复合型人工湿地处理农业面源污水试验

祝 鹏，马友华，储 茵

安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥，230036

复合型人工湿地处理农业面源污水试验

祝 鹏，马友华，储 茵*

安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥，230036

人工湿地因有成本低、易于管理等特点，已经在分散源污水处理上得到广泛应用。为了验证人工湿地技术处理农业面源污染污水的效果，采用由一个表面流型格室和两个潜流型格室组合成的人工湿地，处理模拟农业面源污染污水。试验结果显示，此系统对COD、TN、TP的平均去除率均分别达到67.25%、63.96%和49.06%，其中潜流型湿地的去除率要高于表面流型湿地。还尝试进行了动力学模型的模拟构建，验证和预测结果为今后进一步建模工作打下基础。

复合型人工湿地；农业污水处理；去除效果；数学模型

随着我国对城市生活污水和工业废水等点源污染的控制,面源污染尤其是农业生产和生活活动引起的农业面源污染已成为水环境污染的最重要来源[1]。目前，我国农业面临的农业面源污染问题给水体、土壤和空气带来的危害日益严重。与点源污染不同，农业面源污染具有分散性、隐蔽性、随机性和不确定性等特点[2]，难以监测。段玉杰认为,农业面源污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其他污染物在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏，进入水体而形成的地表和地下水环境污染[3]。

在农业面源污染的污水无法集中处理的地区，分散型污水处理工艺就显得尤为重要。人工湿地系统起源于德国[4]，作为新型污水处理工艺，运用自然湿地的净化原理，通过人工调控来加强污水处理能力，具有投资小、处理能力强、容易管理等特点[5]，目前在欧美已经广泛应用于生活污水、地表径流以及垃圾渗滤液的处理[6]，我国从1970年代起也在积极探索其开发与利用[7]。

为了预测人工湿地的处理效果，加强人们对人工湿地作用机理的认识，近年来国内外很多学者在人工湿地的数学模型研究方面都作了探索，其中具有代表性的模型有衰减回归模型、一级动力学模型、Monod动力学模型、TIS模型等[8]。Breen发现人工湿地可以用稳态的一级反应动力学方程来描述[9]，虽然有许多局限性，但由于其参数的求解及计算过程都很简单，所以目前学术上仍把它作为描述人工湿地中污染物去除的最适合方程。

1 材料与方法

1.1 人工湿地结构设计

本研究中，人工湿地采用水平折流复合型人工湿地，长1.5 m、宽1.2 m、深0.7 m，分为3个格室，第1格室为表面流人工湿地，与进水端相连，其中填料较少，第2、3格室为潜流型人工湿地，与第1格室尾部相连，1、2格室之间采用溢流堰的连接方式，2、3之间首尾完全串联。整个湿地呈现水平折流式的推流结构，利用进水口与出水口的高度差，使待处理废水依靠自身重力通过自流经各个格室完成整个处理流程(图1)。

图1 水平折流复合型人工湿地污水处理系统设计

1.2 填料与植物

本湿地系统采用复合型填料。由下往上第一层为粒径5～8 cm的砾石200 mm，第二层为细沙100 mm，第三层为当地土壤100 mm。在第1格室中不添加细沙与土壤[10]。

根据人工湿地选种植物要能在当地生长良好、根系发达、抗污去污能力强的要求[11]，根据实地调查研究以及实验实际情况，此次试验中选金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、黑麦草(LoliumperenneL.)和菖蒲(Acoruscalamus)依次移栽到3个格室中。

1.3 人工湿地的运行和取样

本实验使用安徽农业大学西北农翠园池塘废水作为模拟污水，该废水来源主要是周围农田灌溉用水以及地表径流，可以模拟农业面源污染的污水。在池塘边构建一个复合型人工湿系统，并于2013年3月完成实体建设，4月15日移种金鱼藻、黑麦草和菖蒲幼苗，用潜污泵将池塘污水抽入装置所连接的储水箱，通过流量计调节湿地流量，设置4个取样口，每两天取一次样，于实验室测定各个取样口水样的COD、TN、TP。检测分析方法依次分别为重铬酸钾法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法。取样时间为2013年5月5日到2013年5月23日。人工湿地系统的运行参数：进水流量为25L/d,HRT:1d。

2 结果与分析

2.1 稳定状态下人工湿地的去除效果

收集2013年5月5日到2013年5月23日运行监测数据，总体去除结果如表1所示。

表1 人工湿地的污染物进出水浓度与平均去除率

注:所有数据均为平均值±标准差。

表1所示，此人工湿地对COD、TN、TP的平均去除率分别达到67.25%、63.96%、49.06%，除了对TP之外，对COD和TN的处理效果还较理想，且标准差都控制在3以内;在实际运行中，此复合型人工湿地也达到了稳定状态。

2.2 不同格室对污染物的去除效果

根据实验设计，3个格室共4个取样口，前一个格室的出水浓度就是下一个格室的进水浓度，根据所得数据，发现在稳定运行的情况下，串联的3个格室的4个取样口的水样污染物指标逐渐减小，说明此复合型人工湿地各个格室对污水都有一定的去除效果，如表2所示。

表2 人工湿地4个取样口水样的污染物浓度

注:所有数据均为平均值±标准差。

在每个格室对特定污染物指标的研究中发现，对于COD第1格室的去除率折线一直在最下端，平均去除率为15.27%，后2个格室对COD的平均去除率分别为35.03%和40.27%，说明此复合型人工湿地中潜流型也有差别，湿地植物的品种也是影响其去除效果的一个重要因素。各个格室对TN的去除效果比较稳定，变化幅度不大。3个格室对TN的平均去除率分别为18.42%、 22.59%、42.86%，数据呈现出的规律可以表明潜流型人工湿地对TN的去除效果要好于表面流湿地。第3格室对TN的去除率要明显好于前两个格室。对于TP，第1格室和第2格室的去除率比较接近，有增有减，到后期时两者都趋于平缓，但第2格室要好于第1格室。各个格室对TP的平均去除率分别为12.91%、17.43%、29.08%。虽然3个格室对TP去除效果的规律也符合前两个指标的规律：潜流型湿地去除效果好于表面流湿地，但总体来说对TP的去除率还是偏低。Tanner等研究表明,潜流型湿地运行初期对磷的去除率不高,有时甚至会出现负值,可能与湿地填料初期的磷的释放有关。本试验虽然没有出现负值情况,但运行初期对磷的去除率的确比较低,与前人研究结果相符[12]，具体情况见图2、3、4所示。

图2 三个格室对COD的去除效果

3 数学模型的建立

3.1 数学模型的假设

根据实际实验条件，选定单一参数的一级动力学模型，主要考虑处理负荷和处理效率之间的关系。

图3 3个格室对TN的去除效果

图4 3个格室对TP的去除效果

该模型假设：(1)湿地处于稳态，即进出、水流量和浓度不随时间变化；(2)污染物降解服从一级反应动力学；(3)水流流态呈理想推流[13]。

模型方程：C0=Ciexp(-kv·t)，式中，Ci表示进水浓度(mg·L-1)；C0表示出水浓度(mg·L-1)；kv表示体积去除速率常数(1/T)；t表示水力停留时间(T)[8]。

本次实验条件有限，实验数据也不足以构建完美通用的数学模型，因此，用前期的数据进行相关参数的计算，以预测后期数据，再用所得数据建立一个最基本的数学模型作试探性研究。

3.2 数学模型的验证

上式中水的停留时间为此实验装置的设计参数，t=1 d；体积去除率常数是通过非线性最小二乘法计算求得，采用的试验数据为2013年5月5日至5月13日的监测数据，计算得到kv=1.016。

图5 湿地COD出水预测值与实测值的对比

将两个常数参数代入模型公式对湿地运行效果进行验证, 采用的试验数据为2013年5月15日至5月23日的监测数据,结果见图5、6、7所示。

图6 湿地TN出水预测值与实测值的对比

图7 湿地TP出水预测值与实测值的对比

由以上各图所示，湿地出水COD的预测值与实测值的差距有增大的趋势，TN与TP的预测值和实测值的差距较为平缓，其原因可能是在实际实验过程中，COD的进水浓度一直在增大，通过水平折流湿地后，出水一般为进水后一到两天后才可测得，与模型所假设的条件不符。TN与TP的进水浓度在一定范围内一直稳定，所以预测效果较好。

4 结束语

与传统工艺相比,人工湿地处理污水具有效率高、运行费用低、维护管理及设备设施相对简单的特点，在处理模拟农业面源污染污水的实验中，人工湿地系统能有效地去除C、N、P等营养物质,对COD、TN和TP的平均去除率均分别达到67.25%、63.96%和49.06%。出水中COD、TN、TP的浓度分别为36.58mg·L-1、1.38mg·L-1、0.25mg·L-1，达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，能够满足治理农业面源污染的要求。

通过对数据的分析可以发现,植物对有机负荷的去除起着重要的作用,人工湿地中污染物的降解、沉淀和挥发等一系列反应在有植物存在时常常会变得更为强烈。潜流型人工湿地对污染物的去除要好于表面流型湿地，在潜流型人工湿地中，不同的植物对污染物的去除效果也不同，根系发达的植物去除效果要好于根系短浅的植物。

根据实验数据，对人工湿地的数学模型进行了初步的研究。以三种污染物指标论证模型，发现模型预测值与实测值趋势大体相同，但存在一定偏差，实际操作中难以完全符合动力学模型所假设的理想条件，还存在具体环境、工艺和污水水质的不确定性。今后，可对人工湿地系统中水流流态作更为完善的数学描述，因为人工湿地动态机理模型不仅可以成为工程设计的强大工具，还可达到优化已有系统运行的目的。

[1]赵永宏.我国农业面源污染的现状与控制技术研究[J].安徽农业科学,2010,38(5):2548-2552

[2]李秀芬,朱金兆,顾晓君,等.农业面源污染现状与防治进展[J].中国人口·资源与环境,2010,20(4):81-84

[3]段玉杰.中国农业面源污染现状及改善对策[J].环境研究与监测,2010(6):61-62

[4]孙震宇.人工湿地处理农村生活污水研究[J].科技创新导报,2011(19):140-141

[5]刘衍君.人工湿地在污水处理中的应用及其展望[J].云南环境科学,2003,22(4):42-45

[6]汤显强,黄岁木梁.人工湿地去污机理及其国内外应用现状[J].水处理技术,2007,33(2):9-13

[7]朱彤,许振成,胡康萍，等.人工湿地污水处理系统应用研究[J].环境科学研究,1991,4(5):17-22

[8]张军,周琪.人工湿地中污染物去除的数学模型[J].环境保护科学,2004,30(2):40-42

[9]Breen P F.A mass balance method for assessing the potential of artificial wetlands for wastewater treatment[J].Water Research,1990,24(6):689-697

[10]陈进军,郑种,郑少奎.表面流人工湿地中水生植被的净化效应与组合系统净化效果[J].环境科学学报，2008(10):2031-2035

[11]尹士君,汤金如.人工湿地中植物净化作用及其影响因素[J].煤炭技术,2006,25(12):115-118

[12]Tanner C C,Sukias J P S,Upsdell M P.Organic matter accumulation during maturation of gravel-bed constructed wetlands treating farm dairy wastewaters[J].Water Research,1998,32(10):3046-3054

[13]谭学军,唐利,周琪.人工湿地污水处理技术原理与数学模型[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版,2008(4):157-160

(责任编辑：汪材印)

2014-03-05

国家科技支撑计划“南方平原稻作农区农业面源污染防控技术集成与示范”(2012BAD15B03)。

祝鹏(1988-)，安徽淮北人，硕士研究生，主要研究方向：人工湿地的处理工艺研究。

*通讯作者：储茵(1970-)，女，安徽岳西人，博士，副教授，主要从事流域模型及污染控制研究。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.07.029

X506

A

1673-2006(2014)07-0093-04