人工湿地净化尾水效果的研究

宋柯峥，胡昀

(1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2.湖北大学生命科学学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

随着我国经济的不断发展，人们生活水平的逐渐提升，我国废水排放量逐渐增加，2016年全国废污水排放总量765亿吨，废污水经处理后，最终直接排入江河、湖、海域和水库等水环境[1].污水处理厂处理后的尾水具有排放量大、氮磷浓度高、有机物浓度低、组成成分庞杂等特点，多数尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中最严格的一级A标准后排入地表水体，而一级A标准劣于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中地表Ⅴ类水质标准，处理后的尾水若直接排放仍会对受纳水体造成二次污染，因此常需要根据排放或回收利用要求有针对性地对尾水进行处理，如何深度处理尾水成为水污染控制技术的关键[2-4].

目前，污水处理厂尾水深度净化主要采用膜技术、高级氧化技术与人工湿地生态技术[5].膜处理技术可以去除细菌、病毒、营养盐、腐殖酸和总溶解性固体等，但其强度差、寿命短、抗污能力差，具有极高的运行成本[6].高级氧化技术对氮磷等营养盐的去除效果不好[7].人工湿地作为一种污水生态处理技术利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化，使水质得到改善，实现对废水的生态化处理，并广泛应用于面源污染控制、雨水处理和污水处理等领域，具有投资及维护费用低、出水水质好、二次污染小等优点[8-9].湿地植物作为人工湿地重要组成部分之一，也起着至关重要的作用，有学者研究不同湿地植物对生活污水的净化效果，结果表明种植美人蕉(Cannaindica)的人工湿地对污水中氮的净化效果较种植其他植物的湿地好[10].岑璐瑶等[11]研究种植不同植物的人工湿地深度处理尾水的的净化效果，研究表明美人蕉湿地对氨氮和总磷去除效果最好，平均去除率分别为76.33%和79.43%，总体来说美人蕉在吸氮纳磷方面相对较好.本文中选择美人蕉作为湿地植物，通过研究不同构型人工湿地对尾水的处理效果，探讨温度、pH、进水因素等对湿地系统净化能力的影响，以期为更高效运用人工湿地处理污水处理厂尾水提供科学依据和技术指导.

1 材料与方法

1.1 实验装置

1.1.1 水平流人工湿地 3套水平流人工湿地系统尺寸均为70 cm×50 cm×50 cm(L×W×H)，有效容积为0.05 m3.装置用两块筛板隔开成3部分：布水区、主体区域和集水区域，其中布水区与集水区域使用碎石作为填料，碎石粒径5～8 mm，主体区域使用河沙作为填料，河沙粒径0～4 mm，3个区域填料填充高度均为40 cm，基质上种植密度为40株/m2的美人蕉.水平流装置进水从布水区流向集水区.

1.1.2 垂直流人工湿地 3套垂直流人工湿地系统尺寸均为25 cm×100 cm(D×H)，有效容积为0.05 m3.垂直流的下层填充5 cm高、粒径5～8 mm的砾石，上层填充75 cm高、粒径在0～4 mm的河沙，基质上种植密度为40株/m2的美人蕉.垂直流湿地系统水流方式为从上向下.

1.2仪器与试剂紫外/可见分光光度计(UV-754 上海精密仪器厂)，电子分析天平(PT-A-20 福州华志科学仪器厂)，消解用高压灭菌锅(GF36DX 美国致微)，电热恒温水浴锅(BSG-24 上海一恒)，化学需氧量恒温加热器(JC-101 青岛聚创环保设备有限公司)，精密pH计(PHS3-3C 上海雷磁仪器厂)；氢氧化钠、过硫酸钾、酒石酸钾钠、碘化钾、氨基磺酸、重铬酸钾、硫酸银、钼酸盐、葡萄糖、硝酸钾、氯化铵、磷酸二氢钾、氯化钙、七水硫酸镁、五水硫酸铜、四水氯化锰均为分析纯并购自上海国药集团化学试剂有限公司.人工配水：葡萄糖56.6 mg/L，硝酸钾86.57 mg/L，氯化铵30.56 mg/L，磷酸二氢钾136.09 mg/L，氯化钙2.5 mg/L，七水硫酸镁27.5 mg/L，七水硫酸锌30 mg/L，五水硫酸铜7.5 mg/L，四水氯化锰30 mg/L.

1.3 实验方法

1.3.1 实验方法 实验总时间为1-5月，采用间歇式人工配水的方式进水.试运行阶段为1-3月，进水为自来水，水力停留时间为6 d，待植物、生物膜生长好后，即系统稳定后进行后续试验.实验阶段为3-5月，模拟《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准出水作为湿地进水条件.每个系统每次进水量为25 L，水力停留时间为6 d.每次现场取样均对进出水的氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和pH进行测定.进水水质平均值NH4+-N为(7.95±0.47)mg/L、NO3--N为(12.37±0.68)mg/L、TN为(21.13±1.11)mg/L、TP为(1.02±0.11)mg/L、COD为(65.23±5.71)mg/L、pH为(7.65±0.19)mg/L；最低气温平均值为(19.00±3.12)℃；最高气温平均值为(28.80±3.22)℃.

表1 监测项目及分析方法

1.3.2 水质测定方法 水质监测项目包括pH、COD、TN、NO3--N、NH4+-N、TP，各项指标分析方法见表1.

1.3.3 统计学方法 垂直流人工湿地和水平流人工湿地净化效果数据差异显著性采用SPASS23.0软件Student T检验法进行统计分析，P<0.05视为差异性显著；Pearson相关系数用来分析各水质指标与去除率之间的关系.

2 结果与讨论

2.1 化学需氧量的去除效果COD是评价污染水体中有机污染的重要指标.如图1所示，湿地进水COD浓度为58.92～74.67 mg/L，经过水平流和垂直流人工湿地系统处理后，出水COD浓度明显降低，水平流人工湿地系统对COD的去除率为47%～66%，垂直流人工湿地系统对COD的去除率为41%～52%，水平流湿地系统对COD的平均去除率53.5%明显高于垂直流人工湿地系统47.3%(P<0.05).在人工湿地中COD的去除主要由基质拦截、植物吸收以及微生物降解，微生物好氧降解COD与周围环境含氧量相关[10].本实验中水平流和垂直流湿地系统中基质和植物种植密度相同，水平流湿地系统基质相对较浅、处于有氧环境，而垂直流湿地系统较深，水随重力的作用下使全部聚集在装置底部的缺氧环境之中，在该情况下有机物厌氧降解速度比好氧代谢慢，因此垂直流人工湿地系统对COD的去除率比水平流湿地系统低.

图1 COD进出水浓度及其去除率

图2 氨氮进出水浓度及其去除率

2.2 氨氮的去除效果如图2所示，湿地进水浓度氨氮平均浓度在7.95 mg/L左右，经水平流人工湿地处理后出水浓度可降至0.13 mg/L，经垂直流人工湿地处理后出水浓度可降至0.05 mg/L，均达到《地表水环境质量标准》中的I级标准.垂直流湿地系统对氨氮的平均去除率为90.2%,略高于水平流人工湿地(83.6%)，这与Yalcuk等人研究结果相似[11].随着湿地系统的连续运行，氨氮的去除率逐渐上升直至趋于稳定，这与Hu等的研究结果类似，进水中氨氮的去除主要是基质吸附、氨挥发、植物吸收和根系微生物的硝化作用，氨氮去除率的逐渐上升可能是因为湿地系统中植物和微生物膜逐渐长好，大部分氨氮通过植物吸收以及微生物的硝化作用得以去除[12].

图3 硝态氮进出水浓度及其去除率

2.3 硝态氮的去除效果硝态氮是氮元素稳定存在的形式，为湿地系统进、出水中氮元素的主要组成部分，硝态氮的去除主要是靠微生物的反硝化作用，氧气会抑制微生物反硝化酶类的活性，因此在缺氧环境微生物更容易降解硝态氮.如图3所示，进水硝态氮平均浓度在12.37 mg/L，经垂直流和水平流人工湿地系统处理后可降低到4.9 mg/L，去除率可高达62%,与先前一些学者报道的去除率98.5%仍有一定差距[13].尾水一般呈现氮素高度硝化且碳源不足的水质特点，因此人工湿地系统一定要解决碳源不足抑制反硝化而导致硝态氮去除率低的问题.

2.4 总氮的去除效果起初进水总氮平均浓度为21.13 mg/L，由于进水总氮的组成中硝态氮占了3/5左右，不同人工湿地总氮的去除率曲线和硝态氮的去除率曲线相似，从图4中可以看出，水平流和垂直流湿地系统出水总氮浓度分别可降至5.22 mg/L和4.66 mg/L，垂直流人工湿地系统平均总氮去除率60.6%显著高于水平流人工湿地系统56.3%(P<0.05)，说明垂直流人工湿地系统去除总氮的能力强于水平流人工湿地系统，可能是因为垂直流湿地系统下部的饱和水层，形成了系统底部的厌氧环境，而上部由于植物根系的输氧和表层复氧处于缺氧或好氧状态，这种好氧与厌氧条件的共存与交替当于若干个微小的A/O工艺串联，为根系好氧、兼性厌氧和厌氧微生物提供了不同的微生境有利于微生物脱氮过程中的硝化、反硝化作用[14].

2.5 总磷的去除效果如图5所示，实验初期进水总磷平均浓度为1.02 mg/L，垂直流湿地系统去除总磷效果优于水平流湿地系统，可能是因为垂直流湿地比水平流湿地水流更剧烈、沉降距离更长，污水在流动过程中与基质和植物接触更充分，基质吸附和截留效果更好.后续随着时间的推移，出水总磷浓度逐渐增加并高于进水浓度，降解率明显降低.湿地系统对总磷的去除可通过基质吸附、植物吸收和微生物降解，其中基质的吸附沉淀占主导作用[15].本实验基质使用的是河沙，自身对磷的吸附能力很差，当基质吸附磷达到饱和时磷便难以被除去；此外，水力停留时间过长也会导致微生物厌氧释磷，因而湿地系统整体去除磷的能力比较差.

图4 总氮进出水浓度及其去除率

图5 总磷进出水浓度及其去除率

2.6 水质指标与去除率相关性研究为探究各指标去除率之间的关系，我们用Pearson对每个变量做了相关性分析，检验结果见表2和3.从表中可以看出，垂直流和水平流湿地系统中进水氨氮浓度分别与总氮、硝态氮和氨氮去除率显著相关，说明进水氨氮浓度很大程度上影响着湿地对氮的去除，同时气温与总氮、硝态氮和氨氮去除率具有显著相关性，说明气温是影响人工湿地系统脱氮的一个关键因素.在水平流湿地系统中进水pH值与总氮和氨氮去除率有显著相关性，在垂直流湿地系统中进水pH值与硝态氮去除率显著相关，表明进水pH值一定程度上与湿地脱氮相关.在垂直流人工湿地系统中COD与各种形态氮的去除率显著相关，说明进水COD的值影响着湿地系统脱氮的效率.

表2 水平流各指标去除率间的相关性系数

* 表示在 0.05 相关性显著；** 表示在 0.01 相关性显著；— 表示非显著性相关

表3 垂直流各指标去除率间的相关性系数

* 表示在 0.05 相关性显著；** 表示在 0.01 相关性显著；- 表示非显著性相关

3 结论

人工湿地运行初期净化效果不理想，随着植物、生物膜长好，湿地运行逐渐稳定，净化效果明显上升，COD、氨氮、硝态氮、总氮去除率可分别高达66%、98%、62%、79%，其中氨氮经湿地系统处理后可达到《地表水环境质量标准》Ⅰ级标准.总氮、氨氮、总磷在垂直流湿地系统中的去除率均高于水平流湿地系统，COD在水平流湿地系统中的去除率(53.5%)却高于垂直流湿地系统(47.3%)，通过对水平流和垂直流湿地净化尾水效果的分析比较,表明构型的不同会产生不同的水力学特征，处理过程中水流状态和路径不同，进而导致环境影响因素如微生物、溶解氧等分布不同，垂直流湿地系统比水平流人在污水与基质、植物接触和沉降、微生物多样性分布方面更具优势.Pearson相关性分析表明人工湿地系统中进水氨氮浓度和气温对总氮、氨氮、硝态氮的去除具有显著影响.