季节变化对组合湿地污水处理系统净化力的影响

付新喜，吴晓芙，陈永华，奚成业，周 鑫

（中南林业科技大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙410004）

季节变化对组合湿地污水处理系统净化力的影响

付新喜，吴晓芙，陈永华，奚成业，周 鑫

（中南林业科技大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙410004）

建立了用以处理城镇污水的“表流A-潜流B-表流C” 组合人工湿地（400 t/d）中试系统，监测分析了组合系统净化力的季节性变化规律。结果表明：组合系统出水的5项指标年均值达到了国家城镇污水处理厂污染物排放 [GB 18918—2002]一级A标准，A、B、C单元之间净化力差异显著，其中B单元对系统净化力的贡献率最高；组合系统COD去除率存在显著的季节性差异，冬季COD去除率明显低于其他季节；组合系统氮、磷去除率季节性差异不显著，原因是B单元对系统氮、磷去除率贡献大，而其氮、磷去除率受季节影响小。要克服季节温度变化对组合系统净化力的影响，有必要进一步增强B单元的吸附过滤功能和提高系统冬季的生物活性。

城镇污水；人工湿地中试系统；污染物去除率；季节效应

人工湿地是一种生态型污水处理技术，近年来发展迅速[1]。与传统污水污水处理技术相比，人工湿地具有低成本、低能耗、运行管理方便、去氮除磷效果好等特点[2-3]。湿地技术可将污水处理、水源涵养[4]、水土流失拦截过滤[5]和湿地资源利用[6]有机结合起来，实现污染控制、美化环境、提高污水和植物资源回收利用价值的多重目标，具有显著的环境和经济效益[7]，因此被广泛应用于国内外污水处理中[8-11]。然而，在实践过程中，人工湿地技术也暴露了一些缺点，如受季节影响大，尤其是冬季处理效果差等问题。有研究[12]发现当水温低于10 ℃时，人工湿地净化力显著下降，水温低于4℃时，湿地系统中的硝化作用趋于停止[13]。聂志丹等[14]研究了季节变化对人工湿地处理效率的影响，发现人工湿地去除率随季节性变化显著，夏季最高，冬季最低。郑僵秋等[15]也研究了季节变化对潜流湿地去氮除磷的影响，其氨氮与总磷的去除率与聂志丹的研究结果一致，最高在夏季，其次是秋季与春季，冬季去除率最低。由于人工湿地受温度影响较大，一定程度上限制了该技术在寒冷地区的推广应用。因此，如何解决人工湿地冬季处理效率低下的问题已成为当今湿地研究领域的热点和难点[16]。针对以上问题，本研究建立 “表流型A—潜流型B—表流型C”组合人工湿地中试系统，研究季节变化对该系统净化力的影响，检验该组合人工湿地污水处理系统的冬季处理效果，其目的是为湿地技术在冬季的推广应用提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 组合湿地结构与工艺流程

该实验基地建于中南林业科技大学校区内，占地面积约为805 m2。 试验系统由表流湿地A、潜流湿地B和表流湿地C构成，表流湿地A单元含3个次级单元，即A1、A2和A3。A1与A2单元分别接受试验室废水与生活污水，混合后进入A3单元；A3单元的出水以均匀布水方式依此进入潜流湿地B和表流湿地C单元。各个单元结构尺寸见表1。系统工艺流程见图1。

表1 组合湿地系统各单元尺寸Table 1 The size of every cell in the constructed wetlandsystem

图1 组合湿地中试系统工艺流程Fig. 1 The process of the pilot constructed wetland system

1.2 系统运行条件

系统采用连续进水方式。进水量及各污质的质量浓度如表2所示。

1.3 填料与植物配置

潜流B单元从上至下依次铺设了40 cm红壤与细沙混合层、40 cm细沙与蛭石混合层、20 cm细沙层、30 cm的砾石层。

表2 进水水质指标Table 2 Influent quality of the waste water

系统植物以南方本地植物为主，栽种植物随季节变化。湿地单元的植物配置如表3所示。

表3 组合系统的植物配置Table 3 Plants introduced in constructed system

1.4 水样采集测定与数据处理

自9月份起，连续12个月，每月采样4次，测定系统各单元水质中COD、BOD、NH4+-N 、TN、TP 5项指标，以4次出水质量浓度的平均值作为当月出水浓度。各指标测定方法参照国家环境保护总局编制的《水和废水监测分析方法》（第4版）[17]。数据处理采用Office Excel 2010进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 系统单元污水净化贡献率

2.1.1 单元水质与去除率

由表4可知，各污质去除率由A至C单元呈显著递增趋势。组合系统出水中所有污染物质质量浓度均达到国家城镇污水处理厂污染物排放的一级A标准[GB18918—2002]，说明组合系统处理效果良好。

表4 系统各单元出水的污质质量浓度与去除率（年均值）Table 4 The mass concentration and removal rate of the contaminant

A单元的各污质去除率中，BOD的去除率最高（31.18%），说明A单元对有机污染物具有较强的降解作用。该单元主要功能是厌氧降解和吸收利用，在厌氧生物群的作用下，伴随着BOD的降解，部分有机氮和磷也得到了相应的去除，因此出水中TN和TP的去除率也达到20%以上。而NH4+-N的去除率相对较低（19.01%），这是由于A单元厌氧环境中氨氮的转化率较低所致。B单元各项污质的去除率提高的幅度很大（58%～75%）。该单元为潜流湿地，在填料的拦截吸附、微生物的降解转化和湿地植物的吸收利用等综合作用下，绝大部分污染物在此单元得以去除。到C单元，各项污质的去除率达到了78%以上。C单元的去除率代表组合人工湿地系统的整体去除效果。

2.1.2 单元贡献率

表4的数据仅仅反映了组合系统的处理效果趋势，不能直接反映各单元的净化力，为了解各单元的去除效果，进一步分析了单元贡献率。

单元贡献率为该单元所去除污染物的量与系统去除总量的比值，公式如下：

式中：R代表单元贡献率；Cin为单元进水浓度；Cef为单元出水质量浓度；C0代表初始质量浓度。

图2展示了组合系统各单元的贡献率（年均值）。可以看到，B单元的贡献率远高于A、C单元，最高的是氨氮（56%），最低的是COD（40%）。这说明，B单元是组合系统的核心处理单元，去除效果显著。该单元的主要功能是过滤吸附污染质，其中高吸附容量的填料发挥着极其重要的作用。B单元中去氮效果显著，尤其是氨氮，这与填料配置中的蛭石有一定关系，相关资料[18-19]证实蛭石具有较高的去氮效果。B单元除磷效果也较明显，这是因为红壤具有较强的阴离子吸附性能[20]，有机污染物降解后,磷主要以阴离子态存在于系统中。相比氮磷，B单元对有机物的去除力稍弱，因此，有必要进一步增强潜流湿地B单元的填料、微生物和湿地植物的综合作用，从而提高组合系统净化力。

图2 组合系统各单元贡献率Fig.2 The rate of contribution of every cell in the system

A、 C两单元二者贡献率基本相当，约为20%左右。C单元是处理系统的最后一个单元，其主要作用是利用水生生物群落的吸收利用和转化，进一步降低污染物浓度，稳定出水水质，因此在该单元各污染物去除效果差异不显著。

2.2 系统净化力季节性差异

2.2.1 COD去除效果

组合系统对COD的去除效果如图3所示。可以明显看到，COD去除受温度影响显著，出水质量浓度中冬季最高，除冬季外其他季节出水均可达到国家一级A标准[GB 18918-2002]；COD去除率夏季最高为87%，冬季最低为66%，季节性变化规律为夏季＞秋季＞春季＞冬季，这与徐康宁等[21]的报道结果相似。

一般认为，COD去除途径如下：1) 部分有机物被填料颗粒所吸附而截留，为微生物所利用；2)部分有机物直接被微生物所吸收分解，转化成CO2及无机盐类，并不断被湿地植物作为营养而吸收利用[22]。因此，COD的降解和转化大部分依靠微生物的活动[23]。在组合系统中，夏季微生物活性强，处理效果好，而冬季气温低，微生物的活动受到极大的限制，从而致使COD不能得到有效地降解。

图3 系统COD进出水质量浓度及去除率Fig.3 In flow and out flow concentration and removal of COD

2.2.2 BOD去除效果

由图4可知，系统对BOD的去除情况季节性差异与COD去除总体上相似，但相对差异较小。秋与夏季系统BOD去除率都在91%左右，春与冬季的差异也较小，大体为89%左右。各季节出水BOD质量浓度大小依次为冬季＞春季＞秋季＞夏季，其中春、夏、秋三季出水达到国家一级A标准，冬季达到国家一级B标准。BOD去除存在季节性差异的主要原因与COD去除差异相同，BOD主要依靠微生物降解去除，低温条件下，微生物的活性减弱，BOD去除力下降。值得探讨的是, 系统BOD去除的季节性差异明显低于COD去除的差异，说明构建的中试湿地系统具有较强的抗有机污染负荷能力。处理系统同时接受了低含量BOD的试验废水，因此除了冬季生物活性低外，废水中含有的其他无机有毒元素极有可能是降低冬季COD去除率的重要因素。

图4 系统BOD进出水质量浓度及去除率Fig.4 In flow and out flow concentration and removal of BOD

2.2.3 NH4+-N去除效果

NH4+-N去除效果如图5所示。不同季节系统NH4

+-N去除率均为95%左右，出水水质稳定，达到了国家一级A标准。这说明系统NH4+-N的去除效果好，基本不受季节变化影响。其主要原因可归结为组合系统中添加了阳离子高吸附性的蛭石填料，其增强NH4+-N的吸附去除率；其次则可能是系统中冬季植物根系的输氧作用改善了根系区域的好氧微环境，这一功能受温度变化影响小，而好氧环境可促进硝化作用的进行。

图5 系统NH4+-N进出水质量浓度及去除率Fig.5 In flow and out flow concentration and removal of NH4+-N

2.2.4 TN去除效果

由图6可以看出，系统四季出水TN质量浓度均远低于国家一级A标准（15 mg/L），去除率大小依次为夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季去除率91%，夏季去除率96%，因此TN去除率受季节变化影响不显著。系统TN的高效去除与系统具有较强的BOD去除能力相关，伴随BOD的降解，有机氮转化为氨氮，然后在填料吸附、硝化和反硝化的综合作用下被去除。与氨氮去除率相比，冬季TN去除率下降，其原因可能是低温降低了BOD的降解，并同时抑制了反硝化细菌的活性。

图6 系统TN进出水质量浓度及去除率Fig.6 In flow and out flow concentration and removal of TN

2.2.5 TP去除效果

TP去除情况如图7所示。系统出水水质四季均可达到国家一级A标准，去除率为88%左右，全年出水质量浓度恒定。这说明，TP受季节变化影响小，去除效果稳定。TP的去除途径一般有三种：植物吸收、微生物作用和基质吸附。有研究[24]表明，植物和微生物作用在除磷方面贡献率不大，基质吸附是除磷的主要途径。而基质吸附作用受温度影响小，这可能是TP去除效果季节性差异小的主要原因。

图7 系统TP进出水质量浓度及去除率Fig.7 In flow and out flow concentration and removal of TP

3 结 论

（1）中试系统运行正常，处理后出水水质四季存在差异，但所有检测的污染物年均指标已达到一级A标准[GB18918—2002]。这说明构建的组合湿地系统可用于校园混合污水的处理。

（2）组合系统中潜流湿地B单元的实际贡献率最高，其中氮、磷去除率受季节温度变化影响较小。因此，进一步增强B单元基质、微生物和湿地植物，这三者的综合作用是提高和稳定模式系统净化力的关键环节。

（3）组合系统中冬季COD去除率明显低于其他三季，原因可归结为冬季系统生物活性低和试验室废水含有的无机有毒元素对COD降解的影响。因此，有必要通过丰富冬季系统的生物种类来提高冬季系统降解有机污染物的能力，当试验室废水无机污染物浓度过高时，可设置预处理单元，来提高混合污水的可生化性。

[1]高红杰,王 帅,宋永会,等.潮汐流-潜流组合人工湿地污水净化效率[J].环境工程学报,2013,7(10):3743-3748.

[2]Tee H C, Seng C E, Noor A M,et al.Performance comparison of constructed wetlands with gravel and rice husk-based media for phenol and nitrogen removal[J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(11): 3563-3571.

[3]宋志文,毕学军,曹 军.人工湿地及其在我国小城市污水处理中的应用[J].生态学杂志,2003,22(3):74-78.

[4]李建军,张会儒,熊志祥,等.水源涵养林健康评价指标系统的结构解析[J]. 中南林业科技大学学报, 2014,34(7): 19-26.

[5]孙晓涛,陈传胜,肖 波,等.植被过滤带拦截径流和泥沙效果的模型研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2014,34(42):96-101.

[6]吴后建,但新球,王隆富,等.中国国家湿地公园的空间分布特征[J].中南林业科技大学学报, 2015,35(6): 51-57.

[7]付新喜.人工湿地系统模式原理与污水处理效果研究[D].长沙:中南林业科技大学,2013.

[8]Gross A, Shmueli O, Ronen Z,et al. Recycled vertical flow constructed wetland (RVFCW): A novel method of recycling grey water for irrigation in small communities and households[J].Chemosphere, 2007, 66(5): 916-923.

[9]刘超翔,胡洪营,张 建,等.不同深度人工复合生态床处理农村生活污水的比较[J].环境科学,2003,24( 5) : 92-96.

[10]项学敏,杨洪涛,周集体,等.人工湿地对城市生活污水的深度净化效果研究:冬季和夏季对比[J].环境科学,2009,30(3): 713-719.

[11]Huang J, Reneau R B, Hagedorn C. Nitrogen removal in constructed wetlands employed to treat domestic wastewater[J].Water Research, 2000, 34(9): 2582-2588.

[12]黄锦楼,陈 琴,许连煌.人工湿地在应用中存在的问题及解决措施[J].环境科学,2013,34(1):401-408.

[13]Cookson W R,Cornforth I S,Rowarth J S.Winter soil temperature(2-15℃) effects on nitrogen transformations in clover green manure amended or unamended soils; a laboratory and field study[J]. Soil Biology and Biochemistry,2002,34(10):1401-1415.

[14]聂志丹,年跃刚,李林峰,等.水力负荷及季节变化对人工湿地处理效率的影响[J].给水排水,2006,32(11):28-31.

[15]郑僵秋,邹长武.季节变化对潜流人工湿地除磷脱氮的影响[J].中国农村水利水电,2012,(3):53-55.

[16]杨水兴.国际湿地科学研究的主要特点、进展与展望[J].地理科学进展,2002,21(2):111-120.

[17]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法( 第4版)[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

[18]胡 艳,胡曰利,吴晓芙,等.潜流湿地中蛭石填料对氮磷的去除效果研究[J].江苏环境科技,2007,20(3):5-8.

[19]陈明利,吴晓芙,陈永华,等.蛭石人工湿地中吸附-生物转化系统脱氮能力及其机理研究[J].环境工程学报,2009,3(2):223-228.

[20]胡 艳,胡曰利,吴晓芙,等.基质组合方式对生活污水中磷的去除效果研究[J].环境科学与技术,2008,31(7):112-115.

[21]张列宇,饶本强,熊 瑛,等.人工湿地黑臭水体处理系统微生物脱氮机理研究[J].水生生物学报,2010,34(2): 256-261.

[22]王晓丹,翟振华,赵 爽,等.北京翠湖表流和潜流湿地对细菌多样性的影响[J].环境科学,2009,30(1): 280-288.

[23]Ottova V, Balcarova J, Vymazal J. Microbial characteristics of constructed wetlands[J].Water Science Technology, 1997, 35(5):117-123.

[24]Westholm L J.Substates for phosphorus removal-potential benefits for on site wastewater treatment[J].Water Research,2006, 40(1):23-36.

[本文编校：谢荣秀]

Effect of seasonal changes on pollutant removal rate of a constructed wetland system established for treatment of municipal sewage

FU Xinxi, WU Xiaofu, CHEN Yonghua, XI Chengye, ZHOU Xin
(College of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

A pilot constructed wetland system consisting of a combination of “surface- flow A-subsurface flow B-surface flow C” units was established for treatment of municipal sewage. The effect of seasonal temperature change on the pollutant removal rate of the pilot system was monitored. The results showed that the annual average effluent quality of the pilot system met the 1st grade A of the national discharge standards for pollutants for municipal wastewater treatment [GB 18918-2002]. There were significant differences in treatment efficiency among Units A, B and C, of which Unit B gave the highest pollutant removal rate for all analyzed water quality index. The COD removal rate of the pilot system in winter was apparently lower than that in other seasons and the difference was significant. In comparison,the difference in removal rates of phosphorus and nitrogen of the pilot system was insignificant throughout the whole year. The reason is that the major parts of phosphorus and nitrogen were removed in unit B while the removal rates of phosphorus and nitrogen in unit B were little affected by temperature changes. Further enhancement of the bio-activity of the pilot system in cold season and increase in the adsorption and filtration capacity of Unit B are essential measures to strengthen the treatment efficiency and stability of the pilot system.

municipal sewage; pilot constructed wetland system; pollutant removal rate; seasonal effect

S718.57；X52

A

1673-923X(2017)09-0124-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.021

2016-04-28

中南林业科技大学青年基金项目（QJ201505）；湖南省教育厅优秀青年项目（15B249）；湖南省环境科学与工程重点实验室建设项目；国家科技惠民计划项目（2012GS430203）

付新喜，讲师，博士研究生

吴晓芙，教授，博士生导师；E-mail：wuxiaofu530911@vip.163.com引文格式：付新喜，吴晓芙，陈永华，等. 季节变化对组合湿地污水处理系统净化力的影响[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(9):124-128.