不同類型人工濕地對(duì)污染物的去除效果

徐 磊，戴惠東，彭劍峰，3，原璐彬，張 堅(jiān)，周姣艷

（1.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215000；2.昆山市水務(wù)水文調(diào)度中心，江蘇 蘇州 215300；3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

人工濕地主要利用填料、植物、微生物三者的協(xié)同作用對(duì)污水進(jìn)行物理、化學(xué)、生物處理，以達(dá)到水質(zhì)凈化效果。國(guó)內(nèi)外針對(duì)某單一人工濕地研究較多［1-7］，在中試規(guī)模下，不同類型人工濕地對(duì)不同質(zhì)量濃度污染物去除效果研究較少。

本研究著重探討不同類型人工濕地在不同條件下對(duì)水中氮磷污染物的消納能力，以期為城市污水人工濕地設(shè)計(jì)及管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 濕地工程簡(jiǎn)介

研究受試于昆山市水環(huán)境治理研究基地中構(gòu)建的人工濕地中試系統(tǒng)，包含5種人工濕地，分別為垂直潛流濕地、潮汐流濕地、自然河道濕地、復(fù)合濕地、表流濕地。各濕地尺寸結(jié)構(gòu)均為12.0 m×4.0 m×1.8 m，濕地結(jié)構(gòu)見圖1，濕地中填料均為1～3 cm礫石，根據(jù)濕地類型選擇所加填料深度。

圖1 人工濕地

1.2 濕地運(yùn)行參數(shù)及植物選型

植物是濕地凈化中的核心要素，人工濕地植物選型需要綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂?、景觀效果、處理效果、耐污能力等因素［8］。不同植物適用于不同污水處理，郝明旭等［9］研究表明風(fēng)車草（Cyperus alternifolius）對(duì)豬場(chǎng)廢水具有較強(qiáng)的耐受性及凈化能力，長(zhǎng)苞香蒲（Typha domingensis）對(duì)高重金屬、高電導(dǎo)率、高pH的工業(yè)污水具有較好的凈化效果［10］。人工濕地植物選擇要做到因地制宜，本研究中受試植物選擇結(jié)合昆山市當(dāng)?shù)刂参镔Y源及水土氣候條件，以鳶尾（Iris wilsonii）、菖蒲（Acorus gramineus var.pusillus）、睡蓮（Nymphaeaalba tetragona）、輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）、再力花（Hardy canna）、風(fēng)車草、美人蕉（Canna indica）為受試植物，各濕地運(yùn)行參數(shù)見表1所示。

表1 各濕地運(yùn)行參數(shù)

1.3 加藥質(zhì)量濃度配置

研究通過加入葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、NaNO3調(diào)節(jié)進(jìn)水COD、PO34+、NH+4-N、NO3-N質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)總共分為4個(gè)階段，表2所示為各階段指標(biāo)進(jìn)水質(zhì)量濃度。

表2 各階段人工濕地配水質(zhì)量濃度 單位：mg/L

1.4 檢測(cè)指標(biāo)及方法

對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定后的進(jìn)出水水樣進(jìn)行采樣分析（n=6），指標(biāo)、分析儀器及方法如表3所示。

表3 水質(zhì)分析方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistic中的t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)進(jìn)出水的差異性，當(dāng)P<0.05即可認(rèn)為差異顯著，運(yùn)用Origin軟件制作箱圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 垂直潛流濕地對(duì)污染物的削減效果

進(jìn)水COD質(zhì)量濃度由Ⅰ階段的（28.67±6.41）mg/L增至Ⅳ階段的（78.80±23.70）mg/L，而出水COD均能保持低于30 mg/L，優(yōu)于國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的準(zhǔn)Ⅳ類水。該結(jié)果表明，垂直潛流濕地有良好的COD處理能力，且隨著污水中COD質(zhì)量濃度的提高，植物對(duì)其的消納量逐漸增加。同時(shí)，NO-3-N質(zhì)量濃度亦顯著降低（P<0.001），其平均去除率約為60%。由于人工濕地底部較深，當(dāng)污水流至底部時(shí)DO質(zhì)量濃度低，長(zhǎng)期馴化后，可形成反硝化區(qū)間，消耗其中NO-3-N污染物。該結(jié)果與湯顯強(qiáng)等［11］在對(duì)間歇曝氣垂直潛流濕地氮磷去除研究中表明的厭氧環(huán)境利于NO-3-N的去除的結(jié)論相一致。當(dāng)NH+4-N質(zhì)量濃度大于（16.12±2.17）mg/L時(shí)，濕地處理效率呈下降趨勢(shì)。然而，對(duì)于PO34-而言，當(dāng)進(jìn)水質(zhì)量濃度為（0.39±0.19）mg/L時(shí)，去除率僅為（12.37±36.20）%，去除效果不明顯。但當(dāng)進(jìn)水質(zhì)量濃度達(dá)到（1.00±0.24）mg/L時(shí)，去除率可達(dá)（70.90±1.98）%。由此可知，當(dāng)PO34-質(zhì)量濃度低于0.3 mg/L時(shí)，其處理效率較低，隨著進(jìn)水PO34-質(zhì)量濃度的增加，處理效率越高，詳見圖2。

圖2 垂直潛流濕地各階段

聶志丹等［12］在對(duì)3種不同類型人工濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究中發(fā)現(xiàn)，垂直潛流濕地對(duì)氮磷處理效率明顯優(yōu)于表面流與潛流人工濕地，該研究中NH+4-N與TP去除率分別為33.2%與52.8%。明顯低于本研究中的處理效率，這可能是由于池體設(shè)計(jì)及所種植的植物差異所引起的。

2.2 潮汐流濕地對(duì)污染物的削減效果

當(dāng)COD進(jìn)水質(zhì)量濃度為（41.83±19.14）mg/L時(shí)，該人工濕地對(duì)COD表現(xiàn)出良好的去除效果。但當(dāng)進(jìn)水質(zhì)量濃度為（79.80±12.26）mg/L（第Ⅳ階段）時(shí)，出水質(zhì)量濃度達(dá)到（23.00±3.32）mg/L，雖優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的準(zhǔn)Ⅳ類水，但可推斷隨著進(jìn)水質(zhì)量濃度不斷增加，濕地達(dá)到納污極限，去除率下降。濕地對(duì)NO-3-N去除由進(jìn)水質(zhì)量濃度為（4.23±1.21）mg/L的（66.31±7.19）%降至進(jìn)水質(zhì)量濃度為（9.27±2.59）mg/L的（54.79±22.23）%，表明潮汐流濕地對(duì)硝酸鹽的納污量在高濃度下受到抑制。

NH+4-N去除率先降低再升高。這可能是由于在濕地運(yùn)行中，通過接觸一段時(shí)間的污染物，植物和內(nèi)部微生得到馴化，在此階段中，濕地對(duì)該污染物的納污能力逐漸提高。濕地PO34-進(jìn)出水質(zhì)量濃度分別為（0.33±0.12）mg/L、（0.25±0.14）mg/L和（1.04±0.39）mg/L、（0.29±0.05）mg/L，出水均能達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，詳見圖3。

圖3 潮汐流濕地各階段

Li等［13］對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的潮汐流濕地氮磷去除影響研究中表明，當(dāng)總有機(jī)碳進(jìn)水負(fù)荷為10～700 g（/m2·d），NH+4-N進(jìn)水負(fù)荷為17 g（/m2·d）時(shí)，其去除率均能達(dá)到95%。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本中試研究結(jié)果，這是由于現(xiàn)場(chǎng)中試受外界多種環(huán)境因素影響，也難以將各方面因素控制至實(shí)驗(yàn)室水平。

2.3 自然河道濕地對(duì)污染物的削減效果

自然河道濕地對(duì)COD、NO-3-N、NH+4-N及PO34-的處理效率較低（圖4），如各階段COD處理效率僅為（32.74±15.90）%（Ⅰ）、（12.97±7.49）%（Ⅱ）、（69.04±11.10）%（Ⅲ）、（28.86±14.48）%（Ⅳ）。除第Ⅲ階段外，各階段出水COD均有大于30 mg/L的樣點(diǎn)存在。NH+4-N進(jìn)水質(zhì)量濃度為2～3 mg/L時(shí)，出水質(zhì)量濃度難以降至準(zhǔn)Ⅳ類水以下，且各指標(biāo)出水水質(zhì)不穩(wěn)定。

圖4 自然河道濕地各階段

2.4 復(fù)合濕地對(duì)污染物的削減效果

復(fù)合濕地各階段中污染物出水相對(duì)穩(wěn)定。COD去除率如圖5所示。除第Ⅱ階段表現(xiàn)出與上述相同趨勢(shì)外，當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度增加至（85.80±12.44）mg/L，并未出現(xiàn)去除率降低的現(xiàn)象。表明在此狀態(tài)下，其對(duì)COD未達(dá)至納污極限。NO-3-N進(jìn)水由第Ⅰ階段的（4.86±1.38）mg/L增至Ⅱ階段的（9.57±3.86）mg/L，分別去除了（79.35±13.77）%與（72.31±15.46）%，均有較高的去除效果。復(fù)合濕地對(duì)NH+4-N有穩(wěn)定高效的去除效果，隨質(zhì)量濃度由低到高去除率分別為（76.91±23.87）%，（49.79±19.48）%，（68.89±16.10）%，（55.19±7.96）%，表明復(fù)合濕地對(duì)低質(zhì)量濃度NH+4-N水體亦有較好的處理效果，針對(duì)高質(zhì)量濃度含NH+4-N水體處理效果也能達(dá)到50%以上。并且，復(fù)合濕地對(duì)PO34-的去除由第Ⅲ階段的（32.01±21.39）%增至第Ⅳ階段的（63.68±6.37）%（圖5d），且出水質(zhì)量濃度均能達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)果表明復(fù)合濕地各指標(biāo)均能達(dá)到穩(wěn)定出水，且處理效率較高，生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

圖5 復(fù)合濕地各階段

余俊霞等［14］以表流-潛流-沉水植物塘的串聯(lián)式人工濕地為研究對(duì)象，當(dāng)復(fù)合濕地水力負(fù)荷在0.12～0.24 m3（/m2·d）時(shí)，出水水質(zhì)均能達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH+4-N的去除效果在36.94%～74.68%，與本研究結(jié)果大致相同。

2.5 表流濕地對(duì)各污染物的削減效果

如圖6所示，表流人工濕地對(duì)高質(zhì)量濃度COD、NH+4-N及PO34-有去除效果顯著，其去除率分別為（63.44±10.85）%，（42.33±9.61）%，（35.15±7.69）%。對(duì)PO34-去除效果不佳，對(duì)高質(zhì)量濃度COD有良好的去除效果。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的COD去除率僅為（36.51±22.58）%，（26.99±10.02）%，（30.20±14.44）%。反之，NH+4-N除在第Ⅱ階段外，各階段均保持良好去除率。表明在本研究中，以礫石為填料，以再力花、美人蕉、鳶尾為所培植物的表面流人工濕地在NH+4-N處理方面效果較好。

圖6 表流濕地各階段

李楊克等［15］對(duì)昆山市濱河城市廣場(chǎng)一表面流人工濕地進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)停留時(shí)間為15 h時(shí)，NH+4-N和TP去除效率為38.4%和35.6%，TP去除與本研究高質(zhì)量濃度磷去除效果相當(dāng)，而NH+4-N平均去除率卻較本研究低。

3 結(jié)論

本研究通過現(xiàn)場(chǎng)中試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同類型濕地對(duì)不同質(zhì)量濃度污染物去除率大多呈現(xiàn)出隨污染物濃度的增加先有略微降低再升高，最后達(dá)到納污飽和而降低的趨勢(shì)。經(jīng)綜合評(píng)估，本研究中各濕地對(duì)污染物削減能力強(qiáng)弱如下：復(fù)合濕地>垂直潛流濕地≈潮汐流濕地>表流濕地>自然仿真河道濕地。復(fù)合濕地對(duì)各污染物的去除效果穩(wěn)定高效，其對(duì)各指標(biāo)去除效率均能達(dá)到60%以上。另外，復(fù)合濕地具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷能力，能有效應(yīng)對(duì)各污染物變化帶來(lái)的沖擊。