不同进水浓度对组合式垂直流人工湿地 污水处理效果的影响

洪海燕

（安徽三联学院，合肥 230601）

随着污水处理要求的提高，人工湿地从最初主要用于处理污水中悬浮物和有机物逐渐朝脱氮除磷方向发展[1]。与磷在人工湿地中主要借助基质吸附与沉淀作用去除不同，氮在人工湿地中主要依靠微生物的硝化/反硝化作用去除。具体应用中，一般的人工湿地脱氮效率不超过50%，利用垂直流湿地对污水中NH3-N 平均去除率为60.0%[1]。由于垂直流人工湿地系统植物根系中氧的转移能力较强，所以氮的生物硝化能力强，而氮的反硝化作用减弱。

在氮的反硝化过程中，用各种各样的有机底物（碳源）作为电子受体，碳源的不足影响了氮的反硝化能力，因此补充碳源能提高湿地的有机物氧化分解能力，增加脱氮效率。为了提高人工湿地氮去除效率，本试验设计组合式垂直流人工湿地系统，采用“下行-上行-下行”水流方式的组合形式，一方面可以通过水流重力的无动力，降低污水处理的能耗；另一方面可以通过分级进水增加碳源，促进反硝化作用，加强脱氮效果。

1 材料与方法

1.1 组合式垂直流人工湿地小试系统

安装组建4 套“下行-上行-下行”组合式垂直流人工湿地小试系统，如图1所示。每套人工湿地系统装置由3 级填充不同基质的垂直流人工湿地单元组合而成，第一级湿地填充的基质是7～18 mm 的沸石，第二级湿地填充的基质是6～9 mm 的页岩，第三级湿地填充的基质是5～10 mm 的陶粒。3 种基质填充的高度都为0.5 m。湿地种植的植物选用西伯利亚鸢尾，因其具有粗壮的根状茎，能有效拦截污水中的有机物质，既耐寒又耐热，具有很好的观赏价值，种植密度为20 株/m2。

图1 组合式垂直流人工湿地小试系统

将直径25 mm 已穿孔的PVC 管布置在每级湿地单元的池子顶部及底部，用于均匀分布进水和收集出水。第三级湿地出水口设置虹吸管，虹吸管出口位于30 cm 处。

1.2 试验设计

试验前连接好布水管、集水管等装置，移栽种植处于生长期的西伯利亚鸢尾，并用自来水冲洗试验装置和填料浮尘，取合肥市经开区某污水厂初沉池出水用作湿地进水，进水COD 平均浓度为151.5 mg/L，TN 平均浓度为37.12 mg/L，TP 平均浓度为4.52 mg/L，磷酸盐（PO43-）平均浓度为3.21 mg/L。试验之前，用稀释的进水先对湿地植物进行培养驯化，其间定期测定出水水质，待有稳定出水水质再慢慢提高水力负荷，试验周期为2018年4-9月，历时5 个月。

4 套系统中每套系统由3 级湿地池子组成，每套平行系统都设置4 个不同的两级进水方式，分别为0%的进水浓度、10%的进水浓度、20%的进水浓度、30%的进水浓度。0%浓度的进水方式为：第一级进水浓度为100%，第二级进水浓度为0%；10%浓度的进水方式为：第一级进水浓度为90%，第二级的进水浓度为10%；20%浓度的进水方式为：第一级进水浓度为80%，第二级的进水浓度为20%；30%浓度的进水方式为：第一级进水浓度为70%，第二级的进水浓度为30%。

1.3 水样采集与测定

采集每套湿地单元第1、2、3 级的出水和进水，其间及时进行水样分析，每周采集一次，试验指标COD 的测定方法（重铬酸钾氧化法）、NH4+-N 的测定方法（纳氏试剂光度法）、TN 的测定方法（过硫酸钾氧化 紫外分光光度法），TP 的测定方法（钼酸铵分光光度法）[2]。各指标测定的具体操作步骤详见《水和废水监测分析方法（第4 版）》。

1.4 数据处理

计算公式为：污染物的去除率（%）=（C进-C出）/C进×100%。

每级去除贡献率即为每个湿地池子的处理能力对总处理能力的贡献。第一级处理去除贡献率（%）= （1 级C进-1 级C出）/（1 级C进-3 级C出）× 100%；第二级处理去除贡献率（%）=（1 级C出- 2 级C出）/（1 级C进-3 级C出）×100%；第三级处理去除贡献率（%）=（2 级C出-3 级C出）/（1 级C进- 3 级C出）×100%。

2 试验结果与分析

2.1 COD 去除结果分析

从表1试验结果来看，4 套平行装置的人工湿地总出水水质较稳定，污染物的COD 平均去除率也在80%以上，人工湿地每个处理单元的出水平均值在26.5 mg/L，出水COD 浓度远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A 标准[3]。这说明组合式的人工湿地系统能有效去除有机物中的COD，但从图2来看，每级出水水质差异不明显，说明这4 种进水方式对COD 处理效果的影响不大，再从进水0%-1 级出水的过程来看，COD 下降很明显，说明大多数有机污染物都在一级池子中去除，这主要是因为一级池子的布水管网均匀分布大量的污水，这些污染物能充分与池子上方的空气作用，形成有氧环境，它是去除COD 的有利条件。

在4 套系统中，第一级出水的去除贡献率为81.52%，而第二级出水的去除贡献率仅为1.02%，第三级出水的去除贡献率为17.46%，同时，在植物根部附着大量的微生物，植物对营养物质的吸收进一步提高了污染物去除的效果，特别像鸢尾这种大棵挺水植物，能有效拦截有机物。因此，本试验中，人工湿地COD 的去除过程主要发生在系统的第1 级。

表1 COD 进出水浓度及去除率

图2 不同进水浓度下的组合式垂直流人工湿地中COD 的沿程变化

2.2 TN 去除效果

从表2中TN 的试验结果来看，4 套平行试验TN 进水浓度为37.12±3.27 mg/L，TN 的总出水浓度为17.8±3.20mg/L，TN 的出水水质基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级B 标准[3]。从每一级湿地的曲线变化图的变化趋势来看，每级出水水质TN 不断下降，在20%-3 的出水TN 出现最低点，出水浓度为14.62 mg/L，说明在20%进水分配浓度条件下，TN 处理效果较好。

表2 TN 进出水浓度及去除率

生活污水中氮一般以有机氮和氨氮（NH4+-N）形式存在，硝酸盐氮（NO3--N）含量很低，污水中有机氮在处理过程中被微生物转化为NH4+-N，然后NH4+-N 在硝化菌的作用下进一步转化为NO3--N。湿地中氮的去除有微生物硝化和反硝化作用的两个过程。在好氧的条件下，发生硝化反应。

亚硝酸盐菌：

硝酸盐菌：

第一级去除贡献率在40%左右，大部分氮的去除发生在第一级，再加上沸石的离子交换作用，大部分NH4+-N 被去除。

在湿地的床层中，连续存在好氧、缺氧以及厌氧的状态，微生物的硝化反应和反硝化反应也是同时进行的，在缺氧的情况下，氮又发生反硝化反应，反硝化过程中在反硝化菌的作用下，各种有机物质作为碳源为反硝化反应提供电子供体，NO2--N 和NO3--N形式被还原成N2释放出来。本试验采用第二级补充污水作为碳源，结合第二级上行布水方式提供的厌氧环境，加强了氮的反硝化反应，提高了氮的去除效果。因此，第二级的出水TN 浓度在第一级的基础上又有所下降，4 套系统第二级对TN 的去除贡献率平均为41.23%，效果显著，三级出水对TN 的去除贡献率分别为40.99%、40.84%、18.17%，如图3所示。

试验数据表明，第一级和第二级去除效率较高，在进水比例为30%浓度的第二级时，TN 的去除效率有下降，可能是因为第二级补充过多的污水，导致氮无法完成微生物的硝化过程，以至于TN 整体的去除效率下降。因此，需要控制合理的分级进水浓度，这样才能获得更好的脱氮效率。通过第三级平行出水水质的比较，笔者发现，20%份额的第三级出水的TN浓度明显低于其他进水份额的第三级TN 出水浓度，说明20%进水分配的TN 去除效果最好。

图3 不同进水浓度下的组合式垂直流人工湿地中TN 的沿程变化

2.3 TP 去除效果

从试验结果来看，4 套平行装置中，TP 的去除率在75.53%～80.81%，TP的出水浓度分别为0.87 mg/L、 1.13 mg/L、1.02 mg/L、1.27 mg/L，TP 的出水浓度基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）的一级B 标准（见表3）[3]。比较平行装置不同进水浓度下的TP，其总出水浓度相差不大，各处理之间的去除效果没有显著差异，如表3、图4所示。和COD 类似，这说明进水方式对TP 的处理影响不大，但从表3、图4来看，污水经湿地第一级和第二级单元处理之后TP 浓度没有明显下降，到湿地第三级之后TP 浓度有显著减少，4 套系统中每套系统第一、第二级对TP 去除的贡献率平均分别为29.57%和16.88%，第三级对TP 去除的贡献率为54.35%，说明第三级对TP 去除的贡献大，试验表明TP 的去除大部分在第三级完成。因此，湿地的基质对磷的去除起到很大的作用。

表3 TP 进出水浓度及去除率

图4 不同进水浓度下的组合式垂直流人工湿地中TP 的沿程变化

污水中磷有三种存在形式，即有机磷化合物、不溶性磷酸盐和可溶性磷酸盐，统称为总磷（TP）[4-5]。TP 的去除主要依靠基质吸附和湿地植物的吸收，本系统对TP 的去除效果明显，也很稳定。各个月份TP的去除率能够保持在80%～85%，研究发现，不同基质对磷的去除存在较大差异，若土壤中含有较多的钙、铁、铝氧化物，则有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝，增强土壤的去磷能力[6]。本试验装置中，第三级填充基质富含有钙物质的陶粒，可与可溶性的无机磷酸充分发生化学反应，有助于磷的去除。还有一部分无机磷，可以通过微生物聚磷菌的过量积累和植物的收割更换去除。

3 结论

组合式垂直流人工湿地对COD的处理效果稳定，且4 套装置的第三级出水均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A 标准。不同进水方式对COD 处理影响不大，系统第一级去除了污水中的大部分COD。4 套系统各级对TP 有一定的去除能力，但在第三级去除显著，系统TP 出水浓度基本能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级B 标准，可以通过适宜基质的配置进一步降低TP 出水浓度。不同进水方式对去氮效果明显，在本试验中当进水比例为20%时，TN 去除效率达到53.88%，说明分级进水方式可以提高TN 的去除率。