一种新型生态接触床技术净化污水效果研究

万 蕾,张 妮

(徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221018)

前 言

随着污水排放量的增加和对污染物排放浓度的限制的提高，越来越多的组合工艺应用于污水处理中[1～4]。人工湿地作为一种高效、节能的新型污水处理技术，在世界各地被广泛应用于地表水、生活污水甚至工业废水和垃圾渗滤液的处理中[5～8]，但是其也存在工艺不稳定、受季节影响大及占地面积大等缺点。因此，为了最大程度发挥其优点，人工湿地常常与其它工艺组成组合工艺来净化污水，例如生物滤池-人工湿地组合工艺、接触氧化池-人工湿地组合工艺、SBBR-人工湿地组合系统[9～12]，这些组合工艺都有成功运行的实例。目前这些组合工艺都是采用的串联的形式，存在占地面积大，管理维护复杂等缺点。

本研究通过构建新型生态接触床，采用浅层人工湿地和生物接触池并联的形式，研究其对污水中总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数的去除效率，探讨了不同季节及不同湿地植物对污染物的去除率，为新型工艺的工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验采用的装置如图1所示，主要包括浅层人工湿地、支撑结构、生物接触氧化池。浅层人工湿地置于上层，采用镂空塑料筐装填砾石，生物接触氧化池置于下层，立体弹性生物膜填料悬挂于塑料筐底部。其中1、浅层人工湿地植物 2、人工湿地内部硬质滤料(砾石) 3、进水区 4、塑料容器 5、穿孔布水板 6、弹性生物填料 7、集水板 8、塑料筐 9、集水区。整个生态接触床采用塑料容器作为外表面(58cm×44cm×35cm)，上层浅层人工湿地深度10cm，硬质填料采用粒径0.6～1cm的砾石。砾石上种植具有净化能力且根系较发达的耐寒水生植物。塑料筐作为中间支撑结构，下层生物接触氧化池，深度25cm，内部悬挂生物膜填料。

图1 生态接触床剖面示意图Fig.1 Eco-contact bed section diagram

1.2 实验方案

试验用水采用C6H12O6、NaNO3、KH2PO4分别作为碳源、氮源和磷源来模拟富营养化污水，并投加少量花园土保证植物生长所需要的微量元素。其中，进水TN浓度为2mg/L左右，TP浓度为0.2mg/L左右，有机物(高锰酸盐指数)浓度为40mg/L左右。设置4个实验组，分别种植水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、花叶芦竹(Arundodonax‘Versicolor’)，还有一组为无植物对照组。设计进水流量10L/d，水力停留时间4d，采样频率4天一次，在集水区下部取样，每次采集100ml水样进行检测。每组各设置一个平行样，测定出水的TN、TP和高锰酸盐指数，取平均值进行分析，测定方法参考参考国家环境保护局《水和废水监测分析方法》(第四版)进行。实验时间为5～6月及当年10～11月，每天记录气温变化。

2 结果与讨论

2.1 春夏季污水净化效果

5月1日将植物种植到生态接触床上，1周以后正式进水开始实验。5月～6月间，最低和最高气温分别为24℃和31℃，平均气温为27.1℃，气温变化如图2所示。实验期间TN、TP和高锰酸盐指数的浓度变化如图3～5。由图3可以看出，春夏季4种生态接触床对TN去除效果较好，4种生态接触床均在第50天时，去除效果达到最好。第50天时，无植物组生态接触床出水TN浓度为0.54mg/L，水芹为0.56mg/L，菖蒲为0.53mg/L，花叶芦竹为0.63mg/L，去除率分别为73.1%、72.0%、73.6%、68.7%，种植菖蒲的生态床效果最好。经方差分析，在p=0.05水平下，各实验组差异不显著(p=0.152)。

图2 春夏季温度变化图Fig.2 Temperature variation in spring and summer

图3 春夏季TN浓度变化Fig.3 TN concentration changes in spring and summer

由图4可以看出，在实验第12天之前，TP浓度下降较快，12天以后TP浓度下降较为平缓，至实验50天，达到最好的去除效果，4种生态接触床对TP的去除率分别为87.5%、84.5%、76.5%、71.5%，无植物床去除率最高，水芹次之。经方差分析，各实验组差异显著(p<0.001)。

图4 春夏季TP浓度变化Fig.4 TP concentration changes in spring and summer

图5为4种生态接触床对水体中有机质的净化效果变化图。由图中可以看出，春夏季，4种生态接触床对有机质的去除效果较好，在第50天时，去除率分别为51.8%、59.8%、55.8%、52.0%，水芹生态床净化效果最好。经方差分析，各实验组差异显著(p=0.004)。

图5 春夏季高锰酸盐指数变化Fig.5 Permanganate index changes in spring and summer

2.2 秋冬季污水净化效果

图6为秋冬季实验期间气温变化图，在此期间，最低和最高气温分别为-2℃和18℃，平均气温为8.8℃。图7显示了秋冬季4种生态接触床TN浓度的变化。在10月初到11月中旬，4种生态接触床对TN有着较好的去除效果。随着气温的降低，植物部分枯萎，11月中旬后，4种生态接触床TN出水浓度下降缓慢，随着植物慢慢适应环境，到12月中旬出水趋于稳定。至实验结束时，去除率分别为79.5%、77.0%、77.0%、79.5%，无植物和花叶芦竹生态床效果相当好于水芹和菖蒲组。经方差分析，各实验组差异显著(p=0.017)。

图6 秋冬季温度变化图Fig.6 Temperature variation in autumn and winter

图7 秋冬季TN浓度变化Fig.7 TN concentration changes in autumn and winter

图8为秋冬季4种生态接触床TP浓度变化。11月中旬由于气温相对适宜(平均气温为13℃)，TP出水浓度下降较快。后期由于植物生长缓慢，加之气温的降低，4种生态接触床中的TP浓度呈平稳缓慢的趋势下降。至实验结束时，去除率分别为88.5%、73.5%、88.0%、73.5%，无植物组和菖蒲生态床效果较好。经方差分析，各实验组差异显著(p<0.001)。

图8 秋冬季TP浓度变化Fig.8 TP concentration changes in autumn and winter

秋冬季，温度下降，植物生长缓慢，其供氧气的能力也随之下降，微生物活性降低，有机质的去除能力也下降。由图9可以看出，秋冬季，水芹有机质出水浓度下降较快，对有机质的去除效果较好。同样在实验前期，10月初到11月中旬，气温适宜，有机质大量去除。到实验后期，随着气温下降，4种生态接触床对有机质的去除效果缓慢。实验结束时，无植物组对水中有机质的总体去除率达到65.9%，水芹的总体去除率达到88.8%，菖蒲的总体去除率达到70.2%，花叶芦竹的总体去除率达到70.1%，水芹效果最好。经方差分析，各实验组差异显著(p<0.001)。

图9 秋冬季高锰酸盐指数变化Fig.9 Permanganate index changes in autumn and winter

2.3 讨论

本实验采用的是人工湿地和生物接触池相并联的实验装置，人工湿地和生物填料对污水的净化共同起作用。外界因素如温度等环境条件，系统本身的结构、进水方式、处理水质、植物组成、水力负荷及停留时间等都会影响系统的净化效率。

2.3.1 关于组合工艺对污水的净化效果的研究，谷先坤[13]采用生物接触氧化和人工湿地组合工艺，研究其对生活污水的净化效果，结果表明TN和TP的去除主要通过人工湿地系统，湿地系统对TP去除贡献率超过了70%，COD的去除主要在接触氧化池内。不同运行方式下，40天对TN、TP和COD的去除率可以达到60%以上。许东阳[14]研究了改进生物滴滤池/人工湿地组合工艺处理农村生活污水，通过曝气等强化措施，得出组合工艺运行4个月对CODCr、TN、TP、的平均去除率分别为92.53%、62.26%、63.82%。本研究采用浅层人工湿地和生物接触氧化池并联的形式，春夏季对TN、TP的去除率可以达到60%以上，对高锰酸盐指数的去除率可以达到50%以上；秋冬季对TN、TP和高锰酸盐指数的去除率均可以达到60%以上。本研究采用的并联组合工艺可以节省用地，达到与串联组合工艺相近的去除效果。

2.3.2 春夏季，人工湿地的植物和微生物生长较快，其输送氧气和光合作用释放氧气的作用较强，微生物所需的氧气较充足，微生物活性较高，对污水中氮磷和有机质的去除效率较高。即使不种植植物，仅仅依靠湿地滤料和生物填料的作用，对氮磷和有机质的去除均能达到50%以上，加上湿地植物的作用对污染物的去除效果更好。赵丽娜等[15]研究了南京地区常见的植物菖蒲、香蒲、美人蕉和芦苇几种湿地植物在春季对生活污水中主要污染物的处理能力，实验数据表明，菖蒲和香蒲的处理能力较好，其对TN、TP和COD的去除率分别达到了72.64%、90.36%、65.05%和69.82%、91.32%、77.15%；芦苇的处理效果略次于菖蒲和香蒲，而美人蕉的处理效果较差。与本研究结论一致，在春季，菖蒲生态床的对污水的净化效果较好，尤其是TN。在湿地系统中，无机磷酸盐主要通过基质的吸附与沉淀作用脱磷，有研究表明，基质吸附与沉淀作用去除的磷可达总去除量的90%以上，在湿地系统中基质的选择对磷的去除很重要，且去除效率受基质填料理化性质的影响较大。本研究中，在春季，无植物生态接触床对TP的去除率较高，主要是由于人工配置的污水主要有无机磷，因此基质的作用较为明显，植物的作用不明显。

2.3.3 根据王凤香[16]的研究，在低温季节，人工湿地中植物对污染物去除贡献微小，对污染物的去除主要是通过人工湿地床体部分得以实现；温度对湿地中磷及有机物的去除效果影响较小。但是不同植物的耐寒性不同，耐寒植物在低温季节正常生长，能对污水的净化起到促进作用。本研究选用的几种湿地植物，均为较为耐寒物种，秋冬季实验期间平均气温在10℃以下，几种植物的净化效果差异显著。通过比较春夏季和秋冬季的净化效果可以看出，TN和TP的处理效果相当，对高锰酸盐指数的去除效果秋冬季要高于春夏季，也就是说，选择耐寒植物，在秋冬季仍然能够对污水中的TN、TP和高锰酸盐指数保持较高的去除效果。根究张敬申[17]的研究，温度较低的冬季里，水芹菜生长状态良好，没有病害现象，可以作为一种耐寒越冬植物应用到北方地区的人工湿地工程中。本研究中无论是春夏季还是秋冬季水芹对高锰酸盐指数的去除率均最高。花叶芦竹和菖蒲对TN、TP的去除率较高，本研究的三种植物均可以作为低温季节人工湿地植物的选择对象。

3 结 论

本研究采用浅层人工湿地和生物接触氧化池并联的生态接触床净化污水，上部浅层人工湿地分别种植水芹、菖蒲、花叶芦竹，并设无植物对照组，主要结论如下。

3.1 生态接触床对污水的净化效率较高，春夏季TN、TP的去除率可以达到60%以上，对高锰酸盐指数的去除率可以达到50%以上；秋冬季对TN、TP和高锰酸盐指数的去除率均可以达到60%以上。

3.2 春夏季，菖蒲生态床对TN的去除效率最高，无植物床对TP的去除率最高，水芹生态床对高锰酸盐指数的去除率最高；秋冬季无植物和花叶芦竹生态床对TN的去除效果好于水芹和菖蒲组，无植物组和菖蒲生态床对TP的去除率最高，水芹生态床对高锰酸盐指数的去除率最高。除春夏季各实验组对TN的去除差异不显著，其它实验组均差异显著。

3.3 水芹对高锰酸盐指数的去除率均最高，花叶芦竹和菖蒲对TN、TP的去除率较高，本研究采用的并联组合工艺可以节省用地，达到与串联组合工艺相当的去除效果。