污染物负荷对水平流人工湿地净化效果的影响机制

杨世博 ，郑于聪 ，Mawuli Dzakpasu，王晓昌 ，王文东

（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西省环境工程重点实验室，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安710055；2.西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西西安710049）

随着我国乡村经济的不断发展和美丽乡村建设的不断推进，提高乡村污水的收集和处理率迫在眉睫。乡村污水主要来源于洗涤、冲厕和禽畜养殖用水，分布较为分散且单位水量小，水量、水质波动大，但可生化性强〔1-2〕。因此，分散式污水处理是适合在乡村地区推广应用的一种污水处理模式，而水平潜流人工湿地则因具有投入少、运行维护简单、效果好且具有景观功能等优点逐渐在国内得到推广应用〔3〕。

人工湿地对污水中的各类污染物均具有较好的处理效果，但污水组成会对人工湿地的净化效果产生影响。如溶解氧水平的高低会影响人工湿地中硝化反应的进行，而进水有机物的高低则会显著影响反硝化过程，并会因为竞争溶解氧而限制硝化反应的进行。因此，针对乡村污水特性，如何优化人工湿地的抗负荷波动能力，是实现人工湿地技术在乡村地区推广应用的重要保障。

为了提高人工湿地在乡村污水处理中的适用性，本研究通过构建17组对照实验，系统研究了乡村污水污染物负荷的波动对人工湿地污水处理效率的影响，并使用冗余分析方法对进水负荷与污染物去除效果间的相关性进行了分析，以期为人工湿地技术在乡村地区的推广提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 人工湿地的构建与运行

实验在西安建筑科技大学人工湿地科研区内构建了17组水平潜流人工湿地小试装置，装置均以聚丙烯为材料，尺寸均为40 cm长、20 cm宽和20 cm深。各人工湿地中均使用粒径为3～5 mm的陶瓷滤料作为基质，并于人工湿地进、出水区填充碎石（粒径10～20 mm），优化人工湿地的配水和集水，且均以25株/m2的密度种植具有相同长势的菖蒲。各人工湿地均采用连续进水方式，进水负荷均为 0.06 m3/（m2·d），对应的水力停留时间均为36 h。实验开始前1个月使用稀释后的生活污水进行微生物接种及培养，待系统稳定后进行连续实验。

1.2 进水水质条件

实验采用人工配水方式，其主要污染物由葡萄糖、氯化铵、硝酸钾和磷酸二氢钾等配制。人工湿地进水水质:COD 150 mg/L，NH4+-N 30 mg/L，NO3--N 8 mg/L，TP8 mg/L。通过改变17组人工湿地的单一进水指标浓度，进行了不同进水条件下的小试实验。其单因素指标改变情况见表1。

表1 人工湿地进水污染物浓度

1.3 实验方法

实验期间，每隔3 d对各人工湿地的进出水水样进行取样分析。pH采用HACH-HQ30d测定仪进行测定，TP、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N 的测定方法参照参考文献〔4〕。使用Excel 2010和Canoco4.5软件进行数据统计、分析，当p<0.05时认为差异性显著。

2 结果与讨论

2.1 不同进水负荷下人工湿地对污染物的去除效果

通过改变不同污染物的进水浓度，考察水平流人工湿地对各污染物负荷波动的抵抗能力，结果如图1所示。

图1 不同进水负荷下人工湿地对污染物的去除效果

从图1（a）可以看出，当进水TP负荷在0.1～0.5 g/（m2·d）的范围内增加时，人工湿地对TP的单位去除量呈线性增加趋势。人工湿地对磷的去除主要依赖于填料吸附、沉淀、植物吸收、微生物降解等，而填料吸附是人工湿地中磷的主要去向。实验选用的陶粒具有多孔、比表面积大和磷吸附能力强的优点〔5〕，具有较好的磷去除能力。但是，当进水TP负荷＞0.3 g/（m2·d）时，人工湿地对TP单位去除量的增长趋势变得略微平缓，说明人工湿地对磷的去除需要一定的接触时间来完成，过高的负荷不利于磷的去除。从图1（b）可以看出，当进水 COD负荷在 2.1～12.8 g/（m2·d）的范围内增加时，人工湿地对 COD 的单位去除量呈线性增加趋势，说明实验条件下，人工湿地能够很好地实现对COD的去除。水平流人工湿地内较好的基质作用和微生物丰度均有助于实现较好的COD 去除效果〔6〕。

从图1（c）可以看出，当进水NH4+-N负荷在0.2～1.7 g/（m2·d）的范围内增加时，人工湿地对 NH4+-N的单位去除量呈线性增加趋势。说明在水平潜流人工湿地溶解氧浓度较低的情况下，采用具有较好NH4+-N吸附能力的基质填料，能够有效提高人工湿地对 NH4+-N 的去除效果〔7〕。 从图 1（d）可以看出，当进水 TN 负荷在 0.6～1.2 g/（m2·d）的范围内增加时，人工湿地对TN的单位去除量呈增加趋势；继续增加进水TN负荷，人工湿地对TN的单位去除量并不能显著增加。人工湿地对TN的去除效果较差的原因可能是由于人工湿地中的碳源不足，使得反硝化过程受到限制。张荣社等〔8〕也通过研究发现，进水TN负荷显著影响着人工湿地的氮去除能力，进水TN浓度越高，人工湿地的氮去除率越低。

2.2 人工湿地对污染物去除的多因素分析

上述研究表明，水平潜流人工湿地对污水中TP、COD、NH4+-N的单位去除量能够随着进水污染负荷的增加而呈线性增加，对TN的去除则并未呈线性增加。为了系统研究进水污染物组成及其负荷对人工湿地中污染物去除过程的影响规律，在相同的进水有机物负荷条件下，对影响人工湿地脱氮除磷效果的多因素参数进行了冗余分析，如图2所示。其 中，RrTP、RrTN、RrNH4+-N、RrNO3--N 分 别 代 表TP去除率、TN去除率、NH4+-N去除率、NO3--N去除率；RaTP、RaTN、RaNH4+-N、RaNO3--N 分别代表 TP单位去除量、TN单位去除量、NH4+-N单位去除量、NO3--N单位去除量。

图2 水平潜流人工湿地脱氮除磷效果影响因素冗余分析

由图2可以看出，人工湿地的TP去除率和TP单位去除量均与进水NH4+-N负荷呈负相关，而与进水NO3--N负荷、C/N以及TP负荷呈正相关，且相关性依次增强。人工湿地对磷的主要去除途径是陶粒吸附〔5〕，在进水 COD 相同的条件下，C/N 越大，进水NH4+-N负荷就越低，NH4+-N的竞争吸附速率也越低〔8〕，因此增强了人工湿地对磷的吸附去除能力。人工湿地的TN去除率、NO3--N去除率、NH4+-N去除率均与进水NH4+-N负荷、NO3--N负荷、TN负荷呈负相关，而与C/N呈正相关。人工湿地中氮的去除受其进水负荷的影响较大，进水浓度越高，氮去除率越低〔8〕；而随着进水C/N的增加，湿地内的反硝化作用增强，进而提高了人工湿地的脱氮效率。然而，人工湿地的TN单位去除量却与进水NH4+-N负荷、TN负荷、NO3--N负荷呈正相关，而与TP负荷、C/N呈负相关。随着进水氮浓度的增加，人工湿地对氮的去除效率虽然受到抑制，但其单位去除量却能增加，而且根据相关性可知，碳源是抑制人工湿地氮去除效率的关键问题。此外，由于NH4+-N与TP存在竞争吸附关系，使得TN单位去除量与TP负荷呈负相关。

3 结论

（1）当进水 TP、COD、NH4+-N 负荷分别在 0.1～0.5、2.1～12.8 、0.2～1.7 g/（m2·d）的范围内增加时，人工湿地对TP、COD、NH4+-N的单位去除量均呈线性增加趋势；但人工湿地对TN的单位去除量却不能很好地随着进水TN负荷的增加而线性增加。

（2）水平潜流人工湿地的TP去除率和TP单位去除量均与进水NO3--N负荷、C/N以及TP负荷呈正相关，与进水NH4+-N负荷呈负相关；TN去除率、NO3--N去除率、NH4+-N去除率均与进水NH4+-N负荷、NO3--N负荷、TN负荷呈负相关，与C/N呈正相关；而TN单位去除量则与进水NH4+-N负荷、TN负荷、NO3--N负荷呈正相关，与TP负荷、C/N呈负相关。