水平潜流——表流复合人工湿地对微污染水氮磷研究

文_张红燕 刘艳娟

1.山西人和致远环境咨询有限公司 2.唐山学院环境与化学工程系

近十几年来，随着我国工业的迅猛发展和农用化学品的用量增加，地表水环境受到极大威胁，饮用水水源安全面临着日益严峻的考验。根据生态环境部发布的《中国环境生态状况公报》，2017年全国地表水1940个水质断面检测结果表明，IV、V类462个，占23.8%；劣V类161个，占8.3%；2019年全国地表水1931个水质断面监测（9个因断流、交通阻隔等原因未开展监测）结果表明，IV、V类占21.7%，劣V类占3.4%，相比2017年均有所下降。其中主要污染指标为氨氮、总磷、高锰酸盐指数、化学需氧量和五日生化需氧量。微污染原水的净化处理已迫在眉睫。

1973年由德国Kessel大学的Kickuth教授最先研发的人工湿地技术经过30年的发展，目前正逐渐得到广泛应用。该技术具有低成本、高能效的特点。然而单一人工湿地工艺存在基质吸附饱和与容易堵塞等问题，一定程度上限制了人工湿地的发展，而采用不同类型的人工湿地复合系统不仅可以较好地解决上述问题，还能充分发挥不同单元各自的优势及对污水处理的协同作用。因此，本研究设计一套水平潜流-表流复合人工湿地，旨在考察系统对微污染水体的脱氮除磷性能，并探讨了较低的有机负荷对系统各单元脱氮除磷的影响，以揭示氮磷去除效果的差异及主要影响因素。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验装置为水平潜流-表流复合人工湿地，各单元采用15mm厚的有机玻璃进行构建，通过20mm PVC管相连。水平潜流湿地尺寸为0.75m×0.4m×0.8m（长×宽×高），铺设55cm厚的砾石为基质，粒径分布5～30mm，孔隙率为50%；表流湿地湿地尺寸为1.0m×0.3m×0.6m（长×宽×高），铺设30cm厚的河砂为基质，粒径分布为0.02～1mm，孔隙率为30%。水平潜流和表流湿地单元内种植的芦苇均取自试验场地附近某河流沿岸，种植密度为13株/m2。表流和水平流人工湿地的池底坡度均为0.5%。

1.2 试验运行

系统于2019年5月开始运行，同年11月结束。原水由蓄水桶经蠕动泵连续进入水平潜流湿地，进水负荷为0.05m/d，其中潜流湿地的水位则低于基质表面5cm，而表流湿地的水位高于基质表面10cm。采用人工配水来模拟微污染水体，进水中的有机物（以CODMn计）、氨氮（以NH4+-N计）、硝酸盐氮（以NO3--N计）和总磷（以TP计）分别用分析纯的葡萄糖、氯化铵、硝酸钾和磷酸二氢钾来配制。其中CODMn为5～10mg/L，TN浓度为7.0～7.5mg/L，NH4+-N浓度为2.3～2.8mg/L，TP浓度为0.36～0.42mg/L，pH为7～8。

1.3 测试及分析方法

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009），TP采用过硫酸钾-钼酸铵分光光度法（GB11893-89）测定。绘图采用Origin8.0，数据分析采用SPSS26.0，当p＜0.05时认为差异性显著。

2 结果与讨论

2.1 TN的去除

由图1可知，复合人工湿地系统进水TN浓度为7.0～7.5mg/L，平均浓度为7.26 mg/L，水平潜流湿地出水浓度为5.21±0.45mg/L，表流湿地出水浓度为2.76±0.44mg/L，水平潜流和表流湿地的进出水浓度均具有显著性差异（p＜0.05）。其中水平潜流和表流湿地对TN的平均去除率分别为28.27%、47.27%，总去除率为62.09±5.39%。从去除率变化规律来看，由图2可知，水平潜流和表流湿地对TN的去除总体呈现先增大后降低，在8月份TN去除率达到最大，分别为34.29%和50%。系统在运行初期，生物膜体系随着夏季气温的升高逐渐完善，微生物活性不断加强。环境温度变化对微生物反硝化脱氮影响显著，另外湿地植物随气温降低而停止生长甚至枯萎，其对氮素的吸收作用也随之减弱。

人工湿地对氮的去除一是影响微生物的硝化和反硝化作用，二是影响植物的生长状况。植物的吸收与收割只有在低负荷人工湿地系统中才对脱氮起重要的作用，这也是表流湿地比水平潜流湿地脱氮效率更高的原因之一。

本研究中，表流湿地对TN去除率高于水平潜流湿地，这可能与湿地植物有关。一方面，进水TN经过水平潜流湿地的一级削减，进入表流湿地深度净化处理时，湿地植物对氮素的吸收作用成为重要的氮去除途径之一。另一方面，表流湿地植物根系分泌物弥补了进水碳源的不足，改变了微生物群落，有利于反硝化细菌的生长，增加了微生物对TN的去除作用。由于进水当中的有机质在水平潜流湿地中的好氧区被异养微生物有所消耗以致于进入表流湿地中的碳源不足，因此表流湿地运行初期对TN的去除水平较低。但是随着系统的运行，植物为适应水生环境低C/N的环境因子而本能地释放根系分泌物，为反硝化提供碳源，因此表流湿地对TN去除率逐渐升高。有研究表明，在碳源不足的系统中，利用系统自身的碳源（植物根系分泌物）可促进反硝化过程。

图1 系统进出水TN浓度及去除率

图2 运行期间气温变化图

2.2 NH4+-N的去除

图3 系统进出水NH4+-N浓度及去除率

水平潜流湿地对NH4+-N的去除主要由两步分反应构成：第一步，好氧条件下，NH4+或NH3在严格化能无机营养细菌的作用下被氧化为NO2-；第二步，也是在好氧环境中，兼性化能无机营养细菌以氧气为电子受体，将NO2-进一步氧化成为NO3-。水平潜流湿地由于没有自由液面，特别是非根际区常处于缺氧状态，不利于微生物的硝化作用，这也是水平潜流去除效果不如表流湿地原因之一。

表流湿地对NH4+-N的去除除了微生物作用外，植物根部会分泌碳源和氧气，有利于微生物的生长，增加了微生物对NH4+-N的去除作用。Brix认为用土壤对于湿地脱氮是非常重要的，它不仅可以作为植物的生长介质，为微生物提供了大量的附着界面，而且可以直接通过物理化学作用净化污水，他还发现土壤介质对氨氮的吸附是湿地去除氨氮的主要机理。带电土壤粒子可以吸附NH4+-N，延长了离子滞留时间，但是这种吸附是快速可逆的。不同的基质吸附的氨态氮的能力是不同的，粘土、有机土有较大的阳离子交换能力，对氮素的去除有重要贡献，甚至可以提高硝化作用。

2.3 TP的去除

由图4可知，复合人工湿地进水TP浓度为0.36～0.42mg/L，平均浓度为0.39mg/L，水平潜流和表流湿地出水TP浓度分别为0.29mg/L和0.24mg/L，两单元对TP浓度有着显著的去除效果（p＜0.05），去除率分别为26.11±3.47%和15.45±2.28%，总去除率为37.50±3.80%。较于表流湿地，水平潜流湿地对TP有着更高的去除效率，这是因为潜流湿地砾石基质比土壤有着更大的比表面积，更有利微生物的生长繁殖，吸附沉淀作用更强。另外，由于表流湿地内的植物对TP的吸收与释放是并存的，当TP的释放作用大于吸收作用时，会导致出水TP浓度的升高，去除率下降。

图4 系统进出水TP浓度及去除率

在人工湿地中磷的去除主要通过三个过程实现：填料的吸附沉淀、微生物作用、植物的吸收作用。在水平潜流湿地中，由于砾石并非为磷的强吸附填料，因此，填料的直接吸附作用对磷去除贡献不大。随着填料的吸附趋于饱和，此途径的除磷能力将大幅度降低，甚至还有释放现象。但是沉淀作用是去除无机磷的重要途径，无机磷则通过与填料中间隙水中的A13+,Fe3+,Ca2+等离子及其水合物氧化物反应，形成难溶性化合物，其中在碱性条件下，可溶的无机P更容易与Ca2+发生反应，并且吸附沉淀作用受温度变化影响较小，这也是表流湿地对TP去除效果较好的原因之一。Zhu et al.考察了5种轻质粘土骨料对磷的吸附能力，发现在基质的几种化学性质中(总金属含量、阳离子交换容量和草酸盐可溶性Fe、Al)，总金属含量与基质的磷吸附能力最相关，在Ca2+、Mg2+、Fe3+、A13+几种离子中Ca2+与P的吸附相关性最强。湿地中的微生物通过同化作用对磷进行摄取，很多学者认为聚磷菌过量摄取磷变成ATP、DNA、RNA等有机成分，但是聚磷菌的换代速度很慢，所以认为聚磷菌对磷的去除影响不大。但也有学者证明了人工湿地中除磷菌多为异养细菌（不动杆菌和假单胞菌等）。DUet al.发现上述不动杆菌和假单胞菌可能是主要的在人工湿地中负责去除TP的属。而在表流湿地中，植物对TP的去除有着至关重要的作用，包括植物生长需要而直接吸收磷，污水中的无机磷在植物的吸收或同化作用下合成自身需要的有机成分，通过收割去除磷以及湿地强大的植物根系对颗粒态的磷主要通过絮凝和沉降过程去除。

3 结语

本研究设计了一套水平潜流-表流复合湿地系统，以微污染模拟废水为研究对象，探讨了较低的有机负荷对系统各单元脱氮除磷的影响。研究结果表明，系统对氮磷去除效果显著，对TN、NH4+-N和TP的平均去除率分别为62.09%、56.16%和37.50%。

温度对氮素的去除有着较大影响，水平潜流和表流湿地对TN、NH4+-N的平均去除率分别为28.27%、47.27%，30.07%、37.57%。表流湿地植物根系分泌物可能是表流湿地在第有机负荷下TN去除效果显著的重要原因，而表流湿地土壤基质的吸附及沉淀作用是去除氨氮的重要途径之一。

温度季节性变化对TP去除影响不大，水平潜流和表流湿地对TP的平均去除率分别为26.11%、15.45%。由于砾石基质较大的比表面积，使得微生物作用和吸附沉淀作用成为水平潜流湿地对磷素去除的主要途径。