复合垂直流人工湿地系统中污染物磷的去除规律研究

范英宏，洪蔚，林世华，侯世全

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081; 2.北京中铁科节能环保新技术有限公司，北京 100081)

1 概述

磷是引起水体富营养化的重要因素之一，而人工湿地污水处理技术由于具有处理效果好、氮磷去除能力强、管理方便、费用低及对负荷变化适应性强等优点［1－3］，正逐渐被应用于污水处理中。人工湿地系统除磷的机理包括物理的、化学的和生物等各方面的因素。在这些因素包括的所有反应中，有的除磷反应过程相当短，50 h之内便可完成，而有的除磷反应过程可能会持续很久，甚至超过50 d［4，5］。大部分的研究发现，人工湿地系统主要依赖基质的物理吸附和化学沉降去除污水中的磷［6，7］。物理因素主要是湿地基质的吸附和截留作用，而化学因素主要包括沉淀作用、离子交换、及与某些金属离子结合成不溶性的化合物或形成络合物［8］。人工湿地系统除磷的生物因素主要是通过植物同化吸收，关于湿地植物的研究开展的比较多［9］。相关研究表明美人蕉、香蒲和千屈菜等植物有很高的耐污能力和很好的除磷效率［10］。但也有很多研究表明，人工湿地中部分植物吸收对磷的去除贡献很小，约占5% ～10%［11］。但湿地植物庞大的根系能和填料表面一起形成特殊的生物膜结构，对污染物的过滤、吸附、吸收、转化等有相当重要的作用［12］，有研究发现，通过收获，使植物保持持续生长的状态，湿地植物和微生物可去除高达75%的磷。尽管微生物在湿地除磷过程中发挥着重要作用，但研究发现磷的去除效果与基质微生物的数量不具有显著相关性［13］。一般来说，人工湿地系统水力负荷如果过大，系统除磷的能力将会随之下降［14－15］。温度也是影响磷去除效果的因素，大多研究表明，温度较高的气候条件能够提高磷的去除效率，但是也有研究认为，湿地的去除磷的能力受温度变化的影响较小［16－17］。不同构造人工湿地系统甚至是相同构造的人工湿地系统由于其所选择的填料、植物以及运行条件的不同，导致它们对磷的去除效率相差很大，有些湿地磷去除率高达90%以上［18－19］，而有的研究中人工湿地系统的除磷能力很低甚至无法监测出［20］。本研究采用复合垂直流人工湿地进行生活污水处理试验，探讨湿地系统对污染物磷的去除规律，以期为实际工程提供依据与参考。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

试验系统整体尺寸为3.0 m×1.5 m×0.65 m，每个床体的上下行池的表面积均分隔成两个1.5 m×1.5 m，下行池深为650 mm，上行池深为600 mm，两池中间设有隔墙，底部连通。系统进水采用DN50 mm穿孔管布水，出水采用侧孔出水。湿地床体基质选用砾石为主，湿地系统种黄菖蒲。系统剖面图如图1所示，下行池侧面从上到下设4个采样口，上行池侧面从下到上设4个采样口，共8个采样口。

图1 复合垂直流人工湿地剖面图

2.2 试验方法

将北京市怀柔区某厂生活污水抽至2 m3的蓄水池，运行方式为连续流，控制进水流量为0.2～1.0 m3/d，水力负荷为44～222 mm/d。从8月18至12月15日连续进4个月的试验，定期取水样测定温度、溶解氧和TP等指标。

3 结果与讨论

3.1 复合垂直流湿地中总磷的沿程变化

11月份在水力负荷67 mm/d的条件下，对湿地进行了采样分析，研究TP在湿地中的沿程变化规律，结果如图2所示。在下行池，出水中总磷的含量是随着水流的方向逐渐降低，而且磷的去除在下行池中基本完成，去除率达90%以上。这说明进水中的磷主要在基质填料中不断地被去除，因为有研究表明，湿地内部的生物量的增长去除磷并不是复合垂直流人工湿地除磷的主要机理。复合垂直流人工湿地基质中的磷的积累主要是铁磷和钙磷的积累，这也和以往的研究中发现的磷与钙、铁离子亲和力更强一致［18］。而且也有研究表明，砾石对磷的吸附能力比较强［21］。而在上行池中，出水中总磷有上升趋势，但不如有关研究结果明显，这说明上行池中的磷不断析出到水流中，上行池出现了磷的释放现象［22－24］。

图2 TP浓度及去除率沿程变化

上行流湿地单元并非是基质含磷最多的单元，但是由于进水在从下行池流向上行池时，内部的磷已经达到了相当程度的净化，因此进入到上行池的水中磷的含量已经很低，故当流经富集较多基质磷的上行流池时，基质中所含的磷特别是表层基质中含的的磷便被冲刷下来。由此可推出，当复合垂直流人工湿地在长时间运行至出现磷释放后，上行流单元是导致磷释放现象产生的根源。因此，当复合垂直流人工湿地除磷效率下降时，如果需要对人工湿地系统进行维护更新基质，应当首先考虑更换上行流人工湿地系统的基质，可以最为有效地改善复合垂直流人工湿地系统除磷效率下降的现象。

3.2 不同水力负荷下总磷去除效果

由图3可知，随着水力负荷的降低，TP的去除效果明显呈增加趋势，这与有关研究结果也比较一致。但是水力负荷为222 mm/d的条件下TP的去除率却略高于水力负荷为111 mm/d的去除率，这可能是因为基质对磷的吸附在人工湿地系统运行的初始阶段很快，对磷的去除效果比较好，随着基质结合位点的饱和，基质对磷吸附的速率越来越慢［21］。复合垂直流人工湿地对总磷的去除效果比较好，在水力负荷为222 mm/d条件下还高达80%，而且相关研究结果表明，复合垂直流人工湿地在600、800、1 000 mm/d的水力负荷下对总磷的去除率分别为 46.13%、59.51%、51.60%。由此可见，复合垂直流人工湿地是高负荷的人工湿地系统。

图3 不同水力负荷条件下TP的去除效果

3.3 温度对总磷去除效果的影响

普遍认为，当水温低于15℃植物和细菌活性较低，而高于26℃植物和细菌活性下降。由图2和图3可知，在气候寒冷的11月、12月，复合垂直流人工湿地系统水温为10℃左右，系统对总磷的净化效率仍90%以上。这说明复合垂直流人工湿地去除磷的效果受气温的影响很小，这与Christos的研究一致［25－26］。可能是湿地系统中受温度影响的生物作用在湿地除磷的过程中的贡献过小，不足以影响整个系统的除磷效率。也可能是由于复合垂直流人工湿地对低温的耐受能力比较强，使其特别适合在北方地区应用。

3.4 溶解氧对TP去除效果的影响

由图4可知，在复合垂直流人工湿地系统中，TP的去除率与进水溶解氧浓度相关性不显著，这与相关研究结果比较一致［27］，可能是湿地系统中TP的去除更多地是有赖于基质的吸附和化学沉淀。

4 结论

(1)试验结果表明，复合垂直流人工湿地对污染物磷的去除效果较好。在水力负荷为222 mm/d的条件下，总磷的去除率为80%以上，而且总磷的去除效果随着水力负荷的降低而增加，在水力负荷为66 mm/d条件下可高达90%以上。

图4 进水溶解氧对污染物去除效果的影响

(2)在复合垂直流人工湿地中总磷的去除主要发生在下行流池中，而在上行流池中存在磷的释放现象，这是由于进水中的磷在下行池已得到相当程度的净化，故当流经富集较多基质磷的上行流池中时，基质中所含的磷特别是表层基质中含的磷便被冲刷下来，从而造成磷的释放。

(3)研究结果表明，温度对复合垂直流人工湿地系统磷的效果影响很小。在11、12月份，复合垂直流人工湿地对磷的去除效果仍可高达90%以上。同样，进水溶解氧浓度与系统磷的去除率直接相关性不显著。

［1］ 朱彤，许振成，胡康萍，等.人工湿地污水处理系统应用研究［J］.环境科学研究，1991，4(5):17－22.

［2］ 籍国东，倪晋仁.人工湿地废水生态处理系统的作用机制［J］.环境污染治理技术和设备，2004，5(6):71－75.

［3］ 吴振斌，谢小龙，徐栋，等.复合垂直流人工湿地在奥林匹克森林公园龙型水系的应用［J］.中国给水排水，2009，25(24):28－31，35.

［4］ SpositoG.The Surface Chemistry of Soils［M］.New York: Oxford University Press，1984.

［5］ Kalin M，FysonA，WheelerW N.Thechemistryof conventionaland alternative treatment systems for the neutralization of acid mine drainage［J］.Science of the Total Environment，2006，366:395－408.

［6］ Braskerud B C.Factors affecting phosphorus retention in small constructed wetlandstreating agriculturalnon-point source pollution［J］.Ecological Engineering，2002，19:41－61.

［7］ Ahn C，Mitsch W J.Evaluating the use of recycled coal combustion products in constructed wetlands:an ecologiceconomic modelingapproach［J］.EcologicalModelling，2002，150:117－140.

［8］ Vymazal J.The use of sub-surface constructed wetlands for wastewatertreatmentin the Czech Republic:10 years experience［J］.Ecological Engineering，2002，18(5):633－646.

［9］ TannerC C. Plants forconstructed wetland treatment systems－A comparison of the growth and nutrient uptake of eight emergent species［J］.Ecological Engineering，1996，7 (1):59－83.

［10］ 吴建强，丁玲.不同植物的表面流人工湿地系统对污染物的去除效果［J］.环境污染与防治，2006(6):432－434.

［11］ 缪绅裕，陈桂珠.人工湿地中的磷在模拟秋茄湿地系统中的分配与循环［J］.生态学报，1999(2):236－241.

［12］ 沈耀良，王宝贞.人工湿地系统的除污机理［J］.江苏环境科技，1997(3):1－6.

［13］ 梁威，胡洪营.人工湿地净化污水过程中的生物作用［J］.中国给水排水，2003(10):28－31.

［14］ Wang N，MitschW J.A detailedecosystem modelof phosphorus dynamics in created riparian wetlands［J］.Ecological Modelling，2000，126:101－130.

［15］ Braskerud B C.Factors affecting nitrogen retention in small constructed wetlands treating agricultural non-point source pollution［J］.Ecological Engineering，2002，18:351－370.

［16］ Majer Newman J，Clausen J C，Neafsey J A.Seasonal performance ofa wetland constructed to process dairy milkhouse wastewater in Connecticut［J］. Ecological Engineering，1999，14:181－198.

［17］ Steer D，Fraser L，Boddy J，Seibert B.Efficiency of small constructed wetlands for subsurface treatment of single-family domestic effluent［J］.Ecological Engineering.，2002，18 (4):429－440.

［18］ Schonborn A，Zust B，Underwood E.Long term performance of the sand-plant-filter schattweid(Switzerland)［J］.Water Science and Technology，1997，35(5):307－314.

［19］ 王庆安，任勇，等.成都市活水公园人工湿地塘床系统的生物群落［J］.重庆环境科学，2001(2):52－55.

［20］ Ran N，Agami M，Oron G.A pilot study of constructed wetlands using duckweed(Lemna gibba L.)for treatment of domestic primary effluent in Israel［J］.Water Research，2004，38(9):2241－2248.

［21］ 李旭东，周琪，张荣社，等.三种人工湿地脱氮除磷效果比较研究［J］.地学前缘，2005，11(4):73－76.

［22］ 张晟.负荷垂直流人工湿地系统除磷研究［D］.武汉:中国科学院研究生院(水生生物研究所)，2000:67.

［23］ Pant H K，ReddyK R.Potentialinternalloadingof phosphorus in a wetland constructed in agricultural land［J］.Water Research，2003，37(5):965－972.

［24］ 王永秀，彭立新，刘继平，等.高效垂直流人工湿地在景观湖水循环净化中的应用:以天津东丽湖景观湖水循环净化工程为例［J］.云南环境科学，2006(B06):72－75，90.

［25］ Chris C.Effect of loading rate planting on treatment of dairy farmwastewaters in constructed wetlands:Removal of nitrogen and phosphorous［J］.Water Research，1995，29(1):17－26.

［26］ Akratos C S，Tsihrintzis V A.Effect of temperature，HRT，vegetation and porous media on removal efficiency of pilotscale horizontal subsurface flow constructed wetlands［J］.Ecological Engineering，2007，29:173－191.

［27］ 陶敏，付贵萍，贺锋，等.复合垂直流人工湿地氧调控条件优化研究［J］.水处理技术，2010，36(10):57－60.