潜流人工湿地处理微污水效能研究

胡爽，黄晴晴

(1.重庆市巴南区环境监测站， 重庆 401320； 2.重庆市计量质量检测研究院， 重庆 401123)

潜流人工湿地处理微污水效能研究

胡爽1，黄晴晴2

(1.重庆市巴南区环境监测站， 重庆 401320； 2.重庆市计量质量检测研究院， 重庆 401123)

构建4种潜流人工湿地处理微污染水，结果表明：出水各污染物均达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准要求；芦竹湿地对污染物平均去除率相对较高；芦竹湿地启动阶段和稳定阶段对污染物去除存在显著性差异，美人蕉湿地和空白湿地对污染物去除率差异性不显著；填料种类对人工湿地中磷的去除率影响较大，不同填料不会影响启动时间。启动阶段和稳定阶段COD、TN、TP进水负荷和出水浓度都呈正相关关系，但是对COD启动阶段复相关系数小于稳定阶段复相关系数，对TP却相反，对TN两个阶段复相关系数变化不大。

人工湿地；微污水；启动阶段；稳定阶段

微污染水会给人类饮水带来健康问题，国外学者很早就开始对此进行研究[1]，近年国内学者也开始对微污染水进行修复，平板膜-生物反应器净化法[2]、流化床预处理工艺[3]等已经开始进行研究。人工湿地处理微污染水[4]成为研究热点。人工湿地是一个近自然态的生态系统，有低耗能、处理污水效能高的特点[5]，适用于非点源污水处理，如农田废水[6]、养殖废水[7]、社区污水[8- 10]等，学者们一般从有机物[11]、氮[12- 13]、磷[14]以及重金属[15- 16]等污染物的去除特征来研究人工湿地。国内学者曾研究了人工湿地冬季和夏季对比效果[17]，杨新萍[5]等对人工湿地启动阶段和稳定阶段的效果进行研究，发现人工湿地启动阶段对污染的去除率比稳定阶段高。国内对湿地的启动阶段和稳定阶段去除率特点研究比较少，对启动阶段和稳定阶段特点的研究，可以深入了解人工湿地在不同阶段运行情况，全面掌握人工湿地性能。

试验地点位于重庆市某水库补给河流，由于河流所在区域属于农耕区，种植大棚水果和蔬菜，耕作季节施有大量化肥，当降雨较大时，有机物、氮、磷随着地表径流流入河流，通过2010年至2011年对河流入库段进行监测，发现河水中污染物范围如下：COD 2.33～5.64 mg/L、TN-N 0.044～2.087 mg/L、TP-P 0.035～0.162 mg/L，超出《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准的要求，威胁高峰水库安全。构建人工湿地对河水进行旁路修复，考察不同构造类型的潜流人工湿地工艺性能。

1 材料与方法

1.1 人工湿地概况

人工湿地基本情况如表1所示，其覆土均为0.1 m，大碎石∶废砖块∶小碎石及卵石∶土壤的体积比为20∶25∶25∶10。种植的植物均为5株/m2，植物种植的时间是2010年5月，人工湿地启动阶段为2010年9月至2011年2月，稳定阶段为2011年5月至2012年1月。期间水力停留时间为2 d(水力负荷0.6 g·m-2·d-1)。

表1 人工湿地基本情况表

1.2 水样采集及其数据测定方法

由于野外试验装置运行的不稳定性，每月采样三次以上，数据取平均值进行分析。数据测定方法为：COD采用高锰酸钾滴定法、TN-N采用紫外分光光度法、TP-P采用钼酸盐分光光度法[18]。

2 结果与讨论

2.1 COD去除特征

COD的进水浓度为1.35～5.64 mg/L，在启动阶段除4#外，各个湿地之间差异不大，均为20%左右，4#去除率仅为8.7%，如表2所示。稳定运行阶段，1#、2#对COD的去除率相差不大，均为26%左右，3#对COD的去除率为16.8%，4#去除率最低，仅为11.46%。由表3可知，1#的启动阶段和稳定阶段存在显著差异，2#的启动阶段和稳定阶段差异性极为显著，而3#、4#去除负荷差异却不大。

表2 人工湿地对COD去除情况/%

表3 人工湿地启动阶段和稳定阶段差异性分析(T-test)

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

图1为COD启动阶段和稳定阶段进水负荷和出水浓度相关性。结果显示，两者呈正相关性，但是启动阶段复相关系数分别为0.21、0.74、0.25，稳定阶段两者的相关性比较显著，其复相关系数分别为0.748、0.837、0.757，由于启动阶段进水负荷为2.1～3.3 g·m-2·d-1，在此负荷范围下，对于芦竹和美人蕉湿地，当进水负荷小于2.4 g·m-2·d-1时，启动阶段去除率较稳定阶段低，当进水负荷大于2.4 g·m-2·d-1时，启动阶段去除率较稳定阶段高。

图1 COD启动、稳定阶段进水负荷和出水浓度相关性Fig.1 COD removal at initialing phase and stable phase in different plant wetland

人工湿地启动阶段，由于根系的拦截作用，种植有植物的湿地较空白湿地去除率高；稳定阶段，美人蕉和芦竹的根系及其周围的微生物都已经相对稳定，但由于美人蕉会在寒季枯萎，其稳定程度不及其他人工湿地，所以在稳定阶段，其对COD的去除率相对较低。分析发现，芦竹和美人蕉湿地去除率在启动阶段相差不大，空白湿地去除率最小，运行初期主要靠填料和植物的根系对水体中颗粒物进行拦截，空白湿地没有植物，所以去除率较小。从进水负荷和出水浓度相关性可以看出，稳定阶段相关系数比启动阶段相关系数大，稳定阶段植物根系及其根围的微生物稳定，有机物的负荷变大，营养丰富，其根围微生物生长也快，对COD的去除率也随之变大。表3揭示了芦竹湿地在启动阶段和稳定阶段差异性显著，而美人蕉湿地启动阶段和稳定阶段差异性不显著，分析认为美人蕉在启动阶段根系生长很快，微生物繁殖也较快，短时间内达到稳定阶段，所以启动阶段、稳定阶段差异性不显著。

2.2 氮素去除特征

启动阶段各个人工湿地对TN的去除率差异性比较显著，其中3#最高，平均去除率为48.51%，4#最低，平均去除率为11.12%，稳定阶段2#湿地对TN的去除率最大，去除率高达83.41%，3#和4#平均去除率较启动阶段略变小，但是变化不大，4#平均去除率为10.10%。启动阶段和稳定阶段的差异性分析发现，1#和2#启动阶段和稳定阶段都存在显著差异(表3)，3#和4#差异性不显著。

图2为TN启动阶段和稳定阶段湿地进水负荷和出水浓度相关性。可以看出，TN进水负荷和出水浓度均呈正相关，启动阶段复相关系数为0.507、0.32、0.346，稳定阶段复相关系数分别为0.359、0.49、0.139。由于进水负荷范围仅为0.03～2.1 g·m-2·d-1，在该负荷条件下，芦竹湿地进水负荷小于0.75 g·m-2·d-1时，启动阶段去除率小于稳定阶段，进水负荷大于0.75 g·m-2·d-1时，启动阶段去除负荷大于稳定阶段；美人蕉湿地进水负荷小于0.6 g·m-2·d-1时，启动阶段去除率小于稳定阶段，进水负荷大于0.6 g·m-2·d-1时，启动阶段去除率大于稳定阶段；空白湿地的相交点为0.52 g·m-2·d-1。

表4 人工湿地对TN去除情况/%

图2 TN启动、稳定阶段进水负荷和出水浓度相关性Fig.2 TN removal at initialing phase and stable phase in different plant wetland

人工湿地的氮去除机理主要包括挥发、氨化、硝化、反硝化、植物摄取以及基质吸附[16]。启动阶段，美人蕉湿地对TN去除率最高，主要因为美人蕉在启动阶段根部生长快，对氮素的摄取也较快，庞大的根系可以为微生物提供生存场所，微生物繁殖比较快，所以对TN的去除率比较高。但是，稳定阶段去除率却有所下降。根据Jordan[19]等人的研究，启动阶段人工湿地对TN的去除率达59%，稳定阶段却显著下降。美人蕉湿地对TN的去除情况和Jordan等人的研究结果一致。稳定阶段，芦竹建筑垃圾湿地对TN的去除率最高，并且芦竹湿地在启动阶段和稳定阶段存在极为显著的差异，是因为芦竹生长周期比较慢，在启动阶段，其根系在湿地中的作用还没有完全体现，到了稳定阶段，其根部的拦截作用增强，对氮的吸收也相应增强，根围的微生物种群结构成熟，对TN的去除作用就显著增加。

2.3 磷素的去除特征

表5所示为人工湿地对TP去除平均值情况， 1#、2#和3#平均去除率比较高，均为40%左右，4#平均去除率低于20%；稳定阶段各个湿地对磷的去除率均变大，其中2#最高，平均去除率为80.33%，4#去除率最低，为33.61%。通过进行启动和稳定阶段的差异性分析发现，1#和2#启动阶段和稳定阶段都存在显著差异(表3)，3#和4#差异性不显著。

表5 人工湿地对TP去除情况/%

图3为TP启动阶段和稳定阶段湿地进水负荷和出水浓度相关性。由图3可以看出，TP进水负荷和出水浓度均呈正相关，启动阶段复相关系数分别为0.918、0.711、0.786，稳定阶段复相关系数分别为0.055、0.019、0.037；启动阶段进水负荷大于0.04 g·m-2·d-1，在此进水负荷下，芦竹和美人蕉湿地稳定阶段去除率小于启动阶段，空白湿地稳定阶段去除率则大于启动阶段。

图3 TP启动、稳定阶段进水负荷和出水浓度相关性Fig.3 TP removal at initialing phase and stable phase in different plant wetland

在人工湿地中磷的去除主要通过3个过程实现：填料的吸附沉淀、微生物同化作用以及聚磷菌的过量摄P作用、植物的吸收。1#和2#均栽种的芦竹，通过一年的生长，生长周期较长的芦竹趋于稳定，稳定生长的芦竹枝干茂密、根系发达，对磷的吸收能力强于美人蕉，因此芦竹湿地对TP-P的去除率大于美人蕉湿地。而两种种芦竹湿地中，2#的填料为废砖，3#的填料为碎石、卵石和废砖的组合填料，从表5可以发现，2#对TP-P的去除率都高于其他人工湿地，说明建筑垃圾对磷的吸附较其他填料更强。从复相关系数看，启动阶段相关系数较大说明填料对磷素在启动阶段以物理吸附为主，稳定阶段相关性不强，说明填料对磷素逐渐产生化学沉淀，物理吸附达到一定量时，出现吸附平衡的突变，重新达到下一个平衡。

3 结论

在处理微污染水时，人工湿地出水各污染物均达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准要求，从而保证了水库供水安全。启动阶段和稳定阶段人工湿地对污染物的去除规律有一定差异。

湿地中种植不同植物，稳定阶段和启动阶段情况不一样，种植芦竹和美人蕉的人工湿地相比较，种植芦竹的湿地是随着时间逐渐稳定，对污染物的去除率逐渐升高，启动时间较长，种植美人蕉的人工湿地，启动时间较短，很快达到稳定阶段，因此人工湿地中选用芦竹对污染物去除比较稳定。对于填料不同的湿地，填料为建筑垃圾的湿地启动阶段时间较长，稳定后对污染物的去除率较高。湿地中填料不同对磷素的去除影响最大，建筑垃圾填料湿地经过一年运行磷素去除率依然较好，可以判定用当地废弃的建筑垃圾来作为填料，处理微污染水既经济又实用。

启动阶段和稳定阶段COD、TN进水负荷和出水浓度相关性规律都呈正相关，TP进水负荷和出水浓度相关性启动阶段较显著，稳定阶段不显著，分析认为湿地对磷素的去除主要靠填料，填料对磷素的吸附平衡在吸附量达到一定值发生变化。

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Research on Efficiencies of Subsurface Flow Constructed Wetlands for Purifying Micro-polluted Water

HU Shuang1, HUANG Qing-qing2

(1.Banan Environmental Monitoring Station, Chongqing 401320, China;2.Academy of Metrology and Quality Inspection, Chongqing 401123, China)

Four types of subsurface flow wetlands were constructed to purify micro-polluted water. The conclusion is that the effluent pollutants meet the requirements of Class Ⅲ standard inEnvironmentalQualityStandardsforSurfaceWater; the average pollutants removal rate ofArundodonaxL. wetlands is relatively high; the difference in pollutant removal between the startup stage and stable stage of usingArundodonaxL. wetlands is significant, and the difference in pollutant removal rates betweenCannaindicaL. wetlands and blank wetlands is insignificant; Phosphorus removal rate is greatly influenced by filler types, and different fillers will not affect the startup time. In the startup stage and stable stage, COD, TN, TP influent load and effluent concentration are positively correlated. However, the multiple correlation coefficient of COD in startup stage is less than that in stable stage, whereas TP is on the contrary. The difference in multiple correlation coefficients of TN between the two stages is insignificant.

constructed wetlands; micro-polluted water; startup stage; stable stage

2015-01-06

胡爽(1983—)，女，重庆人，硕士，主要从事环境监测工作，E-mail: 184547809@qq.com

10.14068/j.ceia.2015.02.025

X522

A

2095-6444(2015)02-0092-04