不同水力条件下人工湿地处理效果中试研究

徐祥熙， 王荣震， 徐立荣， 徐征和

(济南大学 水利与环境学院， 山东 济南 250022)

生活污水一般是指居民在日常生活中形成的污水，主要包括厨房污水[1]、洗漱污水[2]、厕所污水[3]等，污水中含有大量的有机物质以及氮、磷等营养物质[4]，如果处理不当就会造成水体污染，引起水体富营养化。由于农村基础设施建设不到位，没有完善的污水排放系统及处理设施，因此生活污水的分布较为分散，且水量、水质变化较大[5-6]。目前，人工湿地具有开发投资少、运行成本低、污染物去除效果好以及本身固有的景观价值等优势，已经逐渐在处理农村生活污水的方面得到了广泛的推广应用[7-9]。

人工湿地对污染物的去除主要通过基质、植物、微生物间的各种理化作用与生物作用共同完成[10-11]。根据系统内污水的流态，可以将人工湿地分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地[12]。目前，对人工湿地的研究多集中于植物与基质的选择[13]。有学者研究表明，水力停留时间、水力负荷等水力条件是影响湿地处理效果的关键，水力条件的优化可以显著增强污水净化效果[14-16]。本文中为了探讨水力条件对于人工湿地处理效果的影响，构建6种不同类型的人工湿地进行中试研究，以期为人工湿地对农村生活污水的净化效果提供参考数据。

1 实验材料与研究方法

1.1 实验设计

为了比较不同水力条件下人工湿地对农村生活污水处理效果的区别，构建表面流、含挡板表面流、水平潜流、含挡板水平潜流、垂直上行和垂直下行共6种不同类型的人工湿地来进行中试研究，模拟不同水力条件下人工湿地的污水处理过程。每个湿地的尺寸为5.1 m×1.7 m×0.8 m(长度×宽度×厚度)，湿地整体布置平面图见图1。表面流人工湿地基质从下往上，分别是粒径为0.4～0.8 cm的陶粒、粒径小于0.4 cm的瓜子石；其余类型的人工湿地基质从下往上，依次是粒径为3 cm的陶粒、粒径为0.8～1.6 cm的沸石、粒径为0.4～0.8 cm的陶粒、粒径小于0.4 cm的瓜子石，每层的填埋厚度均为15 cm。植物统一选择香蒲和再力花这2种挺水花卉，每平方米种植25株。

图1 人工湿地整体布置平面图(单位：mm)

1.2 实验方案及指标测定

湿地稳定运行后，改变水力停留时间、水力负荷等水力条件，在出水口处取样检测污染物浓度。实验分别设计12、24、48、72 h共4组水力停留时间以及5、15、25、35 cm/d共4组水力负荷，每组实验重复3次，取平均值。主要检测水质指标、测定方法见表1。

1.3 进水水源

实验地点位于山东省水利科学研究院长清科源天然泉水开发中心，进水水源为一处水产养殖池水。

表1 水质监测指标及测定方法

该养殖池内水体氮、磷含量超标，出现富营养化，用以模拟农村混合污水，具体水质指标见表2。进水方式采用恒流泵抽取，通过DN50聚乙烯管输送到不同类型的个人工湿地。

表2 进水水源水质监测指标

2 结果与分析

2.1 水力停留时间对污染物去除效果的影响

2.1.1 化学需氧量(COD)

不同类型人工湿地的COD去除效率随水力停留时间的变化如图2所示。由图可以看出：各类型人工湿地的COD去除率随水力停留时间增加先升高、后降低；在相同的水力停留时间下，水平潜流人工湿地比表面流人工湿地具有更高的COD去除率。当水力停留时间为48 h时，各类型人工湿地的COD去除效果最好，去除率均超过60%，其中垂直下行人工湿地COD的去除率最高，可达到81.67%。随着停留时间继续增加，COD去除率开始下降。其原因在于，当水力停留时间较短时，湿地内微生物没有充分发挥作用，使得有机物没有完全降解就被排出系统。随着停留时间的不断增加，有机物的降解越来越充分，COD去除效率也随之升高；但是过长的水力停留时间，也造成了污水的滞留和厌氧区的不断增加，因此去除率开始下降。

图2 不同类型人工湿地化学需氧量去除率随水力停留时间的变化

挡板的增设在水力停留时间为12 h时，使表面流人工湿地COD去除率增加8.84%，水平潜流人工湿地COD去除率提高9.3%，但是，随着停留时间的增加，去除率提升效果开始变得不明显，到达48 h时，有无挡板对COD的去除率基本没有影响，增设挡板的表面流人工湿地的COD去除率甚至还低于无挡板的表面流人工湿地的。造成这一结果的主要原因是过长的水力停留时间和缓慢的流速，再加上挡板形成的污水滞留区，使得COD的去除效率不断下降。

2.1.2 总氮

不同类型人工湿地的总氮去除率随水力停留时间的变化如图3所示。由图可以看出：各类型人工湿地对总氮均有较好的去除效果，去除率随水力停留时间的增加而不断提高，但是48 h后提升趋势明显减弱，且不同类型人工湿地间的差距逐渐变小。72 h时，各个人工湿地的总氮去除率达到最大值，其中垂直上行人工湿地对总氮的去除效果最好，去除率为93.02%，表面流人工湿地的效果最较差，但也达到了76.77%。

图3 不同类型人工湿地总氮去除率随水力停留时间的变化

挡板的增设在较短的水力停留时间即48 h内，对人工湿地总氮的去除效果有明显提升，当水力停留时间到达72 h，有无挡板对人工湿地总氮的去除率影响不大，所以挡板的增设可以在短时间内提升总氮的去除效果，随着水力停留时间的延长，挡板的效果逐渐减弱。

2.1.3 氨氮

不同类型人工湿地氨氮去除率随水力停留时间的变化如图4所示。由图可知：表面流人工湿地氨氮的净化效果最差，去除率最高仅为51.79%；水平潜流人工湿地的去除率最高，在24 h达到了72.73%。除了垂直下行人工湿地氨氮的去除率随水力停留时间的增加无明显规律外，其余5个类型人工湿地氨氮的去除率全部表现出随水力停留时间的延长先提高、后降低的现象，水力停留时间为72 h的去除率普遍小于水力停留时间为24 h的。

图4 不同类型人工湿地氨氮去除率随水力停留时间的变化

挡板的增设使得表面流人工湿地氨氮的去除率显著提升，水力停留时间为12 h时提升效果最好，氨氮去除率相对于没有挡板时的提高19.13%，24 h时提升了8.46%；水平潜流人工湿地挡板的增设并没有增加氨氮的最大去除率，但是延长了最佳水力停留时间，使得氨氮去除率随水力停留时间的变化变得平缓，在一定程度上减小了水力停留时间对氨氮去除率的影响。

2.1.4 总磷

不同类型人工湿地总磷去除率随水力停留时间的变化如图5所示。由图可以看出，各类型人工湿地总磷去除率都表现出随水力停留时间的增加先提高、后降低的趋势，48 h时各人工湿地的总磷去除率均达到最大值，其中垂直下行人工湿地的总磷去除率最高，达到91.71%，表面流人工湿地的最低，也达到了62.36%。48 h之后，各类型人工湿地总磷去除率开始降低。其原因在于，当水力停留时间较短时，水体中的磷未能与聚磷菌充分接触，很快被带出湿地，所以总磷去除率随着水力停留时间的增加而不断提高；但是，过长的水力停留时间使得水体处于缺氧环境，而聚磷菌只有在富氧的环境下才能进行磷的吸收，所以总磷去除率在达到峰值后出现下降现象。

表面流人工湿地增设挡板后总磷的去除率平均提升6.23%，其中，48 h时提升最为明显，为9.20%；水平潜流人工湿地增设挡板后总磷的去除效率平均提升4.30%，其中12 h时提升最为明显，为6.84%。可见，增设挡板可在一定程度上提升人工湿地总磷的去除率，并且表面流人工湿地的去除效果比水平潜流人工湿地的更显著。

2.2 水力负荷对污染物去除效果的影响

2.2.1 COD

不同类型人工湿地COD去除率随水力负荷的变化如图6所示。由图可见，各类型人工湿地COD去除率随水力负荷的增大先提高、后降低，水力负荷为15 cm/d时，COD去除率达到最大，其中垂直上行人工湿地的去除效果最好，去除率为75.71%。随着水力负荷的增大，各人工湿地的COD去除率出现降低的趋势，其原因主要是： 1)当水力负荷过低时，生物膜的吸附作用和微生物的降解作用更加充分，但是容易形成厌氧状态，COD的去除效果不佳； 2)随着水力负荷的增加，水流速度加快，湿地内部氧气增加，COD去除效果随之增强； 3)随着水力负荷的进一步增加，大量的有机物还没有与微生物群落充分接触就被带出湿地系统，导致COD去除率降低。

人工湿地中挡板的增设在水力负荷为15 cm/d时对COD的去除效果最佳，表面流、水平潜流人工湿地的COD去除率分别提升7.91%、5.57%。随着水力负荷的进一步增加，挡板对COD去除率影响逐渐减弱，当水力负荷达到35 cm/d时，挡板的作用几乎不体现。

2.2.2 总氮

不同类型人工湿地总氮去除率随水力负荷的变化如图7所示。由图可以看出：各类型人工湿地总氮去除率随着水力负荷的增加而降低，在较小的水力负荷下(如5、15 cm/d)，6种类型人工湿地对总氮去除效果较好，去除率均高于60%；水力负荷超过15 cm/d后，去除率出现大幅下降。在高水力负荷下，垂直流、水平潜流人工湿地的总氮去除率明显高于表面流人工湿地的，平均高出29.19%。当水力负荷较小时，硝化和反硝化作用更强，水体中的氮可以被充分分解，植物与微生物对氮的吸收利用也更充分。随着水力负荷增大，污水在人工湿地系统内停留时间不足，导致硝化和反硝化作用不能完全进行，甚至部分硝化菌及反硝化菌会被快速流动的水流带出系统，使得总氮去除率降低。总的来说，水力负荷低于15 cm/d时能够保证人工湿地系统对总氮有较好的去除效果。

图7 不同类型人工湿地总氮去除率随水力负荷的变化

水平潜流人工湿地增设挡板后总氮去除率明显提高，尤其在水力负荷为15 cm/d时，去除率提高了11.77%。相比之下，表面流人工湿地增设挡板后总氮去除率略有提升，但是效果不明显。

2.2.3 氨氮

不同类型人工湿地氨氮去除率随水力负荷的变化如图8所示。由图可知： 水平潜流人工湿地氨氮的去除效果，明显好于表面流人工湿地的。随着水力负荷的增大，各类型人工湿地氨氮去除率均降低，垂直流、水平潜流人工湿地的去除率由80%左右下降至20%左右，表面流人工湿地的由40%左右下降至不足10%，说明水力负荷越小越有利于氨氮的去除。当垂直流、水平潜流人工湿地水力负荷小于25 cm/d，表面流人工湿地水力负荷小于15 cm/d时，能够保证湿地系统有较好的氨氮去除效果。

图8 不同类型人工湿地氨氮去除率随水力负荷的变化

在水力负荷为15 cm/d时，增设挡板的表面流人工湿地氨氮去除率提高了8.71%，增设挡板的水平潜流人工湿地在水力负荷为15、25 cm/d时氨氮去除率分别提高了9.19%、12.82%，在其余的水力负荷下，有无挡板对上述2种类型人工湿地的氨氮去除基本没有影响。可见，挡板的增设有利于提高人工湿地在中等水力负荷下的氨氮去除率，但在较低或较高的水力负荷下，挡板的作用并不明显。

2.2.4 总磷

不同类型人工湿地总磷去除率随水力负荷的变化如图9所示。由图可见，在较低的水力负荷下，各类型人工湿地都具有较高的总磷去除率。当水力负荷为5 cm/d时，水平潜流人工湿地去除率最高，为89.26%，含挡板表面流人工湿地的去除率最低，为79.01%，两者差距仅为10.05%。随着水力负荷的不断增大，各类型人工湿地总磷去除率均降低，并且表面流人工湿地的去除率与其他类型人工湿地的数值差距越来越大。当水力负荷为35 cm/d时，含挡板水平潜流人工湿地的去除率最高，为83.26%，表面流人工湿地的去除率最低，为40.17%，两者差距达到43.09%。

图9 不同类型人工湿地总磷去除率随水力负荷的变化

当水力负荷大于15 cm/d时，挡板的作用才得以体现。当水力负荷为25 cm/d时，挡板的增设对表面流人工湿地总磷去除效果的提升最大，去除率为6.23%；设挡板的水平潜流人工湿地在水力负荷为35 cm/d时对总磷去除效果的提升最大，去除率为8.24%。当水力负荷为5 cm/d时，设挡板的表面流、水平潜流人工湿地的总磷去除率，还略低于无挡板的表面流、水平潜流人工湿地的，说明当水力负荷较低时湿地不适宜增设挡板。

3 结论

1)在不同的水力条件下，人工湿地的处理效果表现为垂直流优于水平潜流和表面流。在不同水力停留时间下，总氮去除效果最好的是垂直上行人工湿地，总磷、COD去除效果最好的是垂直下行人工湿地，氨氮去除效果最好的是水平潜流人工湿地；不同水力负荷下，考虑到处理效果与处理效率，表面流人工湿地的最佳水力负荷为5 cm/d，垂直流、水平潜流人工湿地的最佳水力负荷为15 cm/d，可以保证人工湿地既有较好的处理效果，又有较高的污水处理效率，同时还可以增加污水处理量。

2)挡板的增设可以使人工湿地在相同水力条件下改善污染物的去除效果，适当延长人工湿地的水力停留时间以及减少水力负荷的冲击，但是当水力负荷过小或过大时挡板的作用并不明显，甚至会恶化湿地的处理效果，试验结果表明，增设挡板合适的水力负荷范围为15～25 cm/d。