復(fù)合垂直流人工濕地污染物去除效率影響研究

摘要：為了探討不同水力條件和挺水植物布設(shè)方式對復(fù)合垂直流人工濕地污染物去除效率的影響，搭建人工濕地中試，采用單因素實驗法，研究不同條件下水體中有機物、氪、磷的凈化規(guī)律。結(jié)果表明：在表面積一定的前提下，進水流量較小、水深較深，脫氮除磷效果較好；有機物去除效率隨著水力停留時間的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。綜合工況條件復(fù)合垂直流人工濕地在進水流量為200 L／（m2·d），水力停留時間為72 h，水深為1.5m的條件時有機物、氨氮、總磷的去除效率可達到69.20%、73.68%、90.64%，出水水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2022）中III類水標(biāo)準(zhǔn)。該條件下，千屈菜和蘆葦?shù)姆N植布設(shè)方式采用10株／m2和6株／m2時去除效率較高。

關(guān)鍵詞：人工濕地；復(fù)合垂直流；水力條件；種植密度；去除效率

中圖分類號：X522 文獻標(biāo)志碼：A

前言

由于城市河道水環(huán)境存在形態(tài)單一、水資源匱乏、水質(zhì)凈化措施不力等問題，需綜合考慮物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用提升水生態(tài)品質(zhì)，改善水環(huán)境，恢復(fù)河道水體生態(tài)功能。常用的處理方法有補給水源，完善污水收集管網(wǎng)，營造水下森林、人工濕地，修建增氧設(shè)施等。其中人工濕地具有投資能耗低，運行維護簡單，河道水體感官品質(zhì)改善，便于永生生物生長和鳥類棲息的優(yōu)點，但同時存在著占地面積大、長期運行易發(fā)生填料堵塞的問題。

近年來，中國對潛流濕地污染物去除效率影響因素進行了研究。在水力因素方面，水流增大對模塊化潛流濕地的污染物去除有削弱作用。在植物種植因素方面：采用單一植物種植時，種植密度同化學(xué)需氧量和總磷的去除效率成正相關(guān)，與總磷的相關(guān)性不明顯，采用挺水+浮水+沉水的組合方式時，化學(xué)需氧量、氨氮、總磷的去除效率均在70%以上。盡管已對潛流濕地的水力條件和種植密度展開了研究，但是對下行／上行復(fù)合垂直流人工濕地去除效率影響因素的研究較少，因此搭建下行／上行復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)，研究水力條件和植物種植密度對復(fù)合垂直流人工濕地水質(zhì)凈化的影響，以期細化復(fù)合垂直流入工濕地的實際應(yīng)用場景，為河道水體治理技術(shù)的選擇提供參考。

1材料與方法

1.1進水水質(zhì)

采用夏季河北南部地區(qū)唐河河水作為復(fù)合垂直流人工濕地的進水，以化學(xué)需氧量（COD）濃度表征水體中有機物含量，以氨氮（NH3-N）濃度表征水體中氮含量，以總磷（TP）濃度表征水體中磷含量，四次采樣后測得的平均水質(zhì)見表1。

1.2復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)

1. 2.1實驗裝置

實驗為期6個月，在室內(nèi)進行，環(huán)境條件為：相對濕度63%，溫度23℃。復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)設(shè)備長2.4 m、寬1.0 m、高2.0m，材質(zhì)為防腐處理過的碳鋼，其中主體部分長1.8 m，中間設(shè)置隔板，分下行流和上行流兩個單元；進水水箱和出水水箱均長0.3 m。系統(tǒng)內(nèi)部可細分為前端進水（進水水箱）、主體復(fù)合下行流／上行流曝氣處理、末端排水（出水水箱）三部分。主體部分填料上行流單元自上而下分別為細沙層（2-3 mm）、卵石層（40-80 mm）、碎石層（20-30 mm）、礫石層（10 mm），下行流單元自上而下分別為細沙層、礫石層、碎石層、卵石層，每層厚度30 cm，填料主要成分二氧化硅（SiO2）。在填料的上部設(shè)有曝氣裝置，下部設(shè)有反沖洗裝置。進水水箱內(nèi)的存水通過提升泵提升和轉(zhuǎn)子流量計控制后從上端進人主體的下行流處理單元，再從下端進人上行流處理單元，最終從上端經(jīng)提升泵進人排水水箱，內(nèi)部設(shè)有曝氣裝置。打開排水口閥門取水樣，測定COD、NH3-N、TP的濃度。復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)設(shè)備圖見圖1。

1.2.2水生植物選擇

常用的水生植物包括挺水植物、沉水植物和浮水植物。挺水植物作為構(gòu)建人工濕地的主要植物，具有吸收同化、攔截過濾污染物的作用，生命周期較長，儲存的氮、磷含量穩(wěn)定，能通過定期收割植物去除水體中的氮、磷。有研究表明雨久花、千屈菜、澤瀉三種挺水植物中千屈菜的凈化效果最好，其TP、TN、NH3-N、COD的去除率具體為92.0%、97.6%、99.3%、84.3%，其次為澤瀉，再次為雨久花；而蘆葦對TP、TN、COD的去除率綜合效應(yīng)值均較高且穩(wěn)定。因此研究選取千屈菜和蘆葦作為復(fù)合垂直流人工濕地的種植植物。

1.3實驗及分析方法

1.3.1實驗方法

（1）單因素試驗法：選用蘆葦作為人工濕地種植植物，種植密度為16株/m2，選取進水流量、水力停留時間、水深3個因素進行單因素實驗，每個因素選取6個水平。進水流量選取100 L/h、200 L/h、300 L/h、400 L/h、500 L/h、600 L/h，水力停留時間選取12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h，水深選取0.25 m、0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m，每組實驗設(shè)置3個平行。以COD、NH3-N、IP作為確定水體污染物去除率的考查指標(biāo)。

（2）在去除效率最優(yōu)的進水流量、水深和水力停留時間工況下，選取千屈菜／蘆葦組合作為人工濕地植物進行種植，選取6個水平，千屈菜／蘆葦?shù)牟荚O(shè)方式分別為0株/m2和16株/m2、4株/m2和12株/m2，6株/m2和10株/m2，8株/m2和8株/m2，10株/m2和6株/m2，12株/m2和4株/m2，每組實驗重復(fù)3次，取平均值。研究去除效率最優(yōu)的水生植物種植布設(shè)方式。

1.3.2分析方法

在實驗裝置的出水處取樣100 mL，水質(zhì)檢測指標(biāo)為COD、NH3-N、TP。COD采用重鉻酸鉀快速消解一光度法測定，參照《COD光度法快速測定儀技術(shù)要求及檢測方法》（HJ 924-2017）；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，參照《水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法》（HJ 535-2009）；TP采用流動注射-鉬酸銨分光光度法測定，參照《水質(zhì)總磷的測定流動注射-鉬酸銨分光光度法》（HJ 545-2017）。采用SPSS 22.0對實驗結(jié)果進行方差分析，Origin 2022進行數(shù)據(jù)作圖分析。

2結(jié)果與討論

2.1不同水力條件下的去除效率

2.1.1進水流量對污染物去除效率的影響

在水力停留時間12小時，水深1.00m，布設(shè)方式為蘆葦16株/m2時，污染物的去除效率呈現(xiàn)有機物gt;氨氮gt;總磷的規(guī)律，原因是：實驗所用的進水為微污染的河道水，p（COD）的進水濃度范圍為29-36 mg/L-1，有機物的濃度偏低且主要成分為不溶性有機物，便于經(jīng)過下行／上行兩道填料層過濾后去除，而氮磷的去處主要依靠植物和其他生物的吸收，而水體中有機物的含量偏低對氮磷的去除也易產(chǎn)生不利影響。隨著流量的增大，污染物去除效率隨著流量的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在流量為200 L/h-300 L/h時，去除效率較高，原因在于同一水深和水力停留時間的條件下，進水流量較少時，濕地植物對氮和磷的吸收、轉(zhuǎn)化更充分，但進水流量為100 L/h時，濕地進水量偏少，本身實驗裝置的蓄水量為0.8 m3左右，需進水6個小時后，蓄滿水、關(guān)停進水泵，因此前期水面低于植物根系，導(dǎo)致植物的吸收能力偏低。進水流量。同時，不同進水流量下化學(xué)需氧量的出水濃度沒有顯著性差異，因此各指標(biāo)以出水濃度的平均值作為代表是可行的，方差分析見表2。

2.1.2水力停留時間對污染物去除效率的影響

從圖2（水力停留時間）中可以看出，在進水流量200 L/h，水深1.00 m，布設(shè)方式為蘆葦16株/m2時，水體中的COD、TP和NH3-N的去除效率隨著停留時間的增長，呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。由于延長水力停留時間可促進植物根際好氧微生物的生長，進而提高代謝污染物的能力，但是延長到一定時間后，由于好氧微生物的降解作用趨于平穩(wěn)，污染物的去處效率不再提高，也有研究表明在冬季低溫條件下，采用冰下低水位運行，人工濕地仍能保持較好的污染物去除效率。

2.1.3水深對污染物去除效率的影響

在進水流量200 L/h，水力停留時間60 h，布設(shè)方式為蘆葦16株/m2時，水體中的有機物、氮和磷的去除和水深呈正相關(guān)。由于微生物菌落隨著水深加深，呈增加趨勢，增加的微生物有利于降解水中的各項污染物，其中對磷的降解更為明顯。一般情況是是水深加深，溫度和溶解氧的含量均降低，對微生物的活性有削弱的作用，但由于搭建的實驗裝置位于室內(nèi)，因此溫度受水深變化的影響較小，與室溫近似相等；且由于實驗裝置規(guī)模較小，設(shè)計的最深水深為2.0m，且底部有的反沖洗有一定的增氧功能，因此底部的溶解氧較表層含量差異較小。同時底部的填料為礫石層和卵石層，構(gòu)造較穩(wěn)定、質(zhì)地堅硬、抗機械撞擊性能強、表面光滑，生物膜易著床，也易排除死亡生物膜，不易堵塞，有利于降解水中的各項有機物。具體的數(shù)據(jù)見圖2。

2.2不同種植布設(shè)方式下的去除效率

由于有研究表明在水生植物組合種植時，TN、TP的去除率與種植密度先呈負相關(guān)，之后不無顯著差異的趨勢，因此試驗選取的種植密度為固定的16株/m2，但是組合種植的布設(shè)方式有所不同。

在進水流量200 L/h，水力停留時間60 h，水深1.50m時，選取千屈萊／蘆葦為0株/m2和16株/m2、4株/m2和12株/m2，6株/m2和10株／m2，8株/m2和8株/m2，10株/m2和6株/m2，12株/m2和4株/m2的種植布設(shè)方式下，10株／m2千屈菜和6株/m2蘆葦?shù)姆N植分布方式，對氮、磷的去除效果較好，不同的布設(shè)方式對去除有機物的影響較小。其中蘆葦是常見的濕地植物，由于蘆葦不僅具有1m左右的主根，而且還有0.3 m-0.5 m的次生根和不定根，還有斜上、斜下和橫向生長的根狀莖，較須根狀直根系的千屈菜根系更為發(fā)達，伴隨著蘆葦根系的不斷擴張，有氧區(qū)域增加，基質(zhì)中溶解氧濃度也隨之升高，有益于硝化過程的進行。因此蘆葦對硝氮具有較好的吸附能力，但是未經(jīng)處理的蘆葦桿初期會釋放氨氮、磷和有機質(zhì)，因此蘆葦種植布設(shè)較密（gt;10株／m2）時，水體中氮、磷的去除效率較低。具體數(shù)據(jù)見圖2。

3結(jié)論

通過對不同水力條件和不同種植布設(shè)方式下的垂直流人工濕地進行試驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析后得出以下結(jié)論：由于河道水體水質(zhì)較好，化學(xué)需氧量、氨氮、總磷的平均濃度分別為34 mg/L、1.71 mg/L、0. 38 mg/L，采用復(fù)合垂直流人工濕地提升水質(zhì)的難度較大，整體去除效率偏低；但在最優(yōu)水利條件和植物布設(shè)方式下，化學(xué)需氧量、氨氮、總磷的出水濃度為8 mg/L、0.14 mg/L、0.14 mg/L，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2022）中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；在人工濕地表面積一定的前提下，水越深，水體凈化效率越高。在去除效率最佳的水力條件下，即在進水流量200 L/h，水力停留時間60 h，水深1.50 m時，千屈菜和蘆葦?shù)姆N植布設(shè)方式采用10株/m2和6株/m2去除效率較高。