分级进水对阶梯垂直流人工湿地污水处理效果的影响

沈林亚，吴 娟，钟 非，向东方，成水平

(同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海200092)

分级进水对阶梯垂直流人工湿地污水处理效果的影响

沈林亚，吴 娟，钟 非，向东方，成水平

(同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海200092)

本文研究了分级进水对阶梯垂直流人工湿地处理生活污水效果的影响. 在保持总水力负荷为100 mm/d的情况下，分别将总进水量的0%、10%、20%和30%用于湿地第2级阶梯的进水，分析了系统对化学需氧量(COD)和氮、磷的总去除率和沿程变化. 结果表明，不同分级进水比例条件下人工湿地对COD和总磷(TP)的去除率差异不明显，COD和TP的最高去除率分别为87.80%和81.17%，COD的去除主要集中在第1级，其贡献率平均为82.18%，TP的去除主要集中在第3级，贡献率平均为54.37%. 分级进水对总氮(TN)去除率影响显著(P<0.05)，当2级进水比例为20%时，TN去除率最高，为61.70%±4.48%，且3个梯级对TN的去除贡献率分别为36.52%、42.11%和21.37%. 相同组合形式的垂直流人工湿地处理生活污水的工程应用中，可根据需求设置20%左右的2级进水比例，以提高人工湿地对污染物的去除效果.

阶梯垂直流人工湿地；分级进水；脱氮除磷

人工湿地能有效净化污染水体，被广泛应用于点源和面源污染的治理. 垂直流人工湿地系统氧转移能力较强[1-2]，硝化作用明显[3]，但反硝化作用往往受到限制，而且碳源不足也是制约反硝化过程的重要因素之一，因此碳源补充是提高湿地系统反硝化能力、增强脱氮效率的有效途径之一. Zhang等[4]使用植物发酵液作为人工湿地的反硝化碳源，发现随着植物发酵液投加量的增加，系统中硝酸盐的去除率显著增加. Sikora等[5]以低分子碳水化合物乙酸为外加碳源，系统中硝酸盐的去除效率最高可达70%，可见低分子碳水化合物可有效促进人工湿地的反硝化进程. 同时，因为单一湿地类型不能同时提供充分的好氧和厌氧条件，限制了污染物的去除效率[6-7]，人工湿地应用已不再局限于单一的水流方式，研究者们开始将不同类型的人工湿地进行组合[8]. 本研究提出了一种阶梯垂直流人工湿地工艺，采用下行流-上行流-下行流的组合形式，强化了污染物的去除效果[9].

为了提高阶梯垂直流人工湿地的氮去除效率，本研究将分级进水应用于阶梯垂直流人工湿地，一方面可以适应不同地形地势，用以维持水体在系统内部的重力流形式；另一方面通过分级进水为系统内反硝化过程提供碳源，加强脱氮效果. 本文通过分析比较不同进水配比下污染物的去除效果，从而得出最优的进水方式，为阶梯组合式垂直流人工湿地的设计和运行提供合理参数.

1 材料与方法

1.1 阶梯垂直流人工湿地小试系统

共构建4套阶梯垂直流人工湿地小试系统. 每套人工湿地系统由3级垂直流人工湿地单元组合而成(图1)，分别填充0.45 m高度的沸石、页岩和陶粒. 3种填料的基本物理化学性质见表1. 湿地的3级单元均种植西伯利亚鸢尾(Irissibirica)，种植密度为20株/m2.

图1 阶梯垂直流人工湿地小试系统Fig.1 Lab-scale multi-stage vertical flow constructed wetland

每级湿地顶部和底部均设有直径为20 mm的穿孔PVC管用于布水或集水. 第3级湿地出水口设置虹吸管，虹吸管出口位于25 cm处.

表1 填料物理化学性质

1.2 实验设计

4套系统总进水负荷均为100 mm/d，设置0%、10%、20%和30% 4个不同的2级进水份额的处理方式：0%的第1级进水份额为100%；10%的第1级进水份额为90%，第2级为10%； 20%的第1级进水份额为80%，第2级为20%；30%的第1级进水份额为70%，第2级为30%.

1.3 样品采集与测试

1.4 数据处理

污染物的去除率(%)计算公式为：

去除率=(1-Cout/Cin)×100%

(1)

污染物质量去除速率(g/(m2·d))计算公式为：

质量去除速率=(Cin·Vin-Cout·Vout)/(S·HRT)

(2)

式中，Cin和Cout分别为进、出水浓度(mg/L)；Vin和Vout分别为进、出水体积(m3)；S为人工湿地面积(m2)；HRT为水力停留时间(d).

去除贡献率(%)计算公式为：

系统第1级去除贡献率=(1级Cin-1级Cout)/(1级Cin-3级Cout) ×100%

(3)

系统第2级去除贡献率=(1级Cout-2级Cout)/(1级Cin-3级Cout) ×100%

(4)

系统第3级去除贡献率=(2级Cout-3级Cout)/(1级Cin-3级Cout) ×100%

(5)

使用IBM SPSS 20软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析法分析不同分级进水比例条件下处理效果的差异性，P<0.05表明具有显著性差异.

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果

图2 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地对COD的去除效果Fig.2 COD removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

4种分级进水条件下人工湿地对COD的去除效果差异不显著(图2)，其去除率为86.66%～87.80%，质量去除速率为12.36～12.53 g/(m2·d)，说明阶梯垂直流人工湿地能有效适应本实验中4种分级进水方式，普遍具有较好的COD去除效果. 湿地系统的有机物主要通过附着于基质上的生物膜和微生物的代谢去除[11]，垂直流人工湿地系统充氧能力较好，为微生物分解污染物提供了有利条件. Vymazal等[3]研究不同进水方式下复合垂直流人工湿地对COD的去除效果差异，发现COD的去除效率均能稳定达到80%，且当进水负荷增大时，COD的去除效果也没有显著变化.

4个分级进水条件下湿地系统进水和各级出水COD浓度如图3所示. 在进水浓度为142.3±24.5 mg/L时，4套系统3级出水COD浓度平均值为17.5 mg/L，处理组间差异不显著. 出水COD浓度远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准. 4套系统的第1级对COD去除的贡献率平均为82.18%，进水中大部分有机物在第1级得以去除，这是因为污水从位于填料上部的布水管均匀流入，与空气接触后进入第1级，系统的好氧状况为COD的去除提供了有利条件. 4套系统第2级对COD去除的平均贡献率仅为1.29%. 研究表明，厌氧或缺氧条件下，有机物可被厌氧自养细菌降解去除[12]，但其新陈代谢速率远小于异养微生物，对有机物的降解作用也较弱[13]. 系统第3级出水COD浓度较第2级有明显降低，对COD去除的贡献率平均为16.53%. 因此本实验中COD的去除过程主要发生在湿地系统的第1级. 李剑波[14]研究了组合人工湿地对COD的去除效果，并计算得到第1级垂直流人工湿地对COD去除的贡献率高达92.6%，垂直流人工湿地COD去除主要集中在第1级.

图3 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地中COD的沿程变化(1、2和3表示湿地的第1、2和3梯级，不同字母表示差异显著，下同)Fig.3 COD changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

图4 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地对总氮的去除效果 Fig.4 Total nitrogen removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

2.2 氮去除效果

4个进水条件下TN去除效果较为稳定， 去除率分别为45.03%±7.74%、48.74%±6.05%、61.70%±4.48%和46.98%±10.34%，对应的质量去除速率分别为1.67±0.38、1.81±0.39、2.28±0.35和1.75±0.53 g/(m2·d) (图4). 分级进水比例为20%时TN去除效果最好，去除率和质量去除速率明显高于其他3种进水方式(P<0.05)，这与湿地中氮的去除机制有关. Li等[15]的研究发现，采用分级进水方式后垂直流人工湿地对TN的去除率可达60.6%. 人工湿地中通过植物吸收和填料吸附去除的氮含量仅占总去除量的3%左右，微生物降解是氮素去除的最主要路径[14].

图5 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地中氮元素的沿程变化Fig.5 Nitrogen changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

图6 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地对总磷的去除效果Fig.6 Total phosphorus removal efficiencies of MS-VFCW under different step feeding ratios

图7 不同分级进水比例条件下阶梯垂直流人工湿地中磷元素的沿程变化 Fig.7 Phosphorus changes among stages of MS-VFCW under different step feeding ratios

2.3 磷去除效果

4个分级进水比例条件下，TP去除率为72.14%～81.17%，质量去除速率为0.32～0.36 g/(m2·d)(图6). 同COD相似，各处理间TP去除效果不存在显著性差异，说明进水方式对磷的去除影响不大. 实际上，人工湿地中主要通过填料吸附来实现磷的去除[19-20]. 本实验出水TP浓度基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级B标准.

污水经湿地第1和第2级处理后TP浓度并未显著降低，但经第3级后其浓度明显减少，4套系统第1、2级对TP去除的贡献率平均分别为30.66%和14.97%，第3级对TP去除的贡献率平均为54.37%，表明该湿地系统对磷的去除主要在第3级完成. 第3级填料陶粒中富含的氧化钙在基质与磷溶液的混合体系中，与水分子结合形成氢氧化钙，进而电离出钙离子，溶液中的磷酸根离子最终通过非晶体的磷酸钙沉淀去除[21-22]. 我们在填料对KH2PO4溶液等温吸附的前期实验中发现，陶粒对TP的吸附效果远优于页岩和沸石，陶粒对磷的最大吸附量可达714.29 mg/kg，与蒋丽等[23]的研究结果相当.

沸石、页岩、陶粒都是常见的人工湿地基质，张迎颖等[24]以静态吸附试验研究湿地填料净化磷的性能，发现单一种类填料对TP的去除效果不太理想，通常需要多级连用以达到较好的效果. 本研究利用沸石、页岩、陶粒填料，采用3级串联的配置方式，总体上达到了较高的磷去除效率.

3 小结

1)阶梯垂直流人工湿地对COD具有稳定的去除效果，未受到不同分级进水方式的影响，大部分的COD在系统第1级去除，各系统3级出水浓度均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准.

2)阶梯垂直流人工湿地对TP去除效果明显，各级均具有一定的TP去除能力，其中第3级TP去除贡献最为明显，陶粒有利于污水除磷. 系统TP出水浓度基本能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级B标准，可以通过适宜基质的配置进一步降低TP出水浓度.

3)分级进水比例对系统的氮去除效果影响显著. 当该比例为20%时，TN去除效率最高，达61.70%，质量去除速率为2.28 g/(m2·d). 该结果可以为阶梯垂直流人工湿地的设计和运行提供依据. 分级进水能有效提高氮的去除效率，后续可通过研究反硝化速率以及功能基因丰度等阐明分级进水对系统脱氮的影响及其机制.

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Effect of step feeding on the performance of multi-stage vertical flow constructed wetland for municipal wastewater treatment

SHEN Linya, WU Juan, ZHONG Fei, XIANG Dongfang & CHENG Shuiping**

(KeyLaboratoryofYangtzeRiverWaterEnvironment,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,P.R.China)

To investigate the effect of step feeding on the performance of multi-stage vertical flow constructed wetland (MS-VFCW) for municipal wastewater treatment, raw wastewater with four step feeding ratios (0%, 10%, 20% and 30%) were dosed to the second stage of the MS-VFCW plots at a total hydraulic load of 100 mm/d. The results showed no significant differences in removal of chemical oxygen demand (COD) and total phosphorus (TP) among the four step feeding ratios, and the highest removal rates of COD and TP reached up to 87.80% and 81.17%, respectively. Most COD was removed in the first stage, with an average contribution of 82.18%. While the most TP was removed in the third stage, with an average contribution of 54.37%. In contrast, the differences in total nitrogen (TN) removal rates among the four step feeding ratios were significant, with the highest TN removal rates (61.70%±4.48%) under the ratio of 20%, in which the average removal contribution of each stage was 36.52%, 42.11% and 21.37%, respectively. The step feeding ratio was recommended as 20% in application of the hybrid VFCWs so as to achieve sound pollutant removal performance.

Multi-stage vertical flow constructed wetland; step feeding; removal of nitrogen and phosphorus

国家自然科学基金项目(51578395)和上海市创新行动计划项目(16DZ1204803)联合资助. 2017-04-18收稿; 2017-05-27收修改稿. 沈林亚(1993～)，女，硕士研究生；E-mail：lyshen2015@tongji.edu.cn.

; E-mail：shpcheng@tongji.edu.cn.

DOI 10.18307/2017.0506