垂直流人工湿地对尾水的净化效果及最佳水力负荷*

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2011ZX07303-001)、水利部科技推广项目(TG1520)和江苏省科技厅项目(BK20130430)联合资助.2015-02-27收稿；2015-04-30

收修改稿.梁康(1988～),男，硕士研究生；E-mail：sanmaokl@163.com。

梁　康1，3，常军军2，王飞华1，刘双元1,3，梁　威1



垂直流人工湿地对尾水的净化效果及最佳水力负荷*

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(2011ZX07303-001)、水利部科技推广项目(TG1520)和江苏省科技厅项目(BK20130430)联合资助.2015-02-27收稿；2015-04-30

收修改稿.梁康(1988～),男，硕士研究生；E-mail：sanmaokl@163.com。

梁康1，3，常军军2，王飞华1，刘双元1,3，梁威1

(1：中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072)

(2：云南大学工程技术研究院，昆明 650091)

(3：中国科学院大学，北京 100049)

摘要：以污水厂尾水为处理对象，研究垂直流人工湿地在4种水力负荷(125、250、375和500mm/d)条件下的周年净化效果，结果表明：秋季时系统的总氮去除率最高，冬季则显著降低；温度为10℃、溶解氧浓度为1.1mg/L是反硝化强度显著降低的关键拐点；总磷在冬季较其他季节净化效果高；125 mm/d水力负荷下CODCr去除率显著高于其他水力负荷，冬季CODCr去除率显著降低，而其他水力负荷及季节下的去除效果没有显著差异；当湿地以高去除率为目标时，最佳水力负荷为125mm/d；当湿地以地表水水环境质量Ⅴ类标准为目标时，最佳水力负荷为375mm/d；当湿地以污染物去除量为目标时，最佳水力负荷为500mm/d.综合推荐375mm/d为最佳水力负荷。

关键词：垂直流人工湿地；尾水；水力负荷；季节变化；净化效果

近年来，污水处理厂尾水已经成为补充地表水的重要途径.虽然污水处理厂二级生物处理可削减大部分污染物，但排放的尾水中仍含有大量的氮、磷等污染物，其对受纳水体水环境及生态系统安全仍构成较大威胁.因此，亟需开展污水厂尾水的深度处理。

人工湿地因其建造及运行费用低、氮磷去除效率高、耐冲击负荷强等特点而成为尾水深度处理的主要工艺之一[1-6].水力负荷(hydraulic loading rate,HLR)是湿地设计中的一个重要参数，也是影响湿地污染物处理效果的主要因素之一[7].Mitsch等[8]和Kadlec等[9]研究认为停留时间、水深、水力负荷等因素对湿地系统的处理效果极为重要.一般而言，水力负荷越低、水力停留时间越长，湿地的处理效率往往越高.然而，较低的水力负荷意味着需以较大的湿地面积或是较低的处理量为代价.因此，在进行人工湿地的设计和运行时，需确定最佳水力负荷，在保证出水水质的同时，实现污水处理量最大化.以往的研究多集中在以处理效果来评价湿地的最佳水力条件，且系统运行时间有限，并未考察不同季节下的最佳负荷，对湿地实际运行的指导作用有限.为此，本文拟通过评价湿地处理尾水的周年运行效果，平衡计算进出水污染物总量，探索不同水力负荷下垂直流人工湿地对污水处理厂一级A排放标准尾水处理的最佳水力负荷，以期为尾水人工湿地深度处理工程实践提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验装置

垂直下行流人工湿地小试系统位于中国科学院水生生物研究所东湖官桥实验基地(30°30.39′N，114°28′E)，由4组相同规模(长×宽×高=1.25m×1m×1m)的下行流人工湿地组成.填料高度75cm，分为上、下2层，下层为40cm粒径为10～20mm的砾石，上层为35cm粒径为5～10mm的米石.选择芦苇(Phragmitesaustralis)作为湿地植物，种植密度为10株/m2.实验系统建于2013年11月，调试运行3个月至系统稳定，于2014年2月底开展研究。

1.2 实验进水水质

表1 进水水质

Tab.1 Influent water qualities

参数均值标准差pH值 7.470.26溶解氧(DO)/(mg/L)5.752.21电导率/(μS/cm)460.5122.56TN/(mg/L)12.181.30NH+4/(mg/L)6.521.21NO-3/(mg/L)5.461.39TP/(mg/L)0.710.11CODCr/(mg/L)54.504.97

1.3 水质分析

1.4 数据分析

采用SPSS 18.0软件进行数据的方差及相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 湿地对尾水的净化效果

图1 CODCr净化效果的月变化Fig.1 Monthly changes of CODCr removal efficiency

图2 TN净化效果的月变化Fig.2 Monthly changes of TN removal efficiency

2.1.2 氮的去除由图2可知，湿地系统显著降低了尾水中TN的浓度.随着水力负荷的增大，TN去除率下降，4种水力负荷下对TN的年均去除率分别为71.39%±17.71%、56.07%±15.18%、53.98%±10.22%和49.63%±9.60%.从效果的月变化来看，125和250mm/d水力负荷下TN的去除效果表现出相似的规律：从2月开始逐渐上升，在10月达到最佳，去除率分别达到91.24%±3.46%和73.59%±3.14%；而后于2015年1月和2014年12月分别降至最低值35.83%±3.09%和32.62%±8.61%.相关性分析发现，TN去除率与温度、水力负荷分别呈显著正、负相关(P<0.01).由于湿地对氮的去除主要由微生物驱动，冬季微生物活性随着温度的降低而显著下降，故而TN的去除率显著降低。

不同季节下垂直流人工湿地的出水温度、溶解氧、氧化还原电位及对污染物的净化效果差异如表2所示。

图净化效果的月变化Fig.3 Monthly changes of removal efficiency

图净化效果的月变化Fig.4 Monthly changes of removal efficiency

2.2 水力负荷优化

本文尝试从出水水质目标、污染物去除率和污染物去除量等方面分析湿地系统对尾水处理的最佳水力负荷条件。

2.2.1 出水水质目标由图1、2、7可知，4种条件下湿地均显著削减了尾水的N、P负荷，其中125、250mm/d条件下出水TP浓度均达到地表水Ⅴ类标准，375mm/d条件下除9月外也均达到地表水Ⅴ类标准.CODCr出水在4种负荷下均达到地表水Ⅴ类标准.因此，若出水水质目标为地表水Ⅴ类，375mm/d水力负荷在保证出水TP及CODCr达标的同时，能将处理水量最大化.为了使出水TN浓度达到排放标准，需合理改善系统的DO状况，提高其硝化效能，并辅之以适当的前/后处理措施。

表2不同季节垂直流人工湿地出的出水温度、溶解氧浓度、氧化还原电位及对污染物的去除效率

Tab2Outflow water temperature,DO,oxidation reduction potential and pollutant removal efficiencies of the vertical-flow constructed wetlands in different seasons

图去除率与出水温度的相关性分析Fig.5 Correlation between removal efficiency and outflow water temperature

图去除率与出水DO浓度的相关性分析Fig.6 Correlation between removal efficiency and outflow dissolved oxygen concentration

图7 TP净化效果的月变化Fig.7 Monthly changes of TP removal efficiency

2.2.2 污染物去除率由图1、4、5及表2可知，125mm/d水力负荷下在全年的污染物去除率均最高，随着水力负荷的提高，污染物在系统内的停留时间缩短，出水浓度升高导致去除效率下降，这与Trang等的结论相似[21].因此，如以污染物去除率为标准，125mm/d为最佳水力负荷。

2.2.3 污染物去除量利用最小二乘法对不同水力负荷的去除率做回归处理[22]，得到去除率(η)与水力负荷(H)的关系(表3).H和η的乘积建立优化函数：

Q=H·η·C进　(6)

表4 不同水力负荷下湿地单位面积单日去污量

因此，当以污染物去除量为目标时，本实验条件下的最佳水力负荷为500mm/d.此时，人工湿地对尾水的除污容量得到了最大发挥.诸多研究表明，人工湿地对污染物的去除量在一定范围内随其负荷的增大而增加[23-25].尽管如此，人工湿地系统对污染物存在去除容量，当污染负荷超过最大容量时，去除量将显著降低[24].因此在以去除量为目标运行人工湿地时，仍需要避免采用超过最大容量的水力负荷值。

4种水力负荷下TN、TP的去除率均有显著差异(P<0.05)，250、375、500 mm/d水力负荷下CODCr去除率无显著差异(P>0.05)，其中125 mm/d下的去除率显著高于其他水力负荷下的去除率，而250与375 mm/d下TN、TP去除率差异不显著(P>0.05)，125与375 mm/d水力负荷下CODCr去除率较250及500 mm/d下的高. 综上所述，综合考虑处理水质要求、去除率和污染物去除量，建议的最佳水力负荷为375 mm/d。

3 结论

通过对2014-2015年垂直流人工湿地在不同水力负荷下对尾水深度处理效果进行评价，以期为人工湿地深度处理尾水的工程实践提供科学依据.(1) 垂直流人工湿地能显著削减尾水中的氮、磷等污染负荷，其中TN在秋季去除效果最佳，去除率分别为86.62%±6.87%、64.73%±12.68%、59.13%±9.13%和49.88%±11.61%，冬季效果最差，去除率分别为45.78%±14.43%、35.98%±7.18%、42.51%±9.50%和44.29%±9.16%；TP在冬季去除效果最佳，去除率分别为83.81%±6.64%、74.55%±8.82%、65.95%±13.45%和64.27%±13.57%.(2) TN、TP去除效果均随水力负荷的上升而降低.除125 mm/d下CODCr去除率显著高于其他水力负荷外，其余水力负荷下CODCr去除率差异不明显. (3) 以湿地处理后的主要污染物满足地表水Ⅴ类标准，同时兼顾污染物去除量的情况下，375mm/d是最佳水力负荷。

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J.LakeSci.(湖泊科学)， 2016， 28(1)： 114-123

©2016 byJournalofLakeSciences

Purification ability of tail water and optimal hydraulic loading rates in vertical flow constructed wetland

LIANG Kang1，3， CHANG Junjun2， WANG Feihua1， LIU Shuangyuan1,3& LIANG Wei1**

(1：StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology，InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China)

(2：ResearchInstituteofEngineeringandTechnology，YunnanUniversity，Kunming650091，P.R.China)

(3：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

Abstract：Four vertical flow constructed wetlands were employed to evaluate the purification effects within tail water in different seasons under four hydraulic loading rates (125， 250， 375 and 500 mm/d). The results showed that the highest removal efficiency of total nitrogen was achieved in autumn while decreased significantly in winter. The key points of temperature and dissolved oxygen for denitrification were 10℃ and 1.1 mg/L， respectively. The wetland system was more effective for phosphorus removal in winter than in other seasons. Removal efficiency of CODCrunder 125 mm/d was significantly higher than that of other hydraulic loading rates, the lowest treatment performance of CODCrwas achieved in winter，and with no significant variation in other hydraulic loading rates and other seasons. To obtain a full pollutant-removal efficiency of the wetland system， the optimal hydraulic loading rate is at 125 mm/d. To reach the V class of surface water environment quality standard， the optimal hydraulic loading rate is at 375 mm/d. To receive the amount of pollutant removal， the optimal hydraulic loading rate is 500 mm/d. Based on full consideration， the optimal hydraulic loading rate should be at 375 mm/d。

Keywords：Vertical flow constructed wetland； tail water； hydraulic loading rates； seasonal variation； treatment performance

通信作者*；E-mail：wliang@ihb.ac.cn。

DOI10.18307/2016.0113