复合垂直流人工湿地对北方污染水净化效果

孙大朋，陈华东，谢震震

（1.山东省城建设计院，济南250021；2.山东省环科院环境工程有限公司，济南250013；3.山东山大能源环境有限公司，济南250014）

水资源是人类生存和社会发展的重要基础资源，是一种多用途、不可替代的可再生自然资源。山东省是我国北方地区资源性缺水最严重的省份之一，实现污水资源化是解决山东省城市水资源化危机的重要途径，是保护水资源、改善水环境的必然要求，也是协调城市水资源与水环境的根本出路，具有明显的经济、社会和环境效益。

1 研究概况

人工湿地技术的采用始于1953年德国Max Planck研究所，20世纪60年代末，Seidel与Kickuth合作并由Kickuth于1972年提出根区理论［1-2］。复合垂直流人工湿地处理系统（IVCW）是在“九五”期间由中科院水生生物研究所与德国科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同承担的欧盟国际合作项目中首先提出的。

人工湿地是指人工建造和监督控制的，类似于沼泽的地面，其构成的4 个基本要素是水体、基质、湿生植物和微生物。通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合，利用三者协调关系，通过土壤过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化［3］。

2 污水净化试验工艺流程

考虑到污染水取自山东省，冬天温度比较低，人工湿地的处理效率势必要降低，因此流程图中气温低与气温较高的时候的水流方向是不同的。工艺流程具体具体流向如图1。

图1 污染水处理工艺图

2.1 气温较高时（夏秋季）

关闭阀门2，3，4；打开阀门1，5。经过隔栅的进水由沉淀池的上部分流到下部分，此时，隔墙上的门是打开的，污染水再流到人工湿地，然后出水。

2.2 气温较低时（春冬季）

打开阀门2，3，4；关闭阀门1，5。经过隔栅的进水由沉淀池的上部分流到人工湿地，此时，隔墙上的门是关闭的，污染水再流到沉淀池的下部分，然后出水。

2.3 材料的选择

2.3.1 沉淀池

沉淀池上部分采用隔墙隔开，而下部分采用插入式填料片，填料是由聚氯乙烯制成的波纹板状填料；在距离设置上，考虑到上部分与下部分的功能的不同，上部分的设置距离要比下部分大一些（如图1虚线）。

2.3.2 人工湿地

人工湿地由下行池和上行池组成，底部连通如图2。

图2 复合垂直流人工湿地系统示意图

人工湿地中尺寸为1.0m×0.4m×0.5m，每个池子为0.5m×0.4m×0.5m，处理水量40L/d。

对于人工湿地中的填料选择，考虑到人工湿地生态系统的低成本、多效益性，采用的是砾石、粉煤灰（FA）、沙子、土壤的混合填料。粉煤灰（FA）层厚度为40cm，根据Edward［4］、Amstron 试验研究发现，湿地植物因为很多因素（如气候、水利条件［5-6］及植物［7-8］相互影响），厚层不能完全发挥基质的作用，因此，厚层最好不要超过0.5m。粉煤灰基质磷素吸附容量很大，且磷素释放量很低，是一种很好的净化磷素的基质材料，但其碱性较大，不适合植物的生长，可以作为人工湿地砂子基质或土壤基质的中间吸附层［9］。下部分基质采用砾石，粒径40～70mm，砾石层厚10cm，主要是方便与水的自由流通。

人工湿地中选择一种或几种植物作为优势种栽种，有利于植物的快速生长，本研究在下行池中种植芦苇（Phragmltes communis）、美人蕉（Canna indica），上行池种植苔草（Carex sp.）和黑麦草（Lolium multiflorum Lam），夏季美人蕉、芦苇的根系向下生长到底部，黑麦草、苔草的根系主要分布在0～20cm 深处，为微生物提供栖息场所，并发挥向根茎周围充氧之用，以促进污染物的分解和转化［11］。

2.4 各工艺设备的功能

经过隔栅的污水，可将堵塞管道和阀门的较大悬浮污物基本去除，到达沉淀池后比重较大的颗粒（砂子、煤渣等）从污水中去除，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。

沉淀池的下部分在气温较高的时候，作稳定塘之用，利用自然河流稳定塘进行污水处理试验选择在气温较高的夏季。因夏季水生生物的代谢活动比较频繁，河水生化反应较为剧烈，有机污染物去除效率较高［12］。试验的水深是根据好氧塘的要求，一般在0.4～1.0m。采用连续出水塘状态试验（即动态试验）。其作用是用作污水的一级处理，降低污水中SS、BOD5等指标的浓度，减轻人工湿地处理污水的负荷，提高湿地的处理效率。当气温比较低的时候，沉淀池下部分插入聚氯乙烯制成的波纹板状填料，使经过人工湿地的去除率不是很高的污染水再经过一次处理，其原理也是来自人工湿地的用插入式填料代替水生植物增加污染水的处理效果。

人工湿地的作用主要是对污染水的深度处理，使其达到处理的要求。这部分主要是利用了湿地中植物和介质对污染水成分的去除作用。污水进入人工湿地下行流池后先通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，此后在水流行进的路线上硝化作用减弱，反硝化作用占主导地位，最终氮素转化成气态形式释放。硝化作用和反硝化作用强度变化沿水流方向呈显著负相关，硝化和反硝化作用微生物量与硝化和反硝化作用呈显著正相关，其中，硝化作用与其微生物量的变化更为一致。

2.5 处理效果分析

研究结果是分别从系统的进水和出水共采样多次，以测试系统对污染物的去除率或其他项目的检验，以求得到比较全年各个时间段的污染物或其他项目去除率的值。

污水的水质和湿地系统对污水的处理效果分别如表1～表3。

表1 供试污水水质状况 单位：mg/L

表2 人工湿地系统对污水的净化效果 单位：%

表3 人工湿地系统对N，P 的净化效果 单位：%

从表2 中可以得出，复合人工湿地系统对污水中COD 有较好的去除效果，最终去除率达到85%以上，出水中COD 平均浓度在20mg/L，基本达到GB3838—88《地面水环境质量标准》IV 类水标准。对污水中BOD5的去除效果也不错，最终去除率达到89%以上，BOD5浓度在5.27～9.21mg/L 之间，基本上达到了V 类水标准，有些甚至好于IV 类水标准。相对于进水的SS 的浓度，出水的浓度相对比较低，原因可能是复合人工湿地系统的下行和上行池对污水的SS 进行了充分过虑，使SS 的出水浓度相对较低。

从表3 中可以看出，人工湿地对TP 的去除率非常高，在温度较高的季节，处理率达到90%以上；而对TN 的去处率，在温度较高的季节，也可以达到70%以上。当气温较低时，TN 和TP 的去除率也比较高，这是因为沉淀池下部分插入聚氯乙烯制成的波纹板状填料，使经过人工湿地的去除率不是很高的污染水再经过一次处理，代替水生植物增加污染水的处理效果。

3 结果分析及存在问题

湿地为细菌反硝化作用创造了有利条件［13］，但是细菌的反硝化作用受温度的影响，在10 ℃～30 ℃范围内，高温有利于反硝化［14］。在12月，由于温度较低，反硝化作用较弱，在水力负荷为0.1～0.45m/d 条件下，对有机物和营养物质有较高的去除率，尤其是在冬季寒冷的条件下，对COD 和NH+4-N 仍然有相对高的去除率［15］。

本研究关键所在，是不同季节设备的联合使用，考虑到气候对人工湿地的影响，结合湿地相关的理论模型，部分解决了温度对湿地处理效率影响较大的问题。

植物吸收、存储占湿地总氮去除量的10%左右［16］，本研究考虑到植物物种选择的重要性，也是制约人工湿地处理污染水效果的一个重要因素，因此，针对植物的生长特性及其对污染水的吸附特性，为了使人工湿地的长期保持比较高的处理效果，提出对人工湿地维护的问题，包括植物保护及设备的维护问题。

人工湿地系统是一种资源化、生态化的污水处理技术，其良好的处理效果、较低的运行成本和优良的造景效果使这一方法具有广泛的应用和推广前景［17］。

［1］House C.H，et al.Combining constructed wetlands and aquatic and soil filter for reclamation and reuse of water［J］.Ecological Engineering，1999（12）:27-38.

［2］Brix H.，et al.Use of constructed wetland in water pollution control:Historical development，present status，and future perspectives［J］.Wat.Sci.Tech.，1994，30（8）:209-223.

［3］HE RONQ ZHOU Q，ZHANG JUN.Treating domestic sewage by the free-water surface constructed wetlands［J］.Ecology and Environment，2004，13（2）:180-181.

［4］Edwards G S.Root distribution of soft-stem hulrush（Scirpus validus）in a constructed wetland.TVA Coop For Stud Prograrn，TVA.Foresty Build，Norris，TN37828，USA.29054194G，1992，239-243.

［5］Gersberg R M，Elkins B V，Lyon S R，et al.Role of aquatic plants in waste water treatment by artificial wetlands［J］.W at Res，1986，20（3）:363-368.

［6］Ostendorp W.“Die hack”of reeds in Europe-A critical review of literature［J］.Aquatic Bot，1989（35）:5-26.

［7］Armstrong J，Armstrong W，W u Z，el al.A role for phytotoxins in the Phragmites die-back syndrome［J］.Folia Geobot Phytotax，1996（31）:127-142.

［8］Kulshreshtha M，Gopal B.Allelopathic influence of Hydrilla verticillata（LF）Royle on the distribution of Ceratophyllum species［J］.Aquatic Bat，1983，16（2）:207-209.

［9］袁东海，景丽洁，张孟群，等.几种人工湿地基质净化磷素的机理［J］.中国环境科学，2004，24（5）:614-617.

［10］成水平，吴振斌，况琪军.人工湿地植物研究［J］.湖泊科学，2002，14（2）:179-184.

［11］岳春雷，常杰，葛滢，等.利用复合垂直流人工湿地处理生活污水［J］.中国给水排水，2003，19（7）:84-85.

［12］顾夏声，黄铭荣，王占生，等.水处理工程［M］.北京:清华大学出版社，1985.

［13］Baker L A.Design considerations and applications for wetland treatment of high-nitrate waters［J］.Wat Sci Tech，1998，38（1）：389-395.

［14］陈博谦，王星，尹澄清，等.湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研究［J］.城市环境与城市生态，1999，12（1）:19-21.

［15］刘红，代明利，刘学燕，等.人工湿地系统用于地表水水质改善的效能及特征［J］.环境科学，2004，25（4）:65-69.

［16］付融冰，杨海真，顾国维，等.潜流人工湿地对农村生活污水氮去除的研究［J］.水处理技术，2006，30（1）:18-22.

［17］雷志洪，戴知广，陈志诚，等.高效复合垂直流人工湿地系统处理效果与污水回用工程［J］.给水排水，2002，28（9）:22-23.