复合垂直流-水平流组合人工湿地对污水的净化效果

闫晖敏，漆志飞，程花，林超，张艳晴

（江苏江达生态科技有限公司，江苏无锡214061）

复合垂直流-水平流组合人工湿地对污水的净化效果

闫晖敏，漆志飞，程花，林超，张艳晴

（江苏江达生态科技有限公司，江苏无锡214061）

采用下行流和上行流复合垂直流及水平流组合人工湿地系统对污水进行处理，研究该系统在不同季节、不同水力负荷条件下对污水的净化效果。组合人工湿地系统对TP的去除率在秋季水力负荷为0.3 m3/（m2·d）时最大；TN的去除率在夏季水力负荷为0.1 m3/（m2·d）时最大；NH3-N去除率基本遵循秋季>夏季>春季>冬季的规律，同时随着水力负荷的增加而降低；高锰酸盐指数在水力负荷为0.3 m3/（m2·d）时去除效果最好，在冬季的处理效果最弱。

组合人工湿地系统；水力负荷；季节；去除效果

人工湿地是一个自适应系统，它是近20 a发展起来的一种污水处理技术，具有出水水质稳定、氮磷去除能力强、运行维护管理方便、工程基建与运行费用低，以及对负荷变化适应性强等优点，非常适合在我国中小城市推广［1－3］。

根据人工湿地系统中污水在湿地床中流动方式的不同，人工湿地通常分为表面流湿地和潜流湿地，潜流湿地又可以分为水平潜流和垂直潜流2种。一般地，人工湿地可以按布水方式不同，分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地［4－6］。

本试验选用2种湿地类型，分别为复合垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地，研究该系统在不同季节不同水力负荷条件下对污水的净化效果。其中复合垂直流人工湿地是一种新型的具有独特下行流－上行流复合水流方式的湿地系统。

1 材料与方法

1.1 试验装置

根据试验需要，在实验室搭建了组合人工湿地装置。组合人工湿地系统工艺流程如图1所示。

污水首先经废水箱搅拌混匀后，由蠕动泵泵入复合垂直流人工湿地装置，该复合垂直流人工湿地分别由下行流和上行流组成，里面填充粒径为5 cm左右的砾石，其中上行流湿地填充高度高于下行流湿地，分别为50 cm与46 cm。复合垂直流湿地出水通过上端的出水阀后流入第二级水平流湿地，该湿地采用左边进水，右边出水的推流式，填充基质为陶粒与砾石的混合物，基质填充高度为25 cm。湿地植物选用菖蒲，栽种密度为20株／m2。

图1 组合人工湿地系统工艺流程Fig.1Process flow of composite artificial wetland system

1.2 试验用水

试验用水为某河道水，水质为劣Ⅴ类，其中TP的质量浓度为0.30～0.34 mg／L，TN的质量浓度为3.35~3.89 mg／L，NH3－N的质量浓度为0.24~ 0.31 mg／L，高锰酸盐指数为7.30~8.54 mg／L。

1.3 试验方法

考察不同季节（冬季、春季、夏季、秋季）及不同水力负荷（0.1、0.3和0.5 m3／（m2·d））条件下组合人工湿地系统对污染物的去除效果。

装置构建完毕后，进行试运行，定期监测出水中高锰酸盐指数、TN、TP和NH3－N浓度。装置运行稳定后，考察不同工艺参数对运行效果的影响，其中2个采样点分别为复合垂直流人工湿地出水、水平流人工湿地出水。

2 结果与讨论

2.1 组合人工湿地系统对TP的去除效果

TP去除主要是通过填料床的物理化学作用、微生物的同化作用以及植物的摄取作用［2，7－9］。不同季节、不同水力负荷下，组合人工湿地系统对TP的去除效果如图2所示。

由图2可以看出，组合人工湿地系统在秋季水力负荷为0.3 m3／（m2·d）时对TP的去除效果最好，这可能是因为秋季系统中微生物的数量达到最大，同化作用较强，导致TP的去除效果较好；而水力负荷过低造成系统内氧气含量降低，微生物过量吸收的磷又重新释放，致使TP去除效果偏低；而水力负荷过大时，水流速度也较大，会导致原先被吸附的磷冲出系统，从而也会导致去除率下降。各级人工湿地对TP的去除效果如表1所示。

图2 不同季节不同水力负荷下对TP的去除率Fig.2Removal rates of TP under different hydraulic loading conditions at different seasons

表1 各级人工湿地对TP的去除效果Tab.1Removal rates of TP by artificial wetlands

由表1可以看出，复合垂直流湿地对TP的去除起主导作用。这主要是由复合垂直流湿地中的植物、填料以及附着在填料表面的微生物共同作用的结果。复合垂直流湿地对TP的去除率表现为秋季水力负荷0.3 m3／（m2·d）下去除效果较好，从水平流的去除作用来看，其对TP去除效果要低于复合垂直流系统，这是因为水平流系统中以厌氧环境为主，厌氧条件不利于植物和填料对磷的吸收。

2.2 组合人工湿地系统对TN的去除效果

TN包括硝态氮、氨态氮及有机氮3种形式［2］，不同季节、不同水力负荷下，组合人工湿地系统对TN的去除效果如图3所示。

图3 不同季节不同水力负荷下对TN的去除率Fig.3Removal rates of TN under different hydraulic loading conditions at different seasons

由图3可以看出，组合人工湿地系统在夏季水力负荷为0.1 m3／（m2·d）时TN的去除率最大，这是因为较大的水力负荷使污水在系统中的停留时间缩短，硝化菌等细菌的世代时间减少，且较大的水力负荷会使得部分硝化菌易随着水流被带出，抑制了硝化、反硝化作用，导致TN去除率下降；另外，过低的温度会降低硝化菌等细菌的活性，导致硝化、反硝化能力减弱，TN的去除效果受到抑制［10－12］。各级人工湿地对TN的去除效果如表2所示。

表2 各级人工湿地对TN的去除效果Tab.2Removal rates of TN by artificial wetlands

由表2可以看出，水平流系统在TN的去除上要明显好于复合垂直流系统，因为水平流系统内部处于一定的厌氧环境，同时水力负荷较低，系统的反硝化作用达到一个比较理想的状态。

2.3 组合人工湿地系统对NH3－N的去除效果

随着季节和水力负荷的波动，组合人工湿地系统出水中NH3－N去除率也会随之出现一定的波动。不同季节、不同水力负荷下，组合人工湿地系统对NH3－N的去除效果如图4所示。

图4 不同季节不同水力负荷下对NH3-N的去除率Fig.4Removal rates of NH3-N under different hydraulic loading conditions at different seasons

由图4可以看出，NH3－N去除率基本遵循秋季＞夏季＞春季＞冬季的规律，由于在温度降低时组合人工湿地系统的流态导致其输氧能力增强以及秋季的温度使得硝化细菌活性增强［13－16］，而冬季微生物活性较低、植物衰亡，NH3－N去除能力最弱，春季、夏季植物处于生长阶段，对NH3－N吸收作用越来越好。各级人工湿地对NH3－N的去除效果如表3所示。

表3 各级人工湿地对NH3-N的去除效果Tab.3Removal rates of NH3-N by artificial wetlands

由表3可以看出，复合垂直流系统对NH3－N的去除效果要低于水平流系统，其原因可能是复合垂直流的水流分别是下行流和上行流，复氧效果较好，导致系统内反硝化反应效果较差，所以系统内NH3－N的去除率较低；而水平流系统厌氧效果较好，所以NH3－N的去除率较高。

2.4 组合人工湿地系统对高锰酸盐指数的去除效果

高锰酸盐指数是反映污染河道有机物污染综合指数的较为常见的指标。不同季节、不同水力负荷下，组合人工湿地系统对高锰酸盐指数的去除效果如图5所示。

图5 不同季节不同水力负荷下对高锰酸盐指数的去除率Fig.5Removal rates of permanganate index under different hydraulic loading conditions at different seasons

由图5可以看出，出水高锰酸盐指数在水力负荷为0.3 m3／（m2·d）时去除效果最好，因为水力负荷越大，污水在组合人工湿地系统中的停留时间就越短，使得部分吸附在生物膜表面的有机物还未来得及被降解就随出水被带出，而水力负荷过小，会导致有机物沉积，造成湿地堵塞［2，17－20］。高锰酸盐指数去除率在冬季时最低，因为冬季微生物代谢缓慢，有机物分解速率降低，使得湿地运行效率降低。各级人工湿地对高锰酸盐指数的去除效果如表4所示。

表4 各级人工湿地对高锰酸盐指数的去除效果Tab.4Removal rates of permanganate indexes by artificial wetlands

由表4可以看出，组合人工湿地系统中复合垂直流湿地在去除有机物的过程中起主要的作用，水平流湿地对有机物的去除起辅助作用。冬季复合垂直流湿地、水平流湿地对高锰酸盐指数的去除率较低，春季、夏季、秋季无明显区别。

3 结论

（1）就组合人工湿地系统对TP的去除率而言，冬季、春季、夏季、秋季不同水力负荷条件下去除率分别为18.2%～42.9%、43.6%～65.5%、50.0%～82.4%、75.0%～87.3%。组合人工湿地系统秋季在水力负荷为0.3 m3／（m2·d）时对TP的去除效果最好，分级考察组合人工湿地系统对TP的去除效果可知，起主导作用的是复合垂直流湿地。

（2）在夏季水力负荷为0.1 m3／（m2·d）时组合人工湿地系统对TN的去除率最大，可达53.8%；冬季时组合人工湿地系统对TN的去除率最低。分级考察TN的去除效果可知，水平流湿地在TN的去除上要明显好于复合垂直流湿地，因为水平流湿地内部处于一定的厌氧环境，同时水力负荷较低，湿地的反硝化作用达到一个比较理想的状态。

（3）组合人工湿地系统出水中NH3－N去除率的季节变化基本遵循秋季＞夏季＞春季＞冬季的规律；水力负荷变化基本遵循随着水力负荷的增加而降低。通过逐级测定NH3－N的去除率可知，复合垂直流对NH3－N的去除效果要低于水平流对NH3－N的去除效果。

（4）组合人工湿地系统中出水高锰酸盐指数在水力负荷为0.3 m3／（m2·d）时去除效果最好，在冬季的处理效果最低。组合人工湿地系统中复合垂直流湿地在去除有机物的过程中起主要作用，水平流湿地对有机物的去除起辅助作用；随着水力负荷的降低，复合垂直流湿地对有机物的去除率有所增加，但不是特别明显。冬季复合垂直流湿地、水平流湿地对高锰酸盐指数的去除率较低，春季、夏季、秋季无明显区别。

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Study on efficiency of composite artificial wetland system of vertical flow-horizontal flow on sewage purification

YAN Hui-min，QI Zhi-fei，CHENG Hua，LIN Chao，ZHANG Yan-qing
（The Ecological Science and Technology Limited Company of Jiangda,Wuxi 214061,China）

The composite artificial wetland system that was combined by downstream and upstream vertical flow and horizontal flow was adopted to treat sewage;and the efficiency of the system on sewage purification in different seasons and at different hydraulic loading conditions were studied.It could be seen that,the removal rate of TP by the composite artificial wetland reached the highest in autumn at hydraulic loading of 0.3 m3/(m2· d);and the highest removal rate of TN could be obtained in summer at hydraulic loading of 0.1 m3/(m2·d).The removal rate of NH3-N followed the rule of fall>summer>spring>winter,and decreased with the increasing of hydraulic loading.The maximum removal rate of permanganate index was obtained at hydraulic loading of 0.3 m3/ (m2·d),and the minimum removal rate happened in winter.

composite artificial wetland system;hydraulic loading;seasons;removal efficiency

X703.1

A

1009－2455（2016）06－0039－05

闫晖敏（1989-），女，江苏如皋人，助理工程师，硕士，研究方向为生态修复，（电子信箱）245972414@qq.com。

2016-07-04（修回稿）

国家“十二五”水专项（2012ZX07101-013-5）