水力负荷与水流方式对新型复合垂直流人工湿地净化效果的影响

刘利，邢芳芳，赵文博，王俭*

1.辽宁大学环境学院 2.辽宁省本溪市城市新区开发建设管理办公室

人工湿地是20世纪70年代后逐渐发展起来的污水处理工艺，主要依靠基质、植物及微生物间发生的物理、化学和生物的协同效应去除污染物[1]。人工湿地对污染物去除效果良好，运行成本低，管理方便，广泛用于富营养化水体治理、生活污水深度净化以及农业面源污染控制中[2-4]。人工湿地按照不同的工程设计和水流方式，分为表面流和潜流型人工湿地，而潜流型人工湿地又包括水平潜流和垂直潜流[2]。复合垂直流人工湿地于“九五”期间由中国科学院水生生物研究所联合科隆大学及维也纳农业大学在垂直流人工湿地基础上设计得到，主要用于生活污水处理，其由垂直下行池和垂直上行池组成，两池中分别填充不同粒径的砂和砾石，并种植不同种类的水生或湿生植物[5-6]。在实际运行过程中，复合垂直流人工湿地系统对污染物的去除效果受基质种类、植物种类、微生物种类、水力负荷、水力停留时间及湿地内部水流方式等[5,7-12]多种因素的影响，其中水力负荷和水流方式对污染物去除效率影响较大[13-16]。复合垂直流人工湿地由2个池体组成，工程造价稍高。由于淹水时间长，复合垂直流湿地长时间运行后会出现基质堵塞现象，在下行流池表面形成积水层，阻碍空气中氧气进入基质层，使湿地中好氧微生物活性下降[17]。目前国内外已有研究主要针对传统的复合垂直流人工湿地，通过改变水力负荷和水流方式探讨污染物的最佳处理效果[14-18]，但对改良优化的复合垂直流人工湿地的研究较为鲜见。笔者采用新型复合垂直流人工湿地模拟系统，通过改变进出水孔的位置，进行垂直下行池与垂直上行池之间的变换和空间叠加，从而改变人工湿地类型，综合不同类型人工湿地的优点，减少投资，并节省成本。通过改变新型复合垂直流人工湿地模拟系统的水力负荷及水流方式，对模拟污水处理厂GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准出水进行强化处理，分析人工湿地模拟系统进、出水污染物浓度变化，探讨人工湿地模拟系统的最佳水力负荷与水流方式，以期为复合垂直流人工湿地深度处理污水处理厂尾水的高效运行提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

新型复合垂直流人工湿地小试模拟系统(简称湿地系统)如图1所示，该湿地系统由厚度为10 mm的有机玻璃板制成，尺寸为2.0 m×1.0 m×1.0 m，在缸体左侧高度为30、60 cm处分别有一个进、出水孔(S1和S2)，在缸体右侧高度为0、40 cm处分别有一个进、出水孔(S3和S4)。该湿地系统可达到3种水流方式：1)垂直下行式(DVCW)，即S1进水、S4出水，其与传统垂直流人工湿地中的垂直下行池功能相同，利于基质吸附和反硝化反应；2)垂直上行式(UVCW)，即S4进水、S1出水，其与传统垂直流人工湿地中的垂直上行池功能相同，利于松动基质防止堵塞和硝化反应；3)复合垂直流(IVCW)，即S1、S4分别作为进、出水口且一天一换，其将垂直上行池和垂直下行池叠加在同一缸体内，每天改变水流方式，以充分利用垂直流人工湿地的功能。

图1 不同水流方式的新型复合垂直流人工湿地模拟系统Fig.1 Innovative integrated vertical flow constructed wetland simulation system with different water flow modes

湿地系统从下至上分别用粒径为20～40 mm的粗砾石填料和10～15 mm的小石子填料填充，填料层的平均孔隙率为42%。湿地系统的进、出水管均采用公称直径(DN)为70的穿孔管，管径上的开孔处表面覆盖尼龙网，以防堵塞。将进水口和出水口用内径为10 mm的软管连接，依靠蠕动泵进行驱动和控制流量，使其形成一个循环通路。

通过文献[19-21]分析、实地调查、实验室预试验，选择耐污能力强、根系发达、本土优势生长的挺水植物芦苇〔Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud〕和适应能力强、生物量大、具备美观和经济价值的浮水植物水葫芦〔Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms〕搭配种植在该湿地系统中，参考HJ 2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》，芦苇和水葫芦的种植密度分别为20和6株m2。芦苇和水葫芦先栽种于装有人工污水的水池中30 d，待生长稳定后移栽至湿地系统中。

1.2 试验进水

表1 人工湿地系统进水水质

Table 1 Characteristics of influent water in constructed wetland simulation system mgL

表1 人工湿地系统进水水质

项目CODNH+4-N浓度TN浓度TP浓度范围47.3～51.54.0～6.613.8～15.60.39～0.64平均值50.04.614.90.50

1.3 试验设计

湿地系统设置在辽宁大学环境学院实习实践基地(123°40′E，41°41′N)室外环境中，于2019年4月建成，5月进行填料铺设、密闭性检测及试运行。于2019年6月1日—8月30日进行试验，期间室外温度为16～29 ℃，相对湿度为64%～72%，降水量为40.7～139.0 mm。为考察湿地系统运行的最佳水力负荷、水流方式及植物种植时的运行效果，共设3部分试验：1)湿地系统设置为UVCW水流方式，分别在0.28、0.36、0.72 m3(m2·d) 3个水力负荷下运行10 d；2)设置水力负荷为0.36 m3(m2·d)，湿地系统分别在UVCW、DVCW和IVCW 3种水流方式下运行10 d；3)在最佳水力负荷和水流方式下，湿地系统分别在有植物(芦苇和水葫芦组合)种植、无植物种植时运行10 d。将每种条件下运行的10 d设定为1个周期，每个周期一次性向人工湿地系统内注入人工污水至缸体的90 cm刻度处，以间歇方式运行，每天连续运行12 h，每个周期结束后将水排干，用自来水进行冲洗，空置1 d再进行下一个周期试验，共进行8个周期。

1.4 指标测定与数据处理

2 结果与分析

2.1 UVCW水流方式下不同水力负荷对污染物的去除效果

2.1.1对COD的去除效果

图2 不同水力负荷下湿地系统出水COD变化Fig.2 Variations of COD in wetland effluent under different hydraulic loads

10 d运行周期内，不同水力负荷下湿地系统出水COD变化如图2所示。由图2可知，湿地系统运行前2 d，出水COD明显下降，第2～8天波动下降，第8～10天快速下降，第10天达到最大去除率。3个水力负荷下，湿地系统COD去除率为38.10%～61.12%，出水COD为19.44～30.95 mgL。随水力负荷的升高，COD去除率总体呈现先升高后下降的趋势，水力负荷为0.28和0.72 m3(m2·d)时，湿地对COD去除能力均低于水力负荷为0.36 m3(m2·d)时。3个水力负荷下的T检验分析表明，不同水力负荷下湿地系统对COD的去除效果存在显著差异(P<0.05)，水力负荷为0.36 m3(m2·d)时，湿地系统对COD去除效果最佳，运行10 d后COD去除率达61.12%。

图3 不同水力负荷下湿地系统出水浓度变化Fig.3 Variations of concentration in wetland effluent under different hydraulic loads

湿地系统主要依靠基质的吸附和微生物的吸收作用过滤截留不溶性有机物和分解代谢可溶性有机物[23]。由于试验处于湿地系统的启动期，在试验开始的前6 d，湿地系统主要通过基质的吸附作用去除水中COD，基质吸附一段时间后会达到饱和，因此第2～6天COD波动变化；第6～10天，湿地系统内微生物适应良好，可稳定发挥较好的吸收分解作用，使COD下降并在第10天达到最高去除率，该结果与尚兴宝[24]的研究结果相似。褚其英等[25]的研究表明，水力负荷对COD去除有较大影响，水力负荷过小时人工湿地不能充分发挥作用，随水力负荷增大COD去除率会提高，但水力负荷过大又会导致水力停留时间较短，污水未经微生物充分分解就流出系统，从而不利于COD的去除，该结果与本试验结果一致。

2.1.3对TN的去除效果

不同水力负荷下湿地系统出水TN浓度变化如图4所示。由图4可知，湿地系统运行前2 d，出水TN浓度快速下降，第2～8天平稳下降，第8～10天基本稳定。水力负荷为0.28、0.36 m3(m2·d)时，湿地系统均在第8天达到最大去除率；而水力负荷为0.72 m3(m2·d)时，湿地系统在第10天达到最大去除率。3个水力负荷下，湿地系统的TN去除率达32.19%～56.95%，出水TN浓度为6.46～10.17 mgL。随着水力负荷的升高，TN的去除率总体呈先升高后下降趋势，水力负荷为0.28和0.72 m3(m2·d)时，湿地系统对TN去除能力均低于水力负荷为0.36 m3(m2·d)时。T检验分析表明，不同水力负荷下湿地系统对TN的去除效果存在显著差异(P<0.05)，水力负荷为0.36 m3(m2·d)时，湿地系统对TN去除效果最佳，运行10 d后TN去除率达56.95%。

图4 不同水力负荷下湿地系统出水TN浓度变化Fig.4 Variations of TN concentrations in wetland effluent under different hydraulic loads

2.1.4对TP的去除效果

不同水力负荷下湿地系统出水TP浓度变化如图5所示。由图5可知，水力负荷为0.28、0.36 m3(m2·d)时，湿地系统出水TP浓度在第2～4天基本稳定达到最大去除率，第4天之后出水TP浓度则缓慢升高；而水力负荷为0.72 m3(m2·d)时，出水TP在第8天达到最大去除率，第8～10天则有所降低。3个水力负荷下，湿地系统的TP去除率可达46.00%～62.00%，出水TP浓度为0.19 ～0.27 mgL。随着水力负荷的升高，TP去除率总体呈先升高后下降的趋势，水力负荷为0.28和0.72 m3(m2·d)时，湿地对TP去除能力均低于水力负荷为0.36 m3(m2·d)时。T检验分析表明，不同水力负荷下湿地系统对TP的去除效果存在显著差异(P<0.05)，水力负荷为0.36 m3(m2·d)时，湿地系统对TP去除效果最佳，处理10 d后TP去除率达62.00%。

图5 不同水力负荷下湿地系统出水TP浓度变化Fig.5 Variations of TP concentration in wetland effluent under different hydraulic loads

人工湿地对磷的去除主要通过填料的吸附及微生物同化吸收作用，填料吸附除磷在TP去除中占据最重要地位[32]。水力负荷为0.28和0.36 m3(m2·d)时，湿地系统在2～4 d就能达到对TP的最佳去除效果，这与基质的吸附作用是除磷的主要方式有关。可见，利用人工湿地除磷时，要选取吸附能力较强、比表面积较大的基质材料。第4天后湿地系统出水TP浓度上升可能是由于出现了基质的磷解吸现象，或是部分被微生物吸收的磷释放到系统内所致。祝志超等[33]研究发现，在垂直流人工湿地上部有氧区域聚磷菌吸收磷，在下层缺氧区释放磷，造成垂直流人工湿地出水中TP浓度先降低后升高。水力负荷对湿地系统中TP去除效果有较大影响，水力负荷过高会减少污水停留时间，使磷未被完全吸附转化就排出系统，还有可能会冲击基质使已吸附的磷再次释放到系统中[24]，导致TP去除率下降。

2.2 不同水流方式下湿地系统对污染物的去除效果

2.2.1对COD的去除效果

不同水流方式下湿地系统出水COD变化如图6所示。由图6可知，前6 d，湿地系统出水COD呈先下降后升高趋势，第6天后迅速下降，在第10天达到最大去除率。3种水流方式下，湿地系统COD去除率可达38.10%～63.73%，出水COD可达18.50～34.02 mgL。水流方式为UVCW和IVCW时，湿地系统出水COD变化规律相似，水流方式为DVCW时，湿地系统对COD的去除能力低于UVCW和IVCW。T检验分析表明，不同水流方式下湿地系统对COD的去除效果存在显著差异(P<0.05)，水流方式为UVCW时，系统对COD去除效果最佳，处理10 d后COD去除率达63.73%。

图6 不同水流方式下湿地系统出水COD变化Fig.6 Variations of COD in wetland effluent under different water flow modes

湿地系统运行的第2～6天，对污水中COD起主要作用的是基质吸附，第6～10天湿地系统内微生物发挥主要作用，因此在第10天COD达到最高去除率，该研究结果与尚兴宝[24]的研究结果相似。水流方式为UVCW和IVCW时，湿地系统的水流由下到上，便于松动基质，防止堵塞，由于试验使用的是循环回流装置，可以将系统上部水中的溶解氧直接输送至底部，改善湿地系统整体溶解氧状态，有利于好氧微生物对COD的去除。

图7 不同水流方式下湿地系统出水浓度变化Fig.7 Variations of content in wetland effluent under different water flow modes

2.2.3对TN的去除效果

不同水流方式下湿地系统出水TN浓度变化如图8所示。由图8可知，随湿地系统的运行，出水TN浓度逐渐降低，DVCW、IVCW水流方式湿地系统在第10天达到最高去除率；而UVCW水流方式湿地系统在第8天达到最高去除率，之后TN浓度有所上升。3种水流方式下湿地系统的TN去除率可达26.73%～57.59%，出水TN浓度为6.34～10.99 mgL。水流方式为DVCW和IVCW时，湿地系统对TN的去除能力均低于水流方式为UVCW时。T检验分析表明，不同水流方式下湿地系统对TN的去除效果存在显著差异(P<0.05)，水流方式为UVCW时，系统对TN的去除效果最佳，处理10 d后TN去除率达57.59%。

图8 不同水流方式下湿地系统出水TN浓度变化Fig.8 Variations of TN concentration in wetland effluent under different water flow modes

2.2.4对TP的去除效果

不同水流方式下湿地系统出水TP浓度变化如图9所示。由图9可知，UVCW和DVCW水流方式下，湿地系统均在第2～4天达到TP最高去除率；IVCW水流方式下，湿地系统出水TP浓度在第6天基本达到稳定。3种水流方式下，湿地系统的TP去除率可达26.00%～65.38%，出水TP浓度为0.18～0.37 mgL。水流方式为DVCW和IVCW时，湿地系统对TP的去除能力均低于水流方式为UVCW时。T检验分析表明，不同水流方式下湿地系统对TP的去除效果存在显著差异(P<0.05)，水流方式为UVCW时，湿地系统对TP的去除效果最佳，处理10 d后TP去除率达65.38%。

图9 不同水流方式下湿地系统出水TP浓度变化Fig.9 Variations of TP content in wetland effluent under different water flow modes

湿地系统对TP的去除主要依靠基质吸附作用，当基质吸附能力降低时，TP去除效果会逐渐变差[34]。试验后期湿地系统出水TP浓度略有增加，可能与基质对磷的解吸和微生物在缺氧区释放磷有关，这与祝志超等[33]的研究结果一致。水流方式为UVCW的湿地系统具有垂直向上循环回流的水流，能充分利用基质的吸附作用，有利于TP的去除，因此去除效果较好。

2.3 种植植物时湿地系统对污染物的去除效果

由2.1节和2.2节试验结果，将水力负荷设为0.36 m3(m2·d)，水流方式设为UVCW，分别考察有、无植物种植时，湿地系统对主要污染物的去除效果，结果如图10所示。由图10可知，与无植物种植时相比较，有植物种植时湿地系统对污染物的净化效果明显提高，经过10 d运行，湿地系统对去除率分别达72.20%、72.00%、81.13%和75.01%，分别比无植物种植时提高了13.2个、9.5个、26.0个和15.9个百分点，且出水COD与浓度均低于Ⅳ类水质标准，TN浓度略高于Ⅴ类水质标准。单因素ANOVA分析发现，有、无植物种植的湿地系统对污染物的去除率差异显著(P<0.05)。

图10 有、无植物种植时湿地系统对污染物去除率的比较Fig.10 Comparison of pollutants removal rates of constructed wetlands with and without plant planting

研究发现，在湿地系统中种植植物对去除污染物具有积极作用，可明显提高污染物的去除率，这与梁奇奇等[35]的研究结果一致。植物通过根系输氧能改善水体中的溶解氧状态，有利于微生物的生长繁殖；根系还会分泌出酶、氨基酸等活性物质，有利于提高根际微生物活性，从而改善污染物去除效果[36]。陈进军等[37]研究发现，芦苇、水葫芦、苦草〔Vallisnerianatans(Lour.) Hara〕的搭配种植，显著提高了人工湿地对污染物的去除效果，本研究湿地系统中搭配种植芦苇和水葫芦不仅显著提高了污染物去除率，同时还能较好地利用湿地表面积，并结合挺水植物和浮水植物各自的优点，呈现良好的景观效果。

3 结论

(1)采用新型复合垂直流人工湿地对模拟的城镇污水处理厂一级A标准出水进行强化处理，在水力负荷为0.36 m3(m2·d)，水流方式为UVCW时，对污染物去除效果最好，出水TP浓度、COD均达到Ⅳ类水质标准。

(2)在水力负荷为0.36 m3(m2·d)，水流方式为UVCW时，有植物种植的新型复合垂直流人工湿地出水浓度与COD均达到Ⅳ类水质标准，TN浓度略高于Ⅴ类水质标准。新型复合垂直流人工湿地在实际运行时，可考虑种植适宜的植物，既提高对污染物的去除效果，又具有一定的景观价值。

(3)新型复合垂直流人工湿地在水力负荷为0.36 m3(m2·d)，水流方式为UVCW,以间歇方式运行时，可以达到稳定运行状态，且对污染物去除效果明显，还能有效防止堵塞现象，应用于污水处理厂尾水深度处理可达到减少投资、节省成本的目的。