人工湿地结构优化浅析

李焕青，侯佳，尹惟惟

（1.天津市水务局，天津300074；2.天津市南水北调曹庄管理处，天津300074；3.天津市排水管理处，天津300202）

人工湿地结构优化浅析

李焕青1，侯佳2，尹惟惟3

（1.天津市水务局，天津300074；2.天津市南水北调曹庄管理处，天津300074；3.天津市排水管理处，天津300202）

人工湿地作为一种自然生物处理方法，可以改进生态结构，促进物质能量的循环。湿地池形结构设计是影响湿地系统对氮和磷去除效果的重要因素。通过试验得出结论，波式流湿地对污染物的去除效果好且投资费用低，是一种较为理想的湿地结构形式。

人工湿地；填料结构；曝气；污染负荷；湿地结构

近年来，随着工业的发展和人口的增长，城市和农村的污染情况不断升级，严重影响了人们的生产生活。目前，天津市农村水环境质量普遍较差，已严重影响到农村居民的居住环境，直接影响社会经济可持续发展，威胁广大人民群众的身体健康。人工湿地处理技术正是研究开发解决这一问题的新技术。人工湿地作为一种自然生物处理方法，可以改进生态结构，促进物质能量的循环。湿地池形结构设计是影响湿地系统对氮和磷去除效果的重要因素，本文通过试验进行人工湿地结构优化研究。

1 填料结构对水体净化效果的影响

本研究试验共设2套装置。其中，第1套装置以页岩和粗砾石作为填料基质，下行潜流湿地单元填充35 cm厚粗砾石作为底料，起收水和支撑作用，粗砾石上填充45 cm厚页岩作为主填料层，最后为防止进水管堵塞，在页岩表面填充10 cm厚粗砾石。上行潜流湿地单元填充50 cm厚页岩为主填料，底料粗砾石为40 cm厚，最后为防止出水管堵塞，在页岩上填充10cm厚粗砾石。

第2套装置除页岩和粗砾石外又加入了生物填料作为填料基质，下行潜流湿地单元填充35 cm厚粗砾石作为底料，粗砾石上填充35 cm厚页岩和10 cm厚生物填料作为主填料层，最后为防止进水管堵塞，在页岩表面填充10 cm厚粗砾石。上行潜流湿地单元填充40 cm厚粗砾石作为底料，粗砾石上填充40 cm厚页岩和10 cm厚生物填料为主填料，最后为防止出水管堵塞，在页岩上填充10 cm厚粗砾石。2套装置的填料结构，如图1所示。

图12 种填料结构人工湿地模拟装置

试验开始前，分别在每个湿地单元内种植8株生物量相当的香蒲作为湿地植物。植物种植的第1周，由于环境条件的改变，香蒲大部分地上植物组织（茎和叶）枯萎。为防止死亡的地上组织（茎和叶）脱落入潜流湿地，将所有地上植物组织清除。经过约2周的维护，新的幼株高度达到约0.3 m。

研究表明，2种填料结构组成的人工湿地系统对水体中的COD、氮磷均有一定的去除作用，虽然2种填料结构对水体中氮和磷的去除随运行时间变化略有差异，但总体而言，去除效果基本相当，无显著性差异。综合考虑填料结构对水体的净化效果以及填料的来源和成本等因素，在后续示范工程中推荐使用的填料结构为：粗砾石作为底料，起收水和支撑作用；页岩作为主填料层；在页岩的表面填充粗砾石，防止进水管堵塞。

2 曝气方式对水体净化效果的影响

本试验采用垂直潜流湿地中的填料结构，共设置3套装置，其中第1套中部曝气、第2套底部曝气、第3套无曝气对照。在第1套下行流和上行流单元的中部（距页岩填料上表面30 cm）和第2套下行流和上行流单元的底部（距装置底部10 cm）均匀布置3个曝气头（在同一水平面上）。采用最大供气量100 L/min的ACQ-007型小型空气压缩机向第1套和第2套湿地间歇曝气，每天8∶30—16∶30曝气8 h，其余时间不曝气，气水比为5∶1。曝气对人工湿地去污效果试验装置结构，如图2所示。

图2 曝气对人工湿地去污效果试验装置

尽管第1套和第2套内香蒲茎叶中磷的含量高于第3套，但由于第1套和第2套中地上组织的生物量较低，所以通过植物收割去除的磷并没有因为间歇曝气而增加。与无曝气系统相比，通过收割香蒲地上组织可使氮去除分别增加11.6 g/m2（中部曝气）和12.6 g/m2（底部曝气）。湿地植物贮存的氮和磷在春季从根系向茎叶转移、在秋季从茎叶向根系转移，导致茎叶中氮和磷含量在春季高于秋季。本试验也观测到类似现象，香蒲茎叶中氮和磷含量在种植前高于收割时。为防止植物吸收的氮和磷从茎、叶向根系转移，应当在秋季及时收割湿地植物，最大限度地移出植物吸收的氮和磷。

3 污染负荷对水体净化效果的影响

人工湿地系统在运行过程中，每一阶段的水力负荷是固定的，但由于进水的污染物浓度在不断变化，所以其相应的污染负荷也在不断波动变化。利用前述试验过程中COD、NH4+-N、TN和TP（氮和磷）进、出水浓度监测结果，分别计算进水污染负荷和湿地去除负荷。其计算公式分别为：

式中：H为湿地处理系统的水力负荷[m3/（m2·d）]；Q为湿地处理系统的流量（m3/d）；Ci为污染物i的进水浓度（mg/L）；Ci0为污染物i的出水浓度（mg/L）；A为湿地处理系统的面积（m2）；λi为进水污染负荷（mg·m/dL）；μ为湿地去除负荷（mg·m/dL）。

经计算，人工湿地系统运行过程中的污染负荷变化范围见表1。

表1 人工湿地系统运行负荷

根据人工湿地处理系统进水中的污染负荷与去除负荷进行回归分析，研究人工湿地处理系统对COD、、TN和TP（氮和磷）的去除负荷与进水污染负荷的相关关系。

4 湿地结构对水体净化效果的影响

对二级垂直流湿地和三级垂直流湿地、二级垂直流湿地与波式流湿地的去除性能进行比较研究，二级垂直流湿地、三级垂直流湿地和波式流湿地结构分别如图3—5所示。

图3 二级垂直流湿地结构

图4 三级垂直流湿地结构

图5 波式流湿地结构

试验过程中在水量调节池内进行连续曝气预处理，各池内部均未曝气，而且各池水力负荷是相等的，均为500 mm/d，以上各池进水均由调节池内供水，进水水质完全相同，其中COD浓度为150～180 mg/L、TN浓度为15～18 mg/L、TP浓度为1.0～1.5 mg/L。各对比池影响因子对比情况，见表2。

结果表明，池形结构对TP（磷）去除效果的影响与TN（氮）相似。在水力负荷、曝气方式、填料结构和种植植物相同的情况下，二级处理池对TN（氮）去除率略高于三级处理池，而垂直流湿地对TP（磷）去除效果与波式流湿地基本相当，并无明显优劣差异。

表2 各对比池影响因子对比情况

5 结论

湿地池形结构设计是影响湿地系统对TN和TP（氮和磷）去除效果的重要因素。在不同池形结构设计中，二级处理池的效果优于三级处理池，而垂直流与波式流湿地对污染物的去除效果基本相当，但由于波式流湿地在建设过程中可省去布水管道，在取得相同去除效果的情况下，波式流湿地的投资费用要低于垂直流湿地，因此波式流湿地是一种较为理想的湿地结构形式。

X522

：B

：1004-7328（2017）01-0049-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.015

2016—11—10

李焕青（1983—），男，工程师，主要从事水利工程建设和管理工作。