多级人工湿地-塘组合系统去除污染物研究

万博阳，王全金，戚晓波

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

多级人工湿地-塘组合系统去除污染物研究

万博阳，王全金，戚晓波

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

通过多级人工湿地-塘组合系统在不同的水力停留时间下处理污染水体，对各项出水污染物进行测试对比。结果表明：在初春低温条件下，COD，TN和NH4+-N的去除率随着水力停留时间的增加显著提高，在保证处理效果的前提下，水力停留时间选择4 d较为合理。在水力停留时间为4 d时进行为期12个月的试验。试验结果表明：随着季节的变化，多级人工湿地-塘组合系统对模拟农村径流污水的净化效果保持在一个合理的波动范围内，在夏季时对污水中COD，TN以及NH4+-N去除效果比在冬季时好。从试验去除污染物的效果可以看出，本系统可以在除污染物方面达到比较令人满意的效果，COD出水水质最好时为Ⅳ类水质，NH4+-N出水水质最好时接近地表水Ⅳ类水质。

多级人工湿地；塘；水力停留时间；水污染物；除氮率

1 研究背景

目前处理污染水体的方式有化学处理、物理处理，生物处理和生态处理等[1]。在生物处理方面，以活性污泥法为代表，在处理过程中会产生大量富含有害化学成分的淤泥、废渣[2]。生态处理以人工湿地为代表，在处理过程中不会产生二次污染[3]，人工湿地污水处理的研究日益受到重视。随着人工湿地不断深入的发展，研究不再局限在单纯的湿地上面，还引入了一些其他系统，逐渐形成了人工湿地组合系统。根据研究[4]显示人工湿地组合系统在处理效果方面明显优于单独的人工湿地系统，具有更好的出水水质等优点。宋嘉骏等[5]利用人工湿地-塘组合系统，处理COD为87.36～21.5 mg/L，TN为26.81～13.49 mg/L，NH4+-N为23.74～11.21 mg/L，污水取得了较好的去除效果。乌兰托娅[6]发现利用人工湿地处理高浓度的氨氮废水去除率到达90%。国外的F.Masi等[7]发现多级人工湿地在二级处理时可以得出一个较好的效果，其中COD的去除率为86%，TN的去除率为60%，TP的去除率为43%，SS去除率为89%，NH4+-N的去除率为76%。

但是大部分人研究的都是处理高浓度的生活污水，对低污染浓度的污染水体处理研究较少，目前我国农村水体污染问题已严重影响当地的环境，国内一部分学者已经开始研究处理这种类型的污染，人工湿地组合系统作为一种新型的处理系统，有着投资少、消耗低、维护简单等优点，特别适合在农村以及经济欠发达地区使用[8]。所以本次试验的目的就是探究多级人工湿地-塘组合系统对低浓度污染水体的净化效果，试验分为2部分：第1部分是研究水力停留时间对系统中污染物的去除影响；第2部分是通过第1部分试验确定的一个水力停留时间进行系统1 a的去除污染物研究。

2 试验部分

2.1 试验装置

试验装置为多级人工湿地-塘组合系统，组合系统中各单体构筑物由1 cm 厚 U-PVC 板焊接而成，制成以人工湿地为主体的生态处理系统，整个实验装置流程为高位水箱—生态塘A—表流湿地A—潜流湿地—表流湿地B—生态塘B，污水靠各构筑物高差流动。

各个装置的说明如下：高位水箱箱体尺寸为 800 mm×800 mm×700 mm(长×宽×高)，生态塘A，B内部尺寸为 1 550 mm×400 mm×750 mm(长×宽×深)，设计水深为0.55 m。表流湿地A，B内部尺寸为 1 550 mm×400 mm×750 mm(长×宽×深)，装置内设计水深为 0.3 m。潜流人工湿地内部尺寸为1 550 mm×400 mm×750 mm(长×宽×深)，潜流人工湿地装置内设计的有效水深为0.6 m。

其中表流湿地底部铺设有基质，基质采用2层设计，下层厚为200 mm，用φ100～200 mm砾石作为承托层，上层厚为 200 mm泥土，可作为挺水植物扎根固定用，整个基质层总高度为0.4 m。潜流湿地底部铺设有基质填料，填料层采用通常用的三层设计，下部厚为 200 mm ，用φ100～200 mm砾石作为承托层；中部厚为300 mm，用φ10～20 mm 碎石作为填料层，供微生物挂膜使用；上部厚为200 mm沙土，供固定植物扎根使用。

各个装置里面的植物为生态塘A中种植伊乐藻，生态塘B中种植狐尾藻，表流湿地A中种植美人蕉，表流湿地B中种植芦苇，潜流人工湿地中种植的植物为美人蕉。

2.2 试验设计

第一部分试验选取7个水力停留时间测试整个装置的氮去除能力，7个水力停留时间分别为3，3.5，4，4.5，5，5.5，6 d。试验时间为初春，平均气温在11 ℃左右。

第二部分试验通过前部分的试验数据确定4.5 d作为长效试验的水力停留时间，试验周期为12个月，每月在10号和25号2天取水样测试，一共24组试验数据。

2.3 试验水质及检测方法

第一部分试验用水采用人工配水模拟污染水体水质，涉及的主要药品为葡萄糖、尿素、氯化铵和碳酸氢钠等，配水水质中TN质量浓度为10.97～11.37 mg/L，NH4+-N质量浓度为2.95～3.10 mg/L， COD质量浓度为60.22～61.7 mg/L。

第二部分试验配水水质中TN质量浓度为9.78～11.12 mg/L，NH4+-N质量浓度为2.91～3.24 mg/L， COD质量浓度为58.86～61.56 mg/L。

试验过程中，对系统出水水质进行检测，所测项目和所测方法依次为：COD，微波密封消解法；TN，过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；NH4+-N，钠氏试剂分光光度法。测定方法参照《水与废水监测分析方法》(第4版)[9]。

3 结果与讨论

3.1 水力停留时间对系统去除污染物的影响

3.1.1 COD去除效果分析

污染水体中的COD首先是被基质直接拦截一部分以及在化学吸附作用下被基质吸附一部分，然后是植物通过光合作用和吸收同化作用将污水中的小分子有机化合物直接吸收、利用，最后是好氧微生物的分解作用[10]。 COD去除效果如图1。

图1 COD去除效果Fig.1 Effect of COD removal

由图1可以看出：多级人工湿地-塘组合系统随着水力停留时间的延长，COD的去除率逐渐提高，前期的去除率低是因为停留时间短，有机物和微生物接触之后未充分利用就随着水流流出[11]。在5.5,6 d这2个停留时间出现去除率趋于平衡的现象，说明停留时间到达一定的时候，COD的去除就会出现停滞现象，由此看出在利用多级人工湿地-塘组合系统去除有机物在水力停留时间为5～5.5 d时可以达到最佳效果。选取5 d为水力停留时间，出水水质为25.15 mg/L,达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅳ类标准。而选取水力停留时间为3 d，出水水质36.94 mg/L，达到V类水质标准。说明在工程应用上选取水力停留时间为3 d为最优选择。

图2 TN去除效果Fig.2 Effect of TN removal

3.1.2 TN去除效果分析

人工湿地中氮的去除机理比较复杂，是湿地植物、基质和微生物通过物理、化学及生物的协同作用的结果[12]。尹连庆等[13]研究发现，人工湿地的脱氮主要是依靠微生物的硝化与反硝化。硝化和反硝化菌存在细菌世代的问题，所以在实际处理中要考虑到污水停留时间的问题；Huett等[14]研究发现，水力停留时间为3.5～7.0 d的效果较好。TN的去除效果如图2所示。

由图2可以看出：多级人工湿地-塘组合系统对TN的去除率是随着水力停留时间的增加而提高，水力停留时间到达5 d的时候出现拐点，去除率开始随着水力停留时间的增加而降低。TN的去除率出现拐点的原因可能是因为系统中的溶解氧随着水力停留时间的延长出现减少，从而抑制硝化反应的进行，同时系统中的碳氮比开始下降，直接制约了反硝化作用的进行[15]，导致TN的含量开始上升。由此看出多级人工湿地-塘组合系统对TN的去除，选取5 d停留时间为最佳。此时的出水水质为5.3 mg/L，出水水质未达到《地表水环境质量标准》，原因在于微生物的生长对环境温度的要求比较高，温度的改变直接影响微生物的活性从而影响生物脱氮效果。硝化菌的最适宜温度为30～35 ℃，反硝化菌的适宜温度为34～37 ℃，当温度低于15 ℃时，硝化/反硝化反应会明显受到抑制[16]。

3.1.3 NH4+-N去除效果分析

NH4+-N的去除主要依赖于硝化反应[17]。本次试验使用多个构筑物串联比单个构筑物有更明显的复氧作用，NH4+-N的去除效果也更佳。NH4+-N的去除效果如图3所示。

图3 NH4+-N去除效果Fig.3 Effect of NH4+-N removal

由图3可以看出：多级人工湿地-塘组合系统对NH4+-N的去除率是随着水力停留时间的增加而提高，水力停留时间达到5 d时出现拐点，去除率开始随着水力停留时间的增加而降低。NH4+-N的去除主要有2个途径：第一是通过植物直接摄取合成植物蛋白，然后通过收割从湿地系统中去除；第二是利用硝化作用去除掉。随着水力停留时间的延长，多级人工湿地-塘组合系统会出现个别的厌氧区，在这其中就会抑制硝化作用，同时原本被根系吸附的NH4+-N可能重新释放到水中[18]。由此得出多级人工湿地-塘组合系统去除NH4+-N的水力停留时间选在5 d为最佳，当水力停留时间为5 d时NH4+-N出水水质为1.7 mg/L，达到最佳效果，同时满足《地表水环境质量标准》的V类标准。而选取水力停留时间为4 d时，NH4+-N出水水质已经基本达到V类水质标准，表明在工程应用时水力停留时间为4 d时为最优选择。

3.2 多级人工湿地-塘组合系统去除污染物的长效试验

在多级人工湿地-塘组合系统的水力停留时间的试验中，得到了在4 d水力停留时间这个条件下，就可以使出水NH4+-N水质达到自然水体中的V类水的水质标准。为使试验得到更进一步的处理效果数据，进行为期1 a的系统净化污染物的长期试验，以此数据来补充在多级人工湿地-塘组合系统处理污水方面的理论依据。

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试验周期是从2014年11月到2015年10月，总计12个月，每月10号、25号进行试验，一共24组试验。

3.2.1 COD的长效去除效果分析

从图4可以看出：进水COD浓度的变化范围是59.86～61.56 mg/L，去除率维持在50%以上，出水水质达到地表水Ⅳ类水质标准，说明多级人工湿地-塘组合系统在处理COD方面有较好的效果。COD的去除率在夏季和春节比在秋季和冬季时高，说明季节性变化对系统的去除COD能力有一定的影响，但是波动维持在一个稳定的范围可以说明系统在去除COD方面可以保持一个较高的水平。从图4中可以看出随着气温的升高，COD的去除率也出现升高。在夏季的时候维持在一个高位，说明在同一水力停留时间的条件下，温度的升高可以提高COD的去除率。同时可以看出即使是在低温条件下，去除率也依然可以保持在50%以上，优于其他研究[19]中COD在多级人工湿地中的去除率，说明多级人工湿地-塘组合系统在去除COD方面可以在任何时候都维持一个较好的出水水质。

图4 COD去除效果(2014-11至2015-10)Fig.4 Effect of COD removal(2014-11 to 2015-10)

3.2.2 TN的长效去除效果分析

由图5可以看出水TN浓度随着季节的变化出现了一定程度的波动，同时去除率保持在40%～50%之间，没有出现明显的大幅度的波动。随着气温的逐步上升，提高了系统中微生物的活性[20]，导致TN的去除率出现了一定程度的提高，在夏季气温高的时候去除率达到峰值水平。在冬季温度低时，TN的去除率维持在40%左右。说明多级人工湿地-塘组合系统处理TN的出水水质可以维持在较为稳定的水平。

图5 TN去除效果(2014-11至2015-10)Fig.5 Effect of TN removal(2014-11 to 2015-10)

由图6可以得出，氨氮在夏季去除的效果比较好，原因是温度的升高提升了微生物的活性，增强了硝化反应的进行。随着温度的下降，去除率出现了一定的下降。同时也可以看出在冬季试验时由于温度过低，会出现出水NH4+-N水质无法达到地表水V类水标准，其他时候都达到了地表水V类水体标准，最好的时候水质接近地表水Ⅳ类水质标准。

图6 NH4+-N去除效果(2014-11至2015-10)Fig.6 Effect of NH4+-N removal(2014-11 to 2015-10)

3.2.4 COD,TN和NH4+-N四季的平均去除率分析

COD在四季的平均去除率为春季53.22%，夏季56.37%，秋季54.11%，以及冬季51.34%。TN在四季的平均去除率为春季44.45%，夏季45.65%，秋季43.98%，以及冬季41.79%。NH4+-N在四季的平均去除率为春季37.32%，夏季39.53%，秋季39.15%，以及冬季30.66%。

图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为COD,TN和NH4+-N的去除率变化图。从图7看出，COD,TN，以及NH4+-N的去除率随着季节温度的上升而上升，夏秋两季的去除率较高，温度的提高会使得微生物的活性提高，从而导致去除率在夏秋这2季好于春冬2季。这一结论和其他人[19]的研究结果相一致。

图7 COD，TN，NH4+-N去除率Fig.7 Effects of COD，TN and NH4+-N removal

4 结 论

(1) COD随着水力停留时间的增加去除率逐步提高，最后趋于平衡，选取水力停留时间为3 d，出水水质36.94 mg/L，已经达到《地表水环境质量标准》V类水质标准。这说明兼顾时间有效利用原则，水力停留时间为3 d时处理COD的效果好。

(2) TN，NH4+-N的去除，在一定范围内，水力停留时间越长，去除效果越好，但是到达一个临界时间点之后会出现下降的现象。本试验得出NH4+-N在水力停留时间为5 d时，出水水质最好，但在水力停留时间为4 d时出水水质已经达到V类水质标准。这说明兼顾时间有效利用原则，选取4 d停留时间在工程上可以更好地实施。TN的去除由于温度的限制，无法达到《地表水环境质量标准》，同时由于是低浓度污水，在处理方面有一定的难度，在去除率方面能达到47%，属于较好的处理效果。

(3) 随着季节的变化，多级人工湿地-塘组合系统对模拟农村径流污水的净化效果保持在一个合理的波动范围内。温度的升高会导致水中的微生物生物活性提高，所以在夏季时对模拟农村径流污水中COD，TN以及NH4+-N去除效果比在冬季时好。从多级人工湿地-塘组合系统在一年的长效试验去除NH4+-N的效果可以看出，本系统可以在除NH4+-N方面达到比较令人满意的效果，出水水质最好时接近地表水Ⅳ类水质标准。

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(编辑：刘运飞)

Multi-stage Constructed Wetland-pond System to Remove Contaminants

WAN Bo-yang, WANG Quan-jin, QI Xiao-bo

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

The effect of multi-stage constructed wetland-pond system in treating contaminated water with different hydraulic retention time (HRT) is researched. The pollutants in effluent water are tested for comparison. Results show that in early spring with low temperature, the removal rates of COD, TN and NH4+-N increase significantly with the increasing of HRT. Under the premise of ensuring the treatment effect, four-day HRT is reasonable. Twelve months of test with four-day HRT were conducted, and the test results show that as the seasons change, the purification effect of multi-stage constructed wetland-pond system fluctuates within a reasonable range: the COD, TN and NH4+-N removal rates in summer are better than those in winter. From the test results we conclude that the present system could achieve satisfactory result in removing contaminants, with the best quality of COD-removed effluent water reaching grade IV, and NH4+-N-removed effluent water close to grade IV of surface water.

multi-stage constructed wetland; pond; hydraulic retention time; water contaminant; nitrogen removal rate

2015-11-26；

2015-12-23

国家自然科学基金项目(22141071)

万博阳(1991-)，男，江西南昌人，硕士研究生，主要从事污水处理研究工作，(电话)13257006901(电子信箱)1024278982@qq.com。

10.11988/ckyyb.20151002

2017,34(3):25-29

X524

A

1001-5485(2017)03-0025-05