，采用兩級(jí)階梯型布置形式，同時(shí)輔以相應(yīng)的景觀挺水植物、礦物石料，對(duì)生活污水進(jìn)行處理研究。結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的COD Cr去除率在70%以上，處理效果良好，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)情況。系統(tǒng)對(duì)NH 4+-N的去除效果受進(jìn)水濃度變化的影響較小，去除率穩(wěn)定性好，尤其在系統(tǒng)運(yùn)行50 d后系統(tǒng)出水NH 4+-N濃度均低于11 mg/L，NH 4+-N的平均去除率為55.94%。系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果受進(jìn)水TP濃度波動(dòng)的影響較小，尤其在系統(tǒng)運(yùn)行40 d后TP的去除率在70%以上，TP的平均去除率為60.43%。系統(tǒng)對(duì)SS的去除效果不受進(jìn)水SS濃度變化的影響，SS的平均去除率為7759%。系統(tǒng)通過一系列的結(jié)構(gòu)形成一體化綜合反應(yīng)區(qū)，對(duì)污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有良好的去除效果，兩級(jí)梯形的構(gòu)造形式形成了天然的過流水體跌落差，形成天然復(fù)氧效果，活根孔的自然生長(zhǎng)交替作用延緩了結(jié)構(gòu)堵塞失效的期限。

關(guān)鍵詞 面源污染;人工濕地;去除率;生活污水

中圖分類號(hào) X799.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）07-0194-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.046

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on the Purification of Domestic Sewage by Stepped Backflow Ecological Retaining Wall

XU En-bing

（China Gezhouba Group Eco-environmental Engineering Co.，Ltd.， Wuhan， Hubei 430000）

Abstract In order to improve the existing riverway revetment form and form a new revetment structure that could prevent and control the pollution from non-point source on both sides of riverway， with good stability， strong ecology and good landscape effect， the main structure was a small-scale natural pore-making horizontal subsurface flow constructed wetland and a water-collecting sedimentation tank， which was arranged in a two-step pattern， supplemented by corresponding landscape emergent plants and mineral stone materials， the treatment of domestic sewage was studied. The results showed that the removal rate of COD Cr was more than 70% after the system ran stably， the treatment effect was good， and the system ran stably， and there was no big fluctuation. The removal efficiency of NH 4+-N by the system was less affected by the fluctuation of influent concentration， and the removal rate was stable， especially after 50 days of operation， NH 4+-N concentration in the effluent was lower than 11 mg/L， the average removal rate of NH 4+-N was 55.94%. The removal efficiency of TP was less affected by influent TP concentration’s fluctuation， and the removal rate increased steadily with the extension of operation time. Especially after 40 days operation， the removal rate of TP was over 70%， and the average removal rate of TP was 60.43%. The removal efficiency of SS was not affected by the fluctuation of SS concentration in the influent， and the average removal rate of SS was 77.59%. The integrated reaction zone formed by the system through a series of structures had a good removal effect on the nutrients in the sewage. The two-echelon structure formed a natural drop difference of the over-flow water body and a natural re-oxygenation effect， the natural alternate growth of the living root pore delayed the time limit of the structural plugging failure.

Key words Non-point pollution;Constructed wetland;Removal rate;Domestic sewage

駁岸是河流與陸地系統(tǒng)之間的過渡區(qū)域，具有邊緣效應(yīng)，對(duì)河道坡面起到一定的防護(hù)作用，現(xiàn)有的護(hù)岸往往僅考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性及少量的生態(tài)性，其中生態(tài)性部分是以景觀效果為主。然而，來自河道兩邊岸帶的污染排放，如雨水徑流、農(nóng)業(yè)污水排放、生活污水排放等面源污染，無法通過現(xiàn)有的護(hù)岸帶結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行前置處理，加劇了河道的污染負(fù)荷。

因此，在兼顧穩(wěn)固性、生態(tài)性和景觀性的前提下，如何對(duì)現(xiàn)有的河道護(hù)岸形式進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，形成一種穩(wěn)固性好、生態(tài)性強(qiáng)、景觀效果良好并可防治河道兩岸面源徑流污染的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，是目前環(huán)境工程領(lǐng)域亟待解決的問題。

人工濕地是由各粒徑級(jí)配組合的人工基質(zhì)和布設(shè)于填料基質(zhì)上方種植土層的挺水植物及陸生植物組成，污水在基質(zhì)層的空隙結(jié)構(gòu)中通流，通過包括人工基質(zhì)多孔隙結(jié)構(gòu)的吸附作用﹑植物根系的吸收及同化作用、微生境中環(huán)境微生物的轉(zhuǎn)化作用等消解過流水體中的污染因子[1-3]。人工濕地技術(shù)通過人為調(diào)控作用，充分利用濕地植物、基質(zhì)及微生物的相互作用，以凈化水質(zhì)為主要目標(biāo)，同時(shí)兼顧維護(hù)生物多樣性和美化景觀的作用[4-5]。目前人工濕地技術(shù)在流域水污染治理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的人工濕地的基質(zhì)填料層由于其固定的空隙組合形式，在運(yùn)行中后期會(huì)出現(xiàn)因細(xì)粒物質(zhì)的沉積而發(fā)生堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致濕地系統(tǒng)的通水性能降低，進(jìn)而影響濕地污染物質(zhì)的凈化效果，最終致使?jié)竦氐氖褂脡勖诮档?。濕地堵塞的過程實(shí)質(zhì)上是有效孔隙率降低的過程[6]。

筆者利用小型自然造孔水平潛流人工濕地及集水沉淀槽為主要結(jié)構(gòu)，采用兩級(jí)階梯型布置形式，同時(shí)輔以相應(yīng)的景觀挺水植物、礦物石料，對(duì)江蘇省南京市秦淮河流域某村鎮(zhèn)的生活污水進(jìn)行處理研究。

1 材料與方法

1.1 濕地結(jié)構(gòu)

階梯型導(dǎo)流生態(tài)擋墻由布設(shè)于底基層的集水溝及兩級(jí)梯形水平潛流濕地組成，梯形水平潛流濕地由挺水植物層、礦物石料層、種植土層、植物秸稈層1、粗砂層、植物秸稈層2組成。其中，集水溝的底基層為火山灰石和斜發(fā)沸石，集水溝深度為0.6 m，底基層厚度為集水溝深度的1/4，集水溝的邊坡坡度為1∶3，底寬為0.4 m;梯形水平潛流濕地的邊坡坡度為1∶2，頂部寬度為0.5 m，兩級(jí)高差為0.6 m;挺水植物為蘆葦;礦物石料層為石灰石，鋪設(shè)厚度為3 cm;植物秸稈層1及植物秸稈層2分別為玉米秸稈和油菜秸稈，鋪設(shè)密度為0.4 kg/m2。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 運(yùn)行條件

試驗(yàn)在室外條件下原位進(jìn)行，系統(tǒng)進(jìn)水為某村鎮(zhèn)的直排生活污水。系統(tǒng)于2017年6月25日開始運(yùn)行，并測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，測(cè)試時(shí)間80 d，采樣頻率10 d/次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)出水的COD Cr、氨氮（NH 4+-N）、總磷（TP）及固體懸浮物（SS）濃度。水質(zhì)指標(biāo)的分析方法采用生態(tài)環(huán)境部的標(biāo)準(zhǔn)分析方法[7]：COD Cr采用重鉻酸鹽法測(cè)定;NH 4+-N濃度采用納氏試劑法測(cè)定;TP濃度采用分光光度法測(cè)定;SS濃度采用稱量法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD Cr的去除效果分析

階梯型導(dǎo)流生態(tài)擋墻系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除主要集中在2個(gè)方面：①污水中的懸浮態(tài)不可溶解有機(jī)物在濕地導(dǎo)流系統(tǒng)過流過程中通過自重形成的物理沉降、人工填料組合的過濾及水生植物根系的截留等作用保留下來，此后通過系統(tǒng)中的環(huán)境微生物及其原生動(dòng)物的生存活動(dòng)加以利用消解;②污水中的可溶解性有機(jī)物通過人工填料表面形成的微生物膜由外到內(nèi)的好氧及厭氧的組合代謝作用得以消解。

由圖2可知，COD Cr在階梯型導(dǎo)流生態(tài)擋墻系統(tǒng)運(yùn)行的初期去除率低于50%，去除率較低，其原因主要是運(yùn)行初期COD Cr的去除主要為不可溶解有機(jī)物通過自重形成的物理沉降、人工填料組合的過濾及水生植物根系的截留等作用而保留在系統(tǒng)內(nèi)部。在階梯型導(dǎo)流生態(tài)擋墻系統(tǒng)運(yùn)行的中后期，隨著人工填料基質(zhì)表面微生物膜的形成，系統(tǒng)內(nèi)微生物顯示出良好的活性，形成了高反應(yīng)效率的微生物反應(yīng)綜合體，可溶解性有機(jī)物通過人工填料表面形成的微生物膜的厭氧、好氧的綜合代謝消解作用得以降解。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的COD Cr去除率在70%以上，處理效果良好，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)情況。

2.2 NH 4+-N的去除效果分析

進(jìn)水中的氮包括有機(jī)氮和無機(jī)氮（NH 4-N和NO 3-N）2種形式。其中，有機(jī)氮通過異養(yǎng)微生物的作用轉(zhuǎn)化為氨氮（NH 4-N）[8]。對(duì)無機(jī)氮污染因子的去除主要集中在2個(gè)方面：①水生植物通過生長(zhǎng)過程中的吸收作用將無機(jī)氮合成為生長(zhǎng)所必需的蛋白質(zhì)，加以吸收利用;②填料介質(zhì)通過其表面形成的微生物膜及系統(tǒng)中的微生物群產(chǎn)生的硝化及反硝化反應(yīng)去除。在遠(yuǎn)離植物根系的周圍區(qū)域由于低溶氧而形成的厭氧環(huán)境為反硝化作用提供了反應(yīng)邊界，靠近植物根系的周圍區(qū)域由于根系傳輸氧作用為硝化反應(yīng)提供了反應(yīng)邊界，使系統(tǒng)具備同步硝化、反硝化的能力。

由圖3可知，系統(tǒng)進(jìn)水中的NH 4+-N濃度波動(dòng)較大，進(jìn)水的NH 4+-N濃度為30.98～51.38 mg/L，但系統(tǒng)的去除效果受NH 4+-N濃度波動(dòng)的影響較小，去除率穩(wěn)定性好，尤其在系統(tǒng)運(yùn)行50 d后系統(tǒng)出水NH 4+-N濃度均低于11 mg/L，NH 4+-N的平均去除率為55.94%。

2.3 TP的去除效果分析

污水中磷的存在形態(tài)取決于磷的類型，主要有磷酸鹽（包括PO 43-、HPO 42-、H 2PO 4-）、聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽等[9]。系統(tǒng)對(duì)污水中磷元素的去除主要是通過植物根系的生長(zhǎng)吸收作用、人工填料介質(zhì)表面形成的微生物膜的降解作用以及填料空隙結(jié)構(gòu)的吸附作用等途徑完成。部分無機(jī)磷在水生植物的生長(zhǎng)吸收和同化作用下，被合成為自身機(jī)體的有效組分，后期通過水生植物的定期維護(hù)管理處理而去除;部分無機(jī)磷則通過人工填料介質(zhì)內(nèi)部的多孔隙結(jié)構(gòu)的吸附及與自身所含的Ca2+、Fe3+反應(yīng)形成不溶于水的沉積物而去除。系統(tǒng)中水生植物根系的輸氧作用及結(jié)構(gòu)本身的自由落水差形成的復(fù)氧作用，使系統(tǒng)內(nèi)形成循環(huán)的好氧、缺氧和厭氧綜合態(tài)，歷經(jīng)厭氧條件下的釋磷及好氧條件下的攝磷（過量攝磷）的循環(huán)往復(fù)作用，從而達(dá)到對(duì)磷的有效去除作用[10]。

由圖4可知，系統(tǒng)進(jìn)水中的TP濃度存在一定的波動(dòng)性，進(jìn)水的TP濃度為1.76～2.25 mg/L，系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果受TP濃度波動(dòng)的影響較小，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，TP去除率逐漸增加，尤其在系統(tǒng)運(yùn)行40 d后TP的去除率在70%以上，TP的平均去除率為60.43%。

2.4 SS的去除效果分析

污水中懸浮物質(zhì)通過系統(tǒng)人工填料結(jié)構(gòu)的過濾截留及底基層集水溝的沉淀作用得以去除。

由圖5可知，系統(tǒng)進(jìn)水中的SS濃度波動(dòng)較大，進(jìn)水的SS濃度為28.6～51.4 mg/L，系統(tǒng)對(duì)SS的去除效果不受進(jìn)水SS濃度波動(dòng)的影響，一直保持較高的去除率，SS的平均去除率為77.59%。

3 結(jié)論

（1）系統(tǒng)通過鋪設(shè)的植物死根、生長(zhǎng)的植物活根、填料層及表面鋪設(shè)的石灰石，形成了集植物吸收、微生物降解、物理吸附等于一體的綜合反應(yīng)區(qū)，對(duì)污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有良好的去除效果，且隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，去除率呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)并趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。

（2）兩級(jí)梯形的構(gòu)造形式形成了天然的過流水體跌落差，對(duì)入河污染水體起到天然跌水曝氣的效果，使入河水體復(fù)氧，同時(shí)保證了系統(tǒng)的污染物去除效果。

（3）系統(tǒng)前期通過植物莖體的內(nèi)部腐敗及填料的天然孔隙形成過流通道，達(dá)到對(duì)徑流水體的凈化處理效果;后期頂部挺水植物自然根系的生長(zhǎng)，形成對(duì)濕地過流區(qū)的自然更替，進(jìn)一步避免了系統(tǒng)過流的堵塞問題。

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