复合垂直流模块化人工湿地关键技术研究

靳晓颖，冯 峰，刘 翠

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

为了高效利用水资源、系统修复水生态、综合治理水环境、科学防治水灾害，有效解决城市发展过程中面临的各类水问题，2015～2016 年，财政部、住建部、 水利部联合开展了两批海绵城市建设试点评审工作，30 座城市成为国家试点并获得国家财政亿元支持。 自此，全国各地掀起了海绵城市规划、建设热潮［1］。为保障海绵城市规划蓝图落地实施，使这种科学的城市发展方式真正发挥经济效益、 社会效益及生态效益， 研究雨水资源高效管理利用的海绵城市关键技术具有重要的现实意义。

人工湿地利用物理、化学、生物三重协同作用，可以使污水得以高效净化， 因此被越来越广泛地应用于各地海绵城市建设项目中［2－4］。该项海绵城市关键技术按照出水、布水方式的不同，可以分为表流人工湿地和潜流人工湿地，其中，潜流人工湿地通过布水、集水管道引导，充分延长了水在湿地中的径流时间，拓展了径流空间，水与基质、植物、微生物充分接触，净化能力明显高于表流人工湿地，且占地面积相对较小，有很高的推广应用价值。为了将此种类型的人工湿地引入建筑与小区、城市机动车道绿化带、休闲空间园路或绿化带等便于雨水汇集、 有雨水调蓄净化需求或有污水净化需求， 但没有较大空间进行普通人工湿地建设的区域， 笔者研究了复合垂直流模块化人工湿地关键技术， 并通过试验验证其污水处理效果，以期为建设更加生态、和谐、友好的城市空间提供一定的技术支持。

1 人工湿地净污效果主要影响因素

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面。将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上， 污水、 污泥在沿一定方向流动的过程中，在土壤、人工介质、植物和微生物的物理、化学、生物三重协同作用中得以净化。污水、污泥净污效果主要受温度、氧环境和水力性能等因素的影响。

1.1 温度

植物和微生物是人工湿地的重要组成部分，也是湿地发挥去污作用的重要参与者， 但低温条件会对植物和微生物生长产生抑制作用， 进而影响净污效果。大多数植物在低温条件下会进入休眠状态，泌氧和新陈代谢能力都会呈下降趋势， 植物根区的好氧、缺氧和厌氧状态遭到破坏，人工湿地的含氧水平削弱， 进而导致硝化作用和有机物的好氧降解能力受到限制。 湿地微生物生长的适宜温度为25～35℃，在秋冬低温条件下， 微生物的生长代谢和去污能力也都会受到明显抑制和影响。

1.2 氧环境

氨氮和有机物是目前地表水体中的主要污染因子，也是典型的耗氧污染物。溶解氧是人工湿地去除耗氧污染物的重要因素和控制条件［5］，决定着氨氮和有机物能否被有效去除。 人工湿地内的氧含量会随着污水在湿地内的滞留时间及水流路径而变化，当污水总量或耗氧污染物浓度增高时， 湿地氧含量将会骤减，直至消耗殆尽；同时，有机物好氧降解还将与硝化脱氮竞争消耗溶解氧， 导致硝化反应进行不畅，随着有机物浓度减少，反硝化脱氮又将受到有机碳源不足的制约，最终导致总氮去除受到影响，人工湿地净污效果不佳。 人工湿地中氧环境的变化规律一般表现为： 湿地表层复氧效果好， 呈现好氧状态，底层则呈现缺氧或厌氧状态；湿地进水区域含氧量相对较高， 随着水体中氨氮和有机物在好氧条件下被转化及降解，沿程氧含量逐步减少；湿地植物通过根系泌氧在近根区形成好氧状态， 而远离根际的区域则呈缺氧或厌氧状态。 通过种植根系泌氧能力强的植物、 改变湿地运行模式或使用人工机械增氧等，是改善湿地含氧水平的主要方法。

1.3 水力性能

湿地水力性能的主要评价参数包括水流状况、水力停留时间、水力负荷和水位变化等［6－7］。 水流流速、进出水方式、基质粒径大小和材料属性等共同影响着湿地中水体的流态及流程。其中，基质的颗粒大小主要决定着湿地系统的孔隙度和污染物质在湿地中的停留时间； 进出水方式主要影响水流流程和溶解氧分布。 水力停留时间是指污水进入湿地后在湿地内的平均停留时间，停留时间越长，污水与湿地中植物、基质和微生物的接触越充分，污染物越能够通过物理、化学及生物机制等被逐步转化并去除。水力负荷是指单位时间内通过单位面积的污水水量，调控水力负荷就能决定污水在湿地内的平均停留时间。 水位变化会影响湿地的含氧量，通过设置人工湿地的饱和水位，可以调控湿地内好氧区和厌氧区的分布，以满足不同去污微生物生长繁殖所需的氧环境。

2 人工湿地试验设计

2.1 试验目的

不同类型的人工湿地除了水流方式不同外，能够承受的污染负荷、水力负荷，以及前期建造费用、维护费用、地空间也有较大差别。 人工湿地投入运行后，因水流方式、填料类型、植被选择等方面的原因，湿地内部发生的物理、化学、生物反应各不相同，从而造成污染物去除效率差异。 此外，因湿地内部堵塞情况差异，也会造成湿地正常运行寿命相差较大。 为了将人工湿地这种海绵城市建设的关键技术引入更广阔的城市空间，需要对湿地建设工艺有全面细致的了解，并有相关试验数据作为湿地建设项目的重要支撑。 不同水流方式作用下人工湿地的工艺特征如表1 所示。

表1 不同水流方式作用下人工湿地的工艺特征Tab.1 Process characteristics of constructed wetland under different water flow modes

2.2 试验模型设计

在详细了解湿地净污效果影响因素及不同类型人工湿地结构特点和工艺特征的基础上， 设计并制作复合垂直流模块化的人工湿地模型 （如图1 所示）。

图1 复合垂直流模块化人工湿地模型Fig.1 Composite vertical-flow modular constructed wetland model

该模型由种植箱、供水箱和支架3 部分组成。种植箱尺寸为2 m×0.5 m×0.7 m（长×宽×高），用隔板均匀分成6 个种植池。 各隔板的底部和顶部都分别设置过流孔和溢流孔，底部过流孔位置相同，顶部溢流孔沿水流方向逐渐降低。 这种多箱组合式水流引导设计既可以避免使用复杂的布水、集水管道系统，减少管道布设投资，降低维护难度，还可以利用穿孔溢流隔板，引导水流在重力作用下流动，形成下行流、上行流交替运行的复合垂直流水流状态， 使水流可以在有限的湿地箱体范围内尽量延长流动路径，以提升水质净化效果。同时，每隔2 个种植箱可以形成一次跌水， 这样一方面可以增加水流与空气的接触机会， 提升水流含氧量， 为填料层底部营造好氧环境，激发好氧微生物活性，提高污染物去除率；另一方面，可通过调整种植池内的填料厚度，使种植池内的水位高于填料层表面或低于填料层表面， 形成表流湿地或潜流湿地。 这样不仅能满足不同类型水生植物的根系生长需求， 也可以营造多种类型水生植物分单元混种的景观效果。

为方便进行试验观察及取样， 该模型采用亚克力玻璃板制成，每个种植池侧面设多个取样孔，以便对比分析不同种植池在下行流、 上行流及湿地模型出口处不同位置的水质净化情况。 种植箱由钢架支撑，其下放置供水箱，尺寸为1 m×0.5 m×0.5 m（长×宽×高）。

2.3 试验过程设计

此次试验共设4 个复合垂直流模块化人工湿地模型，每个种植箱的填料厚度均为40 cm，填料结构及植被选择具体情况如下。

1＃种植箱。第一个种植池内均匀铺设直径为5～10 mm 的机制陶粒， 第二个种植池内均匀铺设直径为8～15 mm 的沸石，第三至第六个种植池内均为直径为10～20 mm 的粗粒碎石。 每个种植池内均种植美人蕉3 株，种植深度约为10 cm，根部无土，初始种植生长状态良好。

2＃种植箱。 第一至第六个种植池内均为直径为5～10 mm 的细粒碎石。 每个种植池内均种植黄菖蒲3 株，种植深度约为10 cm，根部无土，初始种植生长状态良好。

3＃种植箱。 第一、第三、第五个种植池内均匀铺设直径为5～10 mm 直径的细粒碎石，第二、第四、第六个种植池内均匀铺设直径为10～20 mm 的粗粒碎石。 每个种植池内种植黄菖蒲、水生鸢尾各2 株，种植深度约为10 cm，根部无土，初始种植生长状态良好。

4＃种植箱。 每个种植池从下至上交替均匀铺设10 cm 厚的直径为10～20 mm 的粗粒碎石和10 cm厚的直径为5～10 mm 的细粒碎石。 每个种植池内种植美人蕉、黄菖蒲、水生鸢尾各1 株，种植深度约为10 cm，根部无土，初始种植生长状态良好。

植被栽种（移植）初期，通过调节种植箱内水位（清水），引导植物根系生长、稳固；1 个月后，在种植箱内引入人工制备的污水水样，通过取样分析，动态观测各种植箱在同一水力负荷和同一污染负荷作用下的去污效果及同一种植箱内沿水流方向的水质变化情况。 种植箱水力负荷由转子流量计 （量程0～100 ml／min）进行控制；污染负荷通过人工制备复合肥污水水样进行控制。水质分析项目主要有总磷、总氮、氨氮、COD 及溶解氧。

3 试验结果分析

试验取样位置均为复合垂直流模块化湿地模型上行流种植池出水口位置， 水质分析采用格林凯瑞G70 Pro 多参数水质测定仪。 每轮试验开始时，种植箱内处于清水饱和状态， 在稳定的水力负荷和污染负荷作用下， 同一取样点所取水样的氨氮浓度随试验进展呈上升趋势，后期趋于稳定，故取每轮试验最后一次取样数据进行分析。

3.1 氨氮去除效果

2021 年7 月8 日～13 日进行第一轮试验，水力负荷为40 ml／min，污染负荷为510 mg／L；经停水冲洗 后，2021 年7 月17 日～8 月3 日 进 行 第 二 轮 试验，水力负荷为40 ml／min，污染负荷为69.5 mg／L。试验结果如图2 所示。

图2 复合垂直流人工湿地氨氮去除效果Fig.2 Ammonia-nitrogen removal effect of composite vertical-flow constructed wetland

由图2（a）可知，在4 个复合垂直流人工湿地模型中，1＃种植箱氨氮去除效果最好， 去除率高达94%。 这与它前2 个种植池中铺设吸附净化效果较强的陶粒和沸石有较大关系。1＃、2＃和4＃种植箱沿水流方向所取3 个样品的浓度依次降低。 这除了与填料吸附作用有关外， 还与植物根系吸收转化和微生物的生命活动密切相关。3＃种植箱内3＃样品的氨氮浓度与2＃样品相比， 不降反升；2＃种植箱内1＃样品和4＃种植箱内1＃样品浓度与试验初始污染负荷相比，不降反升，数据异常。经初步分析认为，这是因试验过程中植物被深水浸泡，种植箱内水绵生长旺盛，水体含氧量不足，反硝化作用增强所致。另外，试验水样初始浓度过高对试验效果也有影响。 图2（b）显示，4 个复合垂直流人工湿地模型的氨氮去除效率均达到89%～96%， 每个种植箱沿水流方向所取的3 个样品的氨氮浓度均依次下降，氨氮去除率依次升高，湿地结构设计中的填料铺设、植被选择、污染负荷及水力负荷等要素组合较为和谐，湿地模型运行良好。

3.2 总氮去除效果

2021 年7 月8 日～13 日开展第一轮试验，水力负荷为40ml／min，污染负荷为508 mg／L；经停水冲洗 后，2021 年7 月17 日～8 月3 日 开 展 第 二 轮 试验，水力负荷为40ml／min，污染负荷为46 mg／L，试验结果如图3 所示。

图3 复合垂直流人工湿地总氮去除效果Fig.3 Total nitrogen removal effect of composite vertical-flow constructed wetland

由图3（a）可知，在4 个复合垂直流人工湿地模型中，1＃箱总氮去除效果最好，去除率高达91%。 这与它前2 个种植池中铺设吸附净化效果较强的陶粒和沸石有较大关系。 2＃、3＃和4＃种植箱的出水口3＃样品去除率数值显示去除总氮有效， 这除了与填料吸附作用有关外， 还与植物根系吸收转化和微生物的生命活动密切相关。 但是，1＃、3＃和4＃种植箱的2＃样品与1＃样品相比，数据异常。 经初步分析认为，因试验过程中植物被深水浸泡， 种植箱内水绵生长旺盛，水体溶解氧降低，反硝化作用增强，与试验水样初始浓度过高也有关系。图3（b）显示，4 个复合垂直流人工湿地模型的总氮去除效率达到54%～75%。每个种植箱沿水流方向所取的3 个样品的总氮浓度均依次下降，即总氮去除率依次升高。这表明湿地结构设计中的填料铺设、植被选择、污染负荷及水力负荷等要素组合较为和谐，湿地模型运行良好。

3.3 总磷去除效果

鉴于污染负荷较高时， 氨氮、 总氮去除效果不佳，课题组于2021 年8 月5 日～12 日开展总磷去除效果监测，水力负荷为40 ml／min，污染负荷为，6.5 mg／L，试验结果如图4 所示。

由图4 可知，4 组复合垂直流人工湿地种植箱沿水流方向所取样品总磷含量均呈下降趋势， 其中第一组去除率最高，出水口样品检出率甚至为零，这与其填料类型有关； 第四组数据异常，1＃和2＃样品总磷浓度与试验初始浓度相比更高。 经初步分析认为，这与该箱植物生长状态有关。 试验期间，箱内植被萎靡枯黄，部分种植池内水位高于填料层，导致植物茎叶渗水浸泡，种植箱净污作用受到影响。

图4 复合垂直流人工湿地总磷去除效果Fig.4 Total phosphorus removal effect of composite vertical-flow constructed wetland

3.4 COD 去除效果

2021 年8 月17 日～21 日开展COD 去除效果监测，水力负荷为40 ml／min，污染负荷为13 mg／L，试验结果如图5 所示。

图5 复合垂直流人工湿地COD 去除效果Fig.5 COD removal effect of composite vertical-flow constructed wetland

由图5 可知，4 组复合垂直流人工湿地种植箱沿水流方向所取各样品，COD 浓度几乎均比试验初始浓度高。经过前期多轮试验后，人工湿地种植箱系统内部残留了大量有机物和无机物，其中，有机物主要源于含有农用有机肥料的污水和植物根系腐败物。 污水中难以被生物降解的部分有机物在湿地内部不断积累； 植物根系生长、 腐败也会侵占基质空隙； 根系及附着其表面的微生物产生的分泌物难以随水流输出湿地，从而导致种植箱内COD 浓度不降反升。

3.5 溶解氧监测

在整个湿地试验持续时间对4 个人工湿地种植箱内各取样口的DO（溶解氧）值进行监测，但因试验进展期间频繁出现降雨天气， 导致数据采集不连续。此处， 以7 月17 日和8 月12 日2 次监测数据（数据序列完整）为例进行分析，如表2 所示。 2 d 取样测试时间相同，测试时的空气温度均为30.2 ℃。

表2 人工湿地种植箱取样口DO 测定值统计Tab.2 Statistics of DO measurement values at sampling port of planting box of constructed wetland

由表2 可知， 复合垂直流人工湿地种植箱内DO 值普遍高于普通湿地。 究其原因，复合垂直流人工湿地种植箱水流形式较为复杂，下行流、上行流交替进行， 且部分箱体内保有自有水面或存在跌水设计，此种设计有利于水与空气充分接触，提高水体溶氧量。 复合垂直流人工湿地种植箱各箱体DO 含量有所区别，这与各种植池内植被类别差异有关，不同类型的水生植被，其富养能力不同，当然，这也与其自由水面的深度有关系。

4 结语

综上所述，通过对氨氮、总氮、总磷、COD、DO等关键指标进行监测分析， 证明笔者所设计的复合垂直流模块化人工湿地模型具有较好的污染物去除效果，有一定的推广应用价值，但距离形成完整的成体系的湿地建设工艺方案还有一定的差距。 在推广实施前， 尚需要继续探索不同指标之间的作用关系，依托模拟软件或计算模型对方案实施效果进行预测分析，从而为应对潜流人工湿地的堵塞问题、提升湿地去污效率、延长湿地运行寿命、降低湿地堵塞维护难度、扩大人工湿地的推广应用范围等提供基础支持。