人工湿地深度处理生活污水的机理研究

谢卫平，王 欣

(1.宜兴环境监测站，江苏宜兴214206;2.清华大学 环境学院，北京100084)

人工湿地作为一种生态型污水处理技术，具有投资运行费用低、处理效果好、运行稳定等优点[1].按湿地结构形式可分为表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地等.相比之下，表面流人工湿地具有结构形式接近于天然湿地，管理方便、运行稳定、生态景观效果好等特点.因此，表面流人工湿地已经被广泛应用于河流、湖泊水质保持、面源污染控制、受污染水体修复等.

随着我国农村经济社会的发展，生活条件日趋改善，生活污水的产生量日渐加大，废水中N、P含量较高，排入受纳水体后会导致富营养问题[2].为进一步去除生活污水二级处理后水中所含的N、P等元素，本研究以人工湿地处理系统，采用不同的处理植物，探讨三类处理系统的净化效率和效果.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本试验装置为表面流人工湿地，水深为0.5 m，面积为25 m2，植物的种植密度为30株/m2.

选择处理植物时，要考察其耐污能力、去污效果、适合当地环境、根系、抗病虫害能力及景观效果等原则，通过前期静态水培试验筛选出3种相对条件较好的水生植物:香蒲、浮萍和芦苇，并将3种植物分别栽种于表面流人工湿地试验装置中(W1、W2、W3).

1.2 进水水质

实验用污水采取自某北方农村生活污水处理厂的二级生物处理后的污水，其水质指标如表1所示.

表1 进水水质

1.3 监测指标及方法

本试验主要测定项目包括SS、NH3—N、TN、TP等.按照《水和废水监测分析方法》(第4版)中提供的方法进行监测.

2 结果与分析

2.1 人工湿地运行效果

2.1.1 水力负荷的确定

针对进水为二级出水的湿地系统而言，在正常的设计条件下，不需要考虑污染物负荷的上限，但太高的水力负荷通常会导致处理系统出水效果变差，因此，水力负荷的上限是必须考虑的因素.表2列举了不同水力负荷条件下，人工湿地系统的去除率，可以看出当水力负荷为0.06 m3/(m2·d)以上时，出水水质急剧变差，因此适宜的水力负荷应该在0.06 m3/(m2·d)以下，本研究中的水力负荷取0.04 m3/(m2·d).

表2 不同水力负荷条件下的水质净化效率

2.1.2 综合运行效果

本试验期为8个月，期间气温在20～35℃之间.表3列出了水力负荷为0.04 m3/m2·d，停留时间为2 d时，3种人工湿地在7、8月份连续运行后的进出水平均质量浓度.

表3 3种湿地系统进出水平均质量浓度

2.2 BOD5去除效果分析

在表面流人工湿地系统中，有机污染物通过沉淀、过滤、吸附等作用截留在湿地中，然后被微生物降解去除.反应过程中主要氧源来自水面复氧和植物产氧.湿地系统中附着生长在植物表面的微生物对 BOD5的去除起到了重要的作用[3].Scholz等人[4]指出湿地系统拥有强大的去污功能主要基于两点原因:一是其内部存在着大量而丰富的微生物，二是具有较长的水力停留时间.三种植物人工湿地对 BOD5的净化都呈现出较好的效果，对BOD5的平均去除率分别为83.9%、82.6%和77.1%;BOD5月平均出水质量浓度如图1所示，可以看出，随着温度的升高，出水BOD5质量浓度逐渐降低，在7、8两月处理效果最好，3种植物人工湿地的平均出水质量浓度分别是 2.0、2.0、2.7 mg/L.

图1 3种湿地BOD5月平均出水质量浓度

2.3 氮的去除效果分析

表面流人工湿地中含氮化合物主要包括颗粒有机氮、溶解有机氮、氨态氮(NH4+—N、NH3—N)和硝态氮(NO3－、NO2－)[5].湿地系统中氮的去除途径包括氨挥发，硝化－反硝化，固氮，微生物和植物的吸收，氨化，厌氧氨氧化、吸附等[6]，发挥主要作用的是硝化－反硝化和植物的吸收.其中NH3—N的去除主要取决于污水中微生物量和含氧量，水生植物可通过根区向水中释放氧气，促进NH3—N的去除.另外温度也是影响去除率的重要因素，图2列举了3种湿地系统在不同温度下对NH3—N的平均去除率.可以看出随着温度的升高，湿地系统对NH3—N去除率逐渐升高.试验中，湿地系统对NH3—N的处理效果较好，7、8月份中NH3—N出水质量浓度的平均值在0.7～0.9 mg/L之间，NH3—N 的去除率分别为 80.4%、81.5%、74.2%.但对TN的去除效果并不理想，TN的平均出水质量浓度在7～10 mg/L之间，平均去除率分别为37.0%、50.6%和 36.2%.可能的原因是污水进入人工湿地后，有机氮、氨氮等也快速的转化为NO3－和NO2－等无机氮，有机污染物迅速被降解去除，导致反硝化时碳源不足，限制了NO3－向N2的转化，降低了TN的去除率.

图2 不同温度下3种湿地NH3—N的去除率

2.4 磷的去除效果分析

湿地中磷的存在形式为有机磷和无机磷两种，其中只有游离态的正磷酸盐是可以被水生植物和藻类可以直接利用的.湿地中磷的去除途径包括:吸附和沉降、植物和微生物的吸收及形成新的土壤或沉淀物等[7].Soto 等[8]证明植物量大的人工湿地系统对磷的去除要更好些，水生植物可去除17%左右的正磷酸盐和约10%的TP.但储存在植物体内的磷会随着植物的枯萎和死亡重新释放到水体中，所以必须及时的收获植物.湿地土壤对磷的去除也有着至关重要的作用，Dunne等[9]发现磷的吸附量与土壤中非结晶态的铁和氧化铝有显著的正相关性.水中的磷酸盐会与土壤间隙水中Ca2+、Fe3+、Al3+离子及其氧化物等反应，生成难溶物质，经过互相聚合或吸附在土壤颗粒上形成新的土壤[10].试验期间TP的去除率随温度的升高而提高，图3列举了不同温度下三种湿地对TP的去除率，温度由20℃升高到30℃，去除率提高了25%左右.7、8月份温度适宜，植物生长迅速，促进了湿地系统对TP的去除，三种湿地的平均去除率分别为 71.9%、72.2%和 69.7%.

图3 不同温度下3种湿地TP的去除率

2.5 表面流人工湿地动力学模拟方程

用于湿地的一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率之间的关系，模型的推导以基质的降解服从一级反应动力学为基础，常假设模型中的一些参数如速率常数等为常量，与水力负荷或进水质量浓度无关，以及湿地中的水流形态为稳定的柱塞流等.一级动力学模型通常的表达方式为:

其中:C0为系统进水质量浓度，mg/L;Ci为系统出水质量浓度，mg/L;k为面积速率常数，cm/d;q为系统水力负荷，cm/d.

上述的一级动力学模型中只包含一个参数k，在Eckenfelder模型中，如果污染物种存在不可生物降解部分，则需在方程中加入不可生物降解物质质量浓度项.在湿地中，即使没有不可生物降解的污染物，大气或地下水的贡献、化学作用以及生物地理化学循环也会产生背景质量浓度.于是Kadlec和Knight建议引入背景质量浓度，低于背景质量浓度的污染物不能被降解，并在一级反应动力学方程中加入背景质量浓度项C*[11]:

依据北美人工湿地数据库中用于三级处理的表流人工湿地的出水年平均质量浓度值可以看出，BOD5背景质量浓度在1.2～3.0 mg/L之间，均值为2.0 mg/L.本试验中的出水质量浓度甚至低于此值，说明试验中的背景质量浓度很低，同时为方便计算，忽略背景质量浓度.

因此公式(2)变形为:

将本试验中7、8月份的试验数据按公式3进行拟合.从表4可看出，采用一级动力学方程模拟污染物的去除效果，拟合效果较好.

表4 拟合动力学方程

3 结语

试验结果说明表面流人工湿地深度净化二级生物出水是适宜的，具有较好的净化效果且运行效果稳定.所选取的三种水生植物:香蒲、浮萍和芦苇可以很好地适应湿地环境，在污水中生长状况良好.试验表明，三种不同植物人工湿地在处理效果方面没有表现出较显著的差异，对有机物、悬浮物、NH3—N、TP均有较好的去除效果，对TN的去除率均较低.各类污染物的去除率随温度的升高而逐渐提高.采用一级反应动力学方程对试验数据进行拟合，拟合效果较好，得到了该试验条件下BOD5、NH3—N、TN和TP去除的反应速率常数.

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