复合垂直潜流人工湿地处理低温生活污水的研究

赵雪锋，王 欣

（1.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京100084；2.清华大学环境学院，北京100084）

0 引 言

垂直潜流人工湿地（Vertical Subsurface Flow Constructed Wetland，VSSFCW）以过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化，实现对N、P及CODcr等污染物的去除［1－3］。

由于氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统，垂直潜流人工湿地其内部充氧更为充分，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行，氮、磷去除效果较好［4－6］。许多学者一直以来对湿地类型、基质种类、基质粒径和组配、植物种类及搭配进行了大量的研究。

人工湿地除污机理相当复杂，很多化学过程与生物化学过程至今尚未完全弄清或存在不同观点，运行和管理还需要进一步研究。本研究选择复合垂直潜流人工湿地（Hybrid Vertical Subsurface Flow Constructed Wetland）处理工艺，研究低温条件下COD、NH3－N、TN和TP等水质指标在不同水力停留时间（Hydraulic retain Time，HRT）、水力负荷率（Hydraulicload Rate，HLR）和回流比R及温度等控制参数下的去除规律，寻求组合工艺处理低浓度生活污水的最佳处理方案。

1 实验材料与方法

1.1 实验水样

本实验水样采取于北方某农村集中住宅区污水处理厂进水口，水质指标见表1。该污水的年水温为12.5～24.0℃，实验水温为12.6～14.9℃，平均水温为13.5℃，属低温废水。

本试验主要测定项目包括COD、NH3－N、TN、TP等。按照 《水和废水监测分析方法》（第四版）中提供的方法进行监测。

1.2 工艺设备与运行条件

本研究采用复合垂直潜流人工湿地工艺进行污水的处理。垂直潜流人工湿地可以分为垂直上行潜流人工湿地和垂直下行潜流人工湿地，两者主要是水流方向不同。垂直下行潜流人工湿地中污水从湿地表面纵向流至填料床的底部，其出水装置一般设在湿地底部，床体处于不饱和状态，污水直接与基质接触，氧可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统。

实验用工艺装置由连续交替的垂直下流／垂直上流处理单元串联组合而成，共分为5个单元，每单元2格，每个尺寸为4.0m×2.0m×2.0m。水流以上下折流方式通过湿地，在上向流的距离池底0.2m及下向流0.4m处分别设置取样管。填料采用Φ（10～30）mm市售陶粒。由前至后粒径逐级减小，顶部栽种芦苇，设计过流断面水力负荷率为17.5m3／（m2·d），有机负荷为0.23kg BOD5／（m2·d）。

湿地内植被选择芦苇，它是一种较好的湿地处理植物。实验中芦苇种植密度为30株／m2，污水通过潜流湿地后部分污水进行回流，再次进行湿地处理。启动时设定水力停留时间为72h，水力负荷率为0.5m3／（m2·d）。湿地基质挂膜采用连续进水和水位控制的方式进行。

垂直潜流人工湿地示意图见图1。

表1 废水水质指标Table 1 Characterization of wastewater studied

图1 垂直潜流人工湿地示意图Fig.1 Schematic diagram of SSFCW

2 运行条件对污水处理效果的影响

为获得较为合适的运行条件，研究人工湿地系统低温条件下COD、NH3－N、TN和TP等水质指标在不同水力停留时间、水力负荷率、回流比和温度等控制参数下的去除规律。

2.1 HRT对废水处理效果的影响

HRT对人工湿地系统的处理效果影响密切。停留时间短生化反应不充分，污染物降解的不够彻底，处理效果不好；停留时间过长，污水在系统内停滞会造成厌氧区的形成，影响处理效果，同时会滋生蚊虫影响环境卫生。本研究在污水低温条件下（平均13.5℃），进行不同水力停留时间24、36、48、60、72、96、120和144h的运行，分析在不同运行条件下湿地的COD、NH3－N、TN和TP的去除效果。水力负荷为1m3／（m2·d），无回流，进水水质指标COD、NH3－N、TN和TP平均分别为315.5、55.5、71.2和4.81mg／L，运行时间为60d。

由图2可见，污染物随着水力停留时间的延长，去除率逐渐升高，在HRT＝72h达到较高的稳定去除率，HRT＝96h达到峰值，此后仅COD有缓慢增长的趋势，NH3－N、TN及TP污染物去除率均出现不同程度下降，因此确定最佳HRT宜为（72～96）h。

图2 HRT对污水处理效果的影响Fig.2 Effect of HRT to wastewater treatment rate

COD在给定水力停留时间内，去除率随时间的增长而逐渐上升，在HRT＝72h去除率达到73.3%，当HRT＝144h，去除率提高到74.1%；同样说明停留时间过长时，系统会进入厌氧状态，并且微生物活性降低，导致COD去除率降低，因此COD的去除效果出现缓慢增长的状态。对NH3－N和TN而言，去除效果随水力停留时间增长有减弱的规律。当水力停留时间＜96h时，去除效果随时间而增长，当水力停留时间＞96h后，去除率呈现较为明显的下降趋势，说明停留时间过长导致的厌氧状态严重抑制了硝化作用。TP与TN有相似的去除规律，在HRT＝72h已达到最佳去除率，随着HRT增加，去除率开始下降，说明基质的吸附和络合是磷素去除的主要途径。当HRT过大，系统进入厌氧状态，嗜磷菌开始厌氧释磷，而停留时间延长期间植物吸收数量有限，导致磷去除率下降。

2.2 HLR对污水处理效果的影响

HLR同样对湿地处理系统的处理效果产生重要影响。目前常用的HLR采用湿地表面负荷计算，即为单位时间内流量与表面积之商。在湿地深度不同时会造成容积负荷不一致［7］。本研究将低温条件（平均13.5℃）的湿地在HLR＝（0.5～4）m3／（m2·d）时进行，HRT＝72h，无回流。进水水质指标COD、NH3－N、TN和TP平均分别为305.4、50.5、73.8.2和4.72mg／L，运行时间为15d。通过长时间运行以获得HLR与污染物降解的规律。

从图3中可以看出，COD随HLR的提高而逐渐降低，呈现一种近似线性的降解规律。NH3－N、TN和TP随HLR的提高去除率先提高而后降低，NH3－N和TP在HLR＝1.0m3／（m2·d）时去除率最高，分别为30.4%和60.7%。TN在HLR＝1.5m3／（m2·d）时去除率达到峰值，为28.2%。

图3 HLR对污水处理效果的影响Fig.3 Effect of HLR to wastewater treatment rate

人工湿地处理的核心是系统内部的微生物。随污水进入湿地系统的大部分有机物首先被基质和根系表面的生物膜吸附，然后通过一系列生化作用被微生物降解。在较高水力负荷时，污水带入有机物量的速度超过生物膜降解速度，去除率呈现下降趋势。因此COD去除率随着水力负荷的升高而降低。对NH3－N和TN而言，若水力负荷过低，会导致系统进入厌氧状态而抑制硝化作用，导致NH3－N和TN去除率下降，因此在较低水力负荷条件下，去除率与水力负荷呈正比，在水力负荷超过临界水平时，水力停留时间短于硝化菌的世代时间，抑制了硝化菌的生长繁殖，导致NH3－N和TN去除率下降。TP去除变化规律与NH3－N类似，湿地系统中的磷主要靠基质吸附、微生物及植物吸收，以基质吸附为主。水力负荷过低，导致系统进入厌氧状态后也出现磷的释放导致去除率下降，水力负荷过大造成对基质强烈的冲刷，导致物理吸附的磷素被污水带出系统，造成去除率下降。

2.3 回流比对污水处理效果的影响

研究表明，污水回流可以显著提高湿地对有机物、氨氮及总氮的去除率［8－9］。水力条件是影响湿地处理效果的重要因素，污水回流会导致HRT、HLR等水力条件改变，对湿地处理效果会产生较大的影响。

本研究在低温条件下 （平均13.5℃）增加污水回流，并通过改变回流比R的值，按照0.0，0.5，1.0，1.5，2.0的规律变化，研究不同回流比的污水去除效率。运行条件为水力停留时间为72h，水力负荷为1m3／（m2·d）。进水水质指标COD、NH3－N、TN和TP平均分别为372.5，52.3，75.2和4.93mg／L，运行时间为20d。

研究发现回流比对TP去除率影响较小，对COD、NH3－N及TN去除率影响较大，在R＝1时均达到最高去除率，若回流比继续增大，则去除率开始下降。由于进行污水回流会增大水力负荷，缩短水力停留时间，但可以提高容积负荷率和污染物与基质及生物膜的接触时间；过大的水力负荷和较短的停留时间都会导致去除率的下降，容积负荷率的提高使SS和TP的去除主要依靠物理作用，上述作用对其去除率的提高幅度较小。

由图4可见，当回流比R＝1时COD去除率达到最高，由无回流的73.3%提高到88.7%。有机物降解需要有充足的溶解氧来满足生化反应过程，出水回流有助于水体中氧气的扩展和溶解，提高了污水中的氧气含量，为降解过程提供充足的氧气。同时，回流水体中还有部分活性微生物，可进一步提高水体中的MLSS。但是回流比过大会连带HLR增加反而抑制去除效率的进一步提高，同时，由微生物反应动力学和容积负荷率曲线可知，在容积负荷超过最大物料比后，污染物的降解从一级反应进入零级反应，保持恒定，若进一步增大容积负荷，会导致出水污染物浓度的提高，去除率降低。

图4 回流比R对污水处理效果的影响Fig.4 Effect of reflux rate to wastewater treatment rate

与COD的降解规律相同，出水回流可有效地提高对NH3－N与TN的去除率，而TP的去除效果没有明显变化。回流比R由0变化到1时，NH3－N去除率由22.3%提高到38.9%，TN去除率由21.4%提高到36.2%。常规生活污水硝态氮含量很低 （总氮的1%～5%），但当增加出水回流后，进水的硝态氮浓度明显升高，另一方面说明回流具有明显的复氧作用，氨氮硝化水平得到提高。同时回流可使未完全反应的氨氮与湿地微生物有更长的接触时间，有利于自养硝化菌的反应。随着回流比提高，水中DO浓度逐渐升高，硝化反应速率增加。由于出水回流影响到HLR和HRT等因素，在回流比达到合适水平后，若进一步增大，HLR及HRT等因素将会降低NH3－N与TN去除率。

2.4 温度对污水处理效果的影响

温度是湿地处理系统中最关键的自然控制因素。低温会导致湿地微生物活性降低，基质吸附容量下降和植物生长减缓或停止，因此无论是以物理作用、化学作用还是生物作用去除污染物均会受到不同程度影响。

研究不同水温的处理效果。低温 （平均13.5℃）进水水质指标COD、NH3－N、TN和TP平均分别为315.5，55.5，71.2和4.81mg／L，运行时间为15d。常温 （平均20℃）进水水质指标COD、NH3－N、TN和TP平均分别为365.4，58.6，70.2和4.66mg／L，运行15d。HRT均为72h，HLR均为1m3／（m2·d）。

由图5可见，温度对NH3－N和TN去除率的影响最大，TP次之，COD的影响最小；在HRT＝72h时，NH3－N、TN约下降15%～20%，COD去除率下降约5%，SS、TP下降约1%～3%。由此可见，该处理系统能有效地抵御温度的变化，保证污水的处理效果。

3 结 语

复合垂直潜流人工湿地通过上下的水体流动，有利于水体的富氧和氧气扩散，有利于好氧微生物的生长和硝化反应的进行，氮、磷去除效果较好。

1）为探讨潜流人工湿地的运行与管理，本文探讨了HRT和HLR对COD、NH3－N、TN和TP的去除效果。通过研究发现，当HRT为72～96h时，系统的水质处理效果达到最佳状态，各项水质指标的去除率较高，NH3－N和TN的去除率为37.6%和35.3%。当HLR为1.0m3／（m2· d）时，水质指标均能有较高的去除效果，COD和 TP的去除率分别为79.5%和66.7%。

2）污水回流可以显著提高湿地对有机物、氨氮及总氮的去除率。研究中发现回流比对TP去除率影响较小，对COD，NH3－N及TN去除率影响较大，在R＝1时达到最高去除率。

3）在该湿地系统运行时，温度对各项水质指标具有不同程度的影响。温度NH3－N和TN去除率影响最大，TP次之，COD的影响最小。

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