污染河水的人工湿地净化特性分析

赵 锦

（锦州市凌河保护区管理局，辽宁 锦州 121000）

人口增长和经济发展不仅加剧了水资源消耗，同时也带来严重的水资源污染问题。我国每年排放的污水总量已经达到数百亿吨，超过1/3的河流处于中度和重度污染状态。河流水体污染直接导致城市水环境不断恶化，限制了社会经济的进一步发展。采用人工湿地等生态净化方法，可以有效实现污染河水治理，改善城市水环境。人工湿地的净化作用较为复杂，包括物理作用、化学作用和生物作用等，有必要结合目前使用的几种人工湿地净化方式，探讨其具体的净化效果和净化作用。

1 人工湿地净化技术概述

人工湿地是利用其内部水体、基质、微生物和植物之间的复杂作用，实现污水治理的一种生态净化技术。具体包括物理净化作用、化学净化作用和生物净化作用等，能够去除污染河水中的有机物、营养物和悬浮物。人工湿地有多种运行方式，但目前关于人工湿地的研究主要表现在垂直流-水平流复合形式方面，而对于两级垂直流复合形式的研究较少，更缺乏对其污染河水净化作用的研究。另外，对垂直流间歇运行方式的参数研究也未形成统一结论，主要结合污水水质特点和地区气候条件进行分析[1]。

研究发现，采用复合形式的人工湿地可以有效强化人工湿地的污染河水治理效果，充分发挥其内部要素功能。比如，采用多级潮汐流人工湿地可以提高人工湿地对污染河水总氮的去除效果，总氮去除率可以达到85%。有学者构建了垂直潜流-水平潜流-水平表流的负荷人工湿地系统，使其氨氮、TSS（总悬浮固体）、BOD5（生化需氧量）的去除效果得到提升。因此，有必要对不同组合形式的人工湿地系统进行分析，通过采用最佳的组合形势，提升人工湿地净化能力，达到污染河水治理目标。

2 人工湿地对污染河水的净化试验

2.1 试验准备

本次试验构建了一个两级垂直流人工湿地系统，在该系统内，对两级垂直流人工湿地构造方式进行相同设置，尺寸规格均为0.55 m×0.55 m×0.80 m，机制厚度为55 cm，粒径分布设置为5～30 mm，孔隙率为50%。一级垂直流人工湿地设置为间歇运行方式，即潮汐流人工湿地，采用河边砾石作为湿地基质。二级垂直流人工湿地设置为连续运行方式，采用具有强磷吸附能力的炉渣作为湿地基质。在两级人工湿地中种植的植物均为芦苇，种植密度设置为13株/m2。在该复合系统中，一级人工湿地采用瞬间进水、出水的方式运行，干湿周期各为1 d，出水直接进入二级人工湿地。二级人工湿地则采用连续运行方式，水力负荷对应设置为0.5 m/d。对两级人工湿地水位的设计均低于基质表面5 cm，且湿地内种植的芦苇植物均在9月末进行收割，保留植物根部和基质表面10 cm之上的茎秆[2]。

2.2 试验水质

本次试验采用小凌河水样，该河流为城市主要纳污河道，存在较为严重的水质污染问题，其水质接近生活污水。在上述湿地系统中，进水的主要污染年平均值范围如下：化学需氧量（COD）为（221.3±15.0）mg/L；BOD5（49.6±4.2）mg/L；总磷（TP）为（3.4±0.2）mg/L；固体悬浮物（SS）为（196.8±15.5）mg/L；（5）氨氮（NH3-N）为（29.9±1.6）mg/L；总氮（TN）为（18.1±0.8）mg/L。数据结果显示，皂河水质的污染状况所有改善，但有机物和营养物浓度较高，仍属于重度污染河道[3]。

2.3 试验方法

本次试验的取样周期为每周一次，分别从两级人工湿地单元中进行取样分析，包括进水水样和出水水样。采用哈希算法测定TN、NH3-N、COD等污染物含量。在芦苇收割后，测量收割后的湿地植物干重，利用H2SO4-H2O2消解法对植物组织内的氮磷含量进行分析。同时，采用SPSS等软件辅助数据统计和分析[4]。

3 人工湿地净化效果及净化特性分析

3.1 BOD5、COD和SS净化特性分析

上述构建的两级垂直流人工湿地系统对污染河水中BOD5、COD和SS的去除效果为：（1）进水取样的BOD5浓度为49.58 mg/L，COD浓度为221.28 mg/L，SS浓度为196.77 mg/L；（2）经过一级垂直流湿地后，BOD5去除率为84.10%，COD去除率为79.00%，SS去除率为92.00%；（3）经过二级垂直流湿地后，BOD5去除率达到94.70%，COD去除率达到84.10%，SS去除率达到98.70%。从试验结果可以看出，在该复合人工湿地系统中，一级湿地对BOD5、COD和SS的去除效果较为显著，去除率可以达到90%，而经过二级潜流湿地单元，能够进一步强化对BOD5、COD和SS的去除效果，去除率提升接近10%。这说明不同进水方式的组合可以提高人工湿地系统对污染河水中有机物、悬浮物的去除能力。

通过对该系统的长期取样观察，可以得出BOD5的年平均值为（2.7±0.2）mg/L，去除率为94.7%；COD的年平均值为（2.7±0.2）mg/L，去除率为85.6%；SS的年平均值为（2.5±0.5）mg/L，去除率为98.7%。去除效果较为稳定，而且不具有明显季节差异性（p＜0.05）。这充分体现了人工湿地用于河水污染治理的优势，两级垂直流湿地系统更强化了其物理净化能力，能够有效降低河水污染物浓度，获得较好的BOD5、COD和SS的去除效果。

3.2 磷净化特性分析

通过对两级垂直流人工湿地系统中的进出水进行取样，观察磷含量变化情况，人们可以得出该系统对污染河水中磷的去除效果。试验结果显示，经过一级人工湿地，溶解性磷的去除率可以达到48.00%，悬浮态磷的去除率可以达到67.70%。经过二级人工湿地，溶解性磷的去除率可以达到81.30%，悬浮态磷的去除率可以达到89.20%。由于进水中悬浮物浓度较高，因此进水磷中54.9%为悬浮态磷，通过发挥一级湿地的过滤和吸附作用，对悬浮态磷的去除率可以达到67.70%，同时能够去除48.00%的溶解态磷。二级湿地去除磷的效果非常显著，这主要是由于二级湿地的基质吸附作用和植物吸收作用。

通过对比不难发现，两级垂直流人工湿地系统的磷去除效果高于潮汐-水平流人工湿地系统。该湿地系统的磷去除效果也未表现出显著的季节性波动，磷去除效果较为稳定。其中，本次试验采用的具有强磷吸附作用的炉渣基质也发挥出了重要作用，进一步强化了人工湿地的磷过滤和磷吸附能力。

3.3 氮净化特性分析

通过对两级垂直流人工湿地系统的进、出水氮含量变化情况进行观测，人们可以得出两级垂直流人工湿地系统对污染河水中氮的去除效果。试验结果显示，经过一级人工湿地，氨氮去除率可以达到53.30%，有机氮去除率可以达到64.40%。经过二级人工湿地，氨氮去除率可以达到87.70%，有机氮去除率可以达到88.00%。进水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在，分别占到60.5%和36.7%，两级垂直流人工湿地系统对两种形式的氮均有较好的去除效果，而且间歇运输方式能够有效提高氨氮去除效果，降低后续湿地有机负荷，提升微生物硝化作用以及植物吸收去除能力。从氨氮和有机氮的年平均值和去除率情况来看，两级垂直流系统的氨氮年平均值为（2.2±0.4）mg/L，去除率为87.7%；有机氮的年平均值为（7.7±0.8）mg/L，去除率为74.1%。而相关学者对潮汐流-水平潜流复合形势的研究结果显示，其氨氮去除率为19.5%，有机氮去除率为10.3%，远不如两级垂直流系统的去除效果。

通过比较可以得出，两级垂直流复合系统的总氮去除效果更好，可以对污染河水中的氨氮和有机氮进行有效去除。人工湿地的氮去除原理主要是依靠微生物的降解作用和植物的吸收作用。在微生物的降解过程中，主要表现为好氧和厌氧过程，间歇运行的人工湿地系统能够更好地维持好氧环境，水平流人工湿地系统则主要为厌氧环境。因此，优化垂直流复合系统的间歇运行周期，可以改善其内部氧化条件，从而提高人工湿地净化效果。在本次设计的两级垂直流人工湿地系统中，不同湿地单元形成了利于脱氮的好氧和厌氧环境，是脱氮率提升的主要原因。但其脱氮效果受温度影响较为显著，具有较为显著的季节波动性，在低温时脱氮率明显下降。

3.4 植物净化作用分析

关于植物净化作用的分析，主要通过对收割后植物干重以及植物组织氮、磷含量的计算得出。试验结果表明，在一级垂直流人工湿地中，植物对于氮的去除贡献率为10.9%，对磷的去除贡献率为5.6%；在二级人工湿地中，植物对于氮的去除贡献率为19.8%，对磷的去除贡献率为17.9%。由此可以看出，该系统中的芦苇植物相比于潮汐流和连续流湿地表现出更加显著的氮磷吸收作用，采取连续运行方式的垂直流人工湿地更有利植物生长。此外还可以看出，在一级湿地中植物对氮的去除贡献率明显高于对磷的去除贡献率，而在二级湿地中差异显著缩小，这主要是由于污染物形态的改变，为植物提供了更好的去除环境。

4 结语

人工湿地是净化污染河水的有效方法，采用不同的复合形式，可以获得不同的净化效果。通过对两级垂直流人工湿地的有机物、悬浮物、氮、磷以及植物净化特性进行分析，人们可以总结出提高人工湿地净化效果的具体方法，从而更好地实现污染河水治理目标。

参考文献

1 熊家晴，段 然，郑于聪，等.不同形式复合人工湿地对污染河水的净化差异研究[J].工业水处理，2017，37（10）：27-30.

2 熊家晴，黄文平，郑于聪，等.潮汐-连续流组合人工湿地对污染河水的净化特性[J].工业水处理，2017，37（7）：26-30.

3 段 然.不同形式表流-潜流人工湿地对污染河水的净化效果差异[D].西安：西安建筑科技大学，2017.

4 葛 媛.潜流人工湿地中的基质作用及污染物去除机理研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.