潜流人工湿地对污染物去除率的正交实验研究

付 凌，胡春宏

（1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.北京市南水北调大宁管理处，北京102442）

潜流人工湿地对污染物去除率的正交实验研究

付 凌1，2，胡春宏1

（1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.北京市南水北调大宁管理处，北京102442）

以湿地污染物去除率为考察指标，通过正交实验分析了植物、流量和水位对去除率的影响。结果表明：3种因素对BOD5、CODMn和TN去除率的影响一致，均为植物＞流量＞水位；植物是BOD5、CODMn和TN去除率的显著性影响因素，其中大薸对3种污染物的去除率显著高于凤眼莲，但其在9月底易发生二次污染，需要及早收割，流量是TN和CODMn去除率的显著性因素，水位为不显著因素；BOD5、CODMn和TN浓度在系统的前端下降速率较大，随后逐渐减小并趋于平稳，表明大部分污染物在湿地的前端被去除，湿地整体截污能力尚有较大提升空间。应用中可选择大薸在北方推广，并充分利用湿地后端潜能，最大化处理污染源水体。

潜流人工湿地；正交实验；去除率

1 研究背景

潜流人工湿地常应用于富营养化水体的治理［1］，它主要是通过基质吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解等修复技术来净化污水。目前世界上许多国家已对人工湿地技术开展了不少研究［2］，尤以在湿地植物［3-4］、微生物［5-7］、填料［8-9］以及湿地构造［10］等对湿地净化效果及机理研究等方面成果显著。潜流人工湿地注重污染物的自然、生态去除过程，已被证明是一种效果好、投资少、运转成本低、污染物处理量大，维护管理方便、且具有一定美学价值的生态处理措施。

然而潜流人工湿地占地面积大，建设场地受限，且净化效果因区域、气候、植物种类、流量以及进水污染物浓度的不同而存在较大差异，确定去除效果与影响因素之间的对应关系对人工湿地的应用优化具有重要意义。目前此类相关实验多集中于广东、江苏、云南和四川等南方地区［11］，北方受冬季低温冰冻的影响，人工湿地技术发展滞后，在我国尚缺乏在北方地区条件下的实验报道，且针对几种因素同时比较对TN、BOD5、CODMn等多种污染物去除率的影响研究报道甚少。

本研究采用北方地区的黑土洼湿地为研究对象，选择植物、流量和水位3种影响因素，采用正交实验法分析3种因素对去除率的影响，寻求优化的因素水平，为北方地区人工湿地最大化的处理污水提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 人工湿地构建湿地建设前，永定河入库径流情况为：20世纪80年代以来，入库流量明显减少。20年间平均入库流量为12.3 m3/s。水库上游永定河八号桥断面处水质情况为：当河道流量大于20m3/s时，河道水质明显好转，各月水质中11月至来年3月的枯水期（也即低温期）水质最差，为劣Ⅴ类。而5、10月份的平水期（也即常温期）及6—9月份的汛期（也即高温期）水质明显好于前者，但也仍为劣Ⅴ类。

黑土洼人工湿地位于官厅水库永定河入库口附近，是利用黑土洼沟及月亮岛南侧滩地建设湿地系统分流净化永定河受污染入库源水的生态水处理工程。人工湿地系统由稳定塘和人工湿地两部分组成，永定河受污染源水经永定河引水工程进入稳定塘，源水经过稳定塘预处理之后，一部分直接入库，另一部分由引水暗涵进入人工湿地，黑土洼湿地系统平面布置见图1。人工湿地处理流量0.6～0.8m3/s，其中面流湿地约处理0.2m3/s，而本次研究的试验区即潜流湿地约处理0.4～0.6m3/s。正常运行水力负荷为0.58m/d，最大水力负荷为1.02m/d。

人工湿地为该系统的重要组成部分，实验区共分7个单元（Ⅰ—Ⅶ单元），各实验单元为并联方式，且工艺流程大致相同，由布水暗渠统一布水，每个单元以处理池为最小单位，处理池为串联方式，分5个级别，依次为挺水植物塘、一级植物碎石床、水生生物塘、二级植物碎石床、砂滤池，其尺寸大小分别为30m×15m×1.2m、30m×30m×1.2m、30m×30m×2.0m、30m×30m×1.2m、30m×8 m×1.1m，每个单元经处理的尾水由退水渠集水并经底部暗管排入堤外水塘，最后进入官厅水库。

人工湿地占地7.3 hm2，设计处理水量2.94万m3/d。人工潜流湿地对BOD5、CODMn、TP、TN、NH4+-N污染物的设计去除率分别为：55％～70％、35％～40％、35％～55％、20％～35％、50％～75％。

图1 黑土洼人工湿地平面布置图

图2 试验区典型单元纵剖面图

2.2 实验因素及其水平（1）植物因素。根据北方地区的气候特点以及植物的适应性，水生生物塘植物设3个水平分别为对照A1、凤眼莲A2和大薸系统A3，各系统植物覆盖率均设置为80％。凤眼莲和大薸均于2009年5月开始投放种植，考虑到植物的生长过程，本次截取2009年7—10月的实验数据进行分析。（2）流量因素。根据进水主配水井的堰流形式，本实验设定3种流量水平，低流量B1：172.8～345.6 m3/d；中流量B2：432～604.8m3/d；高流量B3：691.2～864 m3/d。（3）水位因素。水位是表征人工湿地系统水生生物塘水力停留时间的参数，本实验设定3个水平，分别为低水位C1∶1.55m，中水位C2∶1.7m，高水位C3∶1.85m。本实验属于3因素3水平的正交实验，具体数据详见表1。

表1 正交实验L9（33）因素及水平表

2.3 水样采集及分析方法本实验对照系统、凤眼莲系统和大薸系统均从主配水井引水，按照正交设计9种处理来设定植物、流量和水位，每次实验采集处理池进口和出口水样（本级处理池的出水即下一级处理池的进水）。水质监测指标主要包括BOD5、CODMn、TN、N-N、N-N、TP、Ortho-P、DO，每月监测2次，同步取样，水样采集后即刻进行分析。采样时，取水点位于水面下0.5m，不足1m则取1/2水深处，水体封冻时，采样点布设在冰下水深0.5m处，并采用国家标准化方法《水和废水监测分析方法》（第四版）分析。

2.4 正交实验设计及数据分析正交设计选择有代表性的实验组进行实验，具有经济、高效、快速的特点。本实验选择对照系统、凤眼莲系统和大薸系统构建的潜流人工湿地实验系统开展污染物去除的正交实验研究，以植物、流量、水位这3个指标为控制因素，各因素均取3个水平开展正交试验。重点分析对污染物去除率的影响，通过SPSS17.0软件（统计分析）对正交实验结果进行方差分析，优选出影响湿地运行效果的最佳因素水平，以期为提高湿地去污能力提供借鉴。

3 结果与分析

3.1BOD5及CODMn去除率的正交分析湿地系统污染物去除率的正交实验极差和方差分析，分别见表2和表3。

表2 正交实验L9（33）极差分析结果

表3 正交实验的方差分析结果

BOD5是一种用微生物代谢作用所消耗的溶解氧量来间接表示水体有机污染程度的一个重要指标。由表3方差分析可知，植物是影响BOD5去除率的显著因素，流量和水位是BOD5去除率的不显著性影响因素；又由表2极差分析知，植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为12.50、8.10、7.81，3种因素对去除率影响的主次顺序为植物、流量、水位，同时通过比较3种水平下污染物的去除率，可知优选方案为大薸、高流量、低水位。

CODMn是表征污染水体中有机质含量的参数，方差分析得出植物是影响CODMn去除率的极显著因素，流量是影响CODMn去除率的显著性因素，水位是CODMn去除率的不显著影响因素；又由表2极差分析知，植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为22.32、11.23、5.50，对CODMn去除率影响的主次顺序为植物、流量和水位。同时通过比较3种水平下污染物的去除率，可知优选方案为大薸、高流量、高水位。

3.2 氮素污染物去除率的正交分析由表3方差分析结果可知，植物是TN去除率的极显著性影响因素，流量是TN去除率的显著性影响因素，水位为不显著因素；又由表2极差分析知，植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为35.15、15.83、1.31，3种因素对TN去除率影响的主次顺序为植物、流量和水位，比较各因素对应的ki，得出优选方案为大薸、高流量和中水位。由于该实验为大田实验，实验受外界因素干扰较大，本次实验设定的植物、流量和水位因素对NH4+-N和NO3--N的去除率均无显著性影响，但NH4+-N的植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为134.71、127.87、164.99，3种因素对去除率影响的主次顺序为水位、植物、和流量，比较得出优选方案为高水位、大薸和高流量；NO3--N的植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为56.65、28.59、86.82，3种因素对去除率影响的主次顺序为水位、植物、流量，比较得出优选方案为高水位、对照系统、中流量。

3.3 磷素污染物去除率的正交分析人工湿地磷素污染物的去除主要是依靠填料基质的过滤和吸附作用，由于实验所选择的人工湿地于2004年已开始运行，湿地填料基质经多年运行，基质吸附已达到饱和，磷素的溶出会对出水浓度产生影响［12］，本次实验显示湿地各因素对磷素污染物的去除无显著性差异，去除效果不明显，甚至会出现负效应。由极差分析结果可知，TP去除率的植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为214.95、163.17、97.27，对去除率影响的主次顺序为植物、流量、水位，比较得出优选方案为大薸、高流量、高水位；Ortho-P的植物、流量和水位因素对应的极差R值分别为143.93、126.57、285.58，对去除率影响的主次顺序为水位、植物、流量，比较得出优选方案为低水位、大薸、高流量。

4 不同因子对污染物去除率的影响分析

4.1 植物因素对污染物去除率的影响分析植物因素是影响BOD5、CODMn去除效果的显著性、极显著性因素，其中大薸和凤眼莲系统的BOD5和CODMn去除率均显著高于对照系统，植物优势明显，另外，大薸系统的BOD5、CODMn去除率显著优于凤眼莲系统（p=0.021、0.043＜0.05），分析认为：BOD5、CODMn的去除主要是靠植物吸收、微生物分解、填料吸附等协同完成的，首先，大薸为1对2水面上繁殖，生物量大，繁殖生长快，凤眼莲是通过主根分蘖下一代，健壮的主根才可分蘖新芽［13］，两种植物生长过程中均进行适时收割，以维持其特定的覆盖率，但大薸的繁殖速度更快，所以通过植物吸收移除的生物量会更多一些，对水体污染物的去除率也相对较高；其次，植物根系在污水中吸附的有机污染物，一部分被植物根系直接吸收，另一部分通过根际聚集的大量微生物降解而去除。凤眼莲须根虽发达，但其靠根毛吸收养分，其主根主要分蘖下一代，而大薸有许多长而悬垂的羽状须根，且生长密集，其发达的羽状须根与水体接触面积大，形成了一道密集的过滤层，除了根系吸收大量污染物之外，其发达的羽状根际也为大量微生物提供了聚集场所，污染物最终可通过这些聚集微生物的分解和合成代谢转化为微生物体内的细胞物质而去除［14］；而填料在两个单元的设置是一样的，所以在此填料吸附的对比作用可以忽略；另外，凤眼莲在生长过程中出现了黑叶病，这种状态对污染物去除率存在一定的不利影响。

图3 污染物去除率与各因素的关系

图4 典型单元进出水浓度变化

由图3和图4知，大薸对BOD5、CODMn的去除效果较凤眼莲好，但图4显示在9月底，大薸系统的污染物出水浓度反而有所升高，说明大薸的生命周期不及水葫芦长，在汛后要及时收割，避免造成二次污染，图5和图6显示出BOD5和CODMn的逐级变化规律为：在系统的前端1级至2级处理池污染物浓度下降速率较大，而后下降速率减小最后逐渐趋于平稳，并且大部分有机物是在1级和2级处理池即湿地系统的前端被去除的。

图5 大薸单元污染物与溶解氧浓度的逐级变化

图6 凤眼莲单元污染物与溶解氧浓度逐级变化

植物因素是TN去除率的极显著性（p＜0.01）影响因素，大薸和凤眼莲对TN去除率均极显著高于对照系统，且大薸TN去除率显著优于凤眼莲（p＜0.05），图4中，TN污染物的出水浓度在9月底急剧升高，更加印证了大薸处理效果虽高，但要加强管理、适时收割，避免产生二次污染物。由图5和图6知，TN的逐级变化规律为1级至2级处理池去除速率较大，而后逐渐趋于平稳。有研究表明TN的去除途径主要是植物吸收，微生物的硝化和反硝化以及氨氮的挥发等［15］，而通过硝化和反硝化作用的去除量约占总氮去除量的40％～92％［16］。分析认为，在本湿地系统中，除了植物对TN去除率的显著贡献外，湿地中溶解氧的作用也功不可没，其主要包括进水携带的溶解氧，3级生物塘的复氧等，从图5和图6知，进水1级处理池溶解氧较高，主要为进水携带，3级生物塘有植物的泌氧，但数量有限。在溶解氧较充足的地方，-N首先在好氧环境下经过硝化菌和亚硝化菌的硝化过程转化成和，而后在本级或下一级处理池厌氧或缺氧环境下经过反硝化菌的反硝化过程而去除，3级处理池的复氧则有助于促进该去除过程的循环；而通过氨挥发去除氮素的作用可以忽略，因为当pH值大于等于9.3时氨挥发引起的氮损失才开始显现，而该湿地系统的pH值基本维持在7.5～9.0范围内。通过分析，湿地后3级处理池的去除作用由于溶解氧的缺乏等因素而没有得以充分发挥，在后期管理过程中可以通过曝气增氧等措施发挥其潜能，以最大化的发挥湿地效益。

4.2 流量因素对污染物去除率的影响分析流量因素是CODMn和TN去除率的显著性（p＜0.05）影响因素，而对NO3--N的去除率无显著性影响，除NO3--N外，其它污染物去除率均随着进水流量的增加而增大，且在高流量即8×10-3～10×10-3m3·s-1时达到最大，说明本净化系统还能承受水力负荷一定程度的增加，具有进一步净化污水的潜力。

4.3 水位因素对污染物去除率的影响分析水位为去除率的不显著影响因素。从图3和极差分析结果可知，中、高水位对TN、CODMn、NH4+-N、NO3--N和TP去除效果较好，而低水位仅对BOD5和Ortho-P去除效果较好。

3种因素对磷素污染物的去除均无显著性影响，去除效果不明显，甚至部分出现负效应。究其原因可能是实验人工湿地已运行多年，填料基质吸附已达到饱和，甚至出现磷素的溶出现象造成的。根据湿地吸附饱和的程度，应及时对湿地基质进行更换，以最大化的发挥人工湿地的净化功能。

综上，文中3种因素对污染物去除率的分析，均是在进水浓度为同一时期特定范围内进行的，且3种因素对污染物的去除率均有不同程度的影响，根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）进行评价，湿地出水口处BOD5、CODMn、TN、-N、TP等污染物的浓度分别达到了Ⅰ类、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅰ类、Ⅳ类，根据评价方法“一票否决”的原则，出口水质总体表现为Ⅳ类。当出现上游污染负荷较高、湿地基质使用寿命已到等情况时，应考虑加强维护管理，如曝气增氧、定期更换基质填料、定期收割植物、调节湿地流量等措施，来提高系统的运行效率。

5 结论

通过对污染物去除率的因素水平进行分析，确定了污染物去除率的关键影响因素和最佳处理水平，以期对北方地区湿地的运行管理提供借鉴。（1）植物是TN、BOD5和CODMn去除率的显著影响因素，流量是TN和CODMn去除率的显著影响因素，水位对污染物的去除效果不显著，且3种因素对TN、BOD5和CODMN去除率影响的顺序均为植物＞流量＞水位，且最优方案分别为大薸、高流量、中水位，大薸、高流量、低水位，大薸、高流量、高水位。（2）实验设定的植物、流量和水位因素对-N和-N去除率的影响均不显著，对磷素污染物亦无显著性影响，去除效果不明显，甚至部分出现负效应。究其原因可能是该人工湿地已运行多年，填料基质吸附基本达到饱和，甚至出现磷素溶出造成的。根据吸附饱和程度合理确定基质填料的使用寿命，及时对基质进行更换对提高湿地处理效益具有重要意义。（3）大薸系统相对于凤眼莲系统，其污染物处理效果虽好，但在汛后要早于凤眼莲及时收割，避免产生二次污染。（4）TN、BOD5、CODMn等污染物逐级变化规律为在系统的前端浓度下降速率较大，而后下降速率减小，最后逐渐趋于平稳，并且大部分有机物是在1～2级处理池即湿地系统的前端被去除的，说明湿地后3级处理池的去除潜能还有待进一步开发利用，可采取倒虹吸等增加湿地后端复氧量等措施，以最大化的发挥湿地效益。

［1］汪俊三，覃环.高水力负荷人工湿地处理富营养化湖水［J］.中国给水排水，2005，21（1）：1-4.

［2］Braskerud B C.Factors affecting nitrogen retention insmall constructed wetlands treating agricultural non-point sourcepollution［J］.Ecological Engineering，2002，18：351-370.

［3］凌祯，杨具瑞，于国荣，等.不同植物与水力负荷对人工湿地脱氮除磷的影响［J］.中国环境科学，2011，31（11）：1815-1820.

［4］张岩，李秀艳，徐亚同，等.8种植物床人工湿地脱氮除磷的研究［J］.环境污染与防治，2012，34（8）：49-52.

［5］Faulwetter J L，GagnonVSundberg C，et al.M icrobial processes influencing performance of treatmentwetlands：A review review article［J］.Ecol Eng，2009，35（6）：987-1004.

［6］凌云，林静，徐亚同.微生物对芦苇人工湿地除磷影响研究［J］.四川环境，2009，28（5）：41-43.

［7］LiangW，Wu ZB，Cheng SP，et al.Roles of substratemicroor-ganisms and urease activities in wastewater puri⁃fication in a con-structed wetland system［J］.Ecol Eng，2003，21（2-3）：191-195.

［8］张翔凌，张晟，贺锋，等.不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究［J］.农业环境科学学报，2007，26（5）：1905-1910.

［9］张燕，庞南柱，赛兴超，等.3种人工湿地基质吸附污水中氨氮的性能与基质筛选研究［J］.湿地科学，2012，10（1）：87-91.

［10］裴亮，梁晶，刘慧明.新型阶梯式人工湿地处理生活污水的研究［J］.环境工程学报，2013，7（1）：86-89.

［11］陈俊宏，高旭，谢伟丹，等.植物对潜流人工湿地净化微污染水效果的影响研究［J］.环境工程学报，2012，6（2）：515-518.

［12］Majed Abu-Zreig，Ramesh PRudra，Hugh RWhiteley，et al.Phosphorus removal in vegetated filter strips［J］. Journalof EnvironmentalQuality，2003，32：613-619.

［13］刘丽，赵振国.华北地区潜流人工湿地浮水植物气候适应性分析［J］.安徽农业科学，2011，39（29）：18108-18109.

［14］Fried A，McKeen S，Sewell S，et al.Photochem istry of formaldehyde during the 1993 Tropospheric OH Photo⁃chem istry Experiment［J］.Journal ofGeophysical Research，1997，102：6283-6296.

［15］Vymazal J.The useof sub-surface constructed wetlands for wastewater treatment in the Czech Republic，10years experience［J］.Ecological Engineering，2002，18（5）：633-646.

［16］Oostrom A J.Nitrogen removal in constructed wetlands treating nitrified meat processing effluent［J］.Water Sci Technol，1995，32（3）：137-147.

O rthogonal experim en t on rem oval rate of pollu tan t in subsurface flow constructed wetland

FU Ling1，2，HU Chun-hong1

（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；

2.Daning administrativeofficeof the South-to-North Water Diversion of Beijing，Beijing 102442，China）

The effect of plant，flow and water level on pollutant removal of constructed wetland was investi⁃gated through orthogonal experiments.Results show that there are almost sim ilar effects of three indicators on removal rate of BOD5，CODMnand TN，and plant has better effects than others，flow is in the second position，and water level is the last one.Pistiastratiotes generally have more effective removal rate than Eichhorniacrassipes，but at the end of September，it may cause secondary pollution，so it is important to harvest in time.Flow is significantly related to removal rate of TN and CODMn，but it is not for water lev⁃el.The concentration of BOD5、CODMnand TN experienced sharp drop in the front of the constructed wet⁃land bed，and the downward trend slow down gradually and finally went stable.Those processes indicate that almost all the pollutant was removed in the front of wetland bed，and the intercepting pollution capaci⁃ty of whole wetland system can be improved significantly.Pistiastratiotes are recommended to be planted in north China area，and take full advantage of carrying capacity of wetland systems to deal with water pollut⁃ed sources.

subsurface flow constructed wetland；orthogonal experiment；removal rate

TV131.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.004

1672-3031（2014）04-0358-08

（责任编辑：王学凤）

2014-09-12

“十一五”水专项资助项目（2008ZX07209-002-04）

付凌（1980-），女，河南新乡人，博士生，工程师，主要从事环境与生态水力学研究。E-mail：709260329@qq.com