复合型人工湿地系统设计及其处理技术开发

2020-01-03叶振坤陈晓林赵培爵郭银杰王天伟

山西建筑 2020年1期

叶振坤陈晓林赵培爵郭银杰王天伟

(武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山 354300)

人工湿地处理技术是一个新兴的污水处理工艺，和生物处理技术相比，其操作简单，处理效果好，基建投入成本低，运行能耗低，具有明显的经济效益，起净化作用的高等植物还可作为景观美化植物[1]。由于经过人为地加以监督和控制条件，使得物理、生物和化学多重作用的综合效应比天然的湿地变得更加显著，更相对有效地兼顾了经济效益和环境效益处理。但在实际应用中，单一类型的人工湿地由于水质、水量以及设计等问题，对污水的去除效果可能有所降低，而通过串联不同类型的人工湿地，结合各个类型的优点，能达到更好的处理效果。

本研究旨在通过分析由垂直流、表面流、水平流这三种串联而成的复合型人工湿地系统对污水的COD、氨氮、TP的处理数据，来研究复合型人工湿地的净化规律和处理能力。在原理方面，本研究通过松软肥沃的土壤和细小的砂砾按照一定的比例混合形成人工湿地的垫层，并在该垫层中种植一些成活率高、处理效果良好、抗水抗冻能力强、具有一定经济价值且美观的水生植物。污水流经垫层表面会产生一层生物膜，进而形成一个独特的动、植物、微生物的生态系统。污水以水平、垂直、表面迂回流动的方式通过填料缝隙、表面，进而与垫层和植物相接触，在通过过程中，水生动、植物以及微生物和基质等对污水进行多级处理和净化。

1 材料与方法

1.1 湿地装置

水平流装置主体是一个PVC塑料箱，左侧连接三根开有多个小孔、且位置紧贴左侧箱体垂直于箱底的进水管(进水管开孔位置在水管右端，出水管开孔位置在水管左端)，然后在箱体内部填充垫层并种植一定间隔的湿地植物；右侧连接三根与进水管平行开孔位置相对称的出水管，然后在箱子右侧底部开孔，后用穿壁管件与三根出水管连接，可将污水引至下一个处理装置。具体装置图如图1所示。

垂直流装置主体是一个PVC塑料箱，上侧连接三根开有多个小孔、且位置平行于箱底的进水管。进水管开孔位置为水管的下切面处，然后在箱体内部填充与进水管下切面等高的垫层，并种植一定间隔的湿地植物；下侧连接有三根与左侧进水管平行、且开孔位置相对称的出水管，可将污水引至下一个处理装置。具体装置如图2所示。

表面流装置主体是由一个PVC塑料箱构成，中间用一块硬PVC板将箱子分隔开，右侧后面的上端处连接三根垂直于箱底的进水管，水管口与垫层接触，然后从右至左填充垫层并种植一定间隔的湿地植物(填料高度为出水口的下侧面的1 cm)；左侧后面上端用穿壁管件连接，可将污水引至下一个处理装置。具体装置如图3所示。

以上三类人工湿地主体均是一个尺寸为：长42 cm、宽28.5 cm、高24.5 cm的PVC塑料箱。复合型人工湿地为三种单一人工湿地分别按照以下顺序串联：垂直流、表面流、水平流三个人工串联，即1号湿地；水平流、垂直流、表面流三个人工湿地串联，即2号湿地；水平流、表面流、垂直流人工湿地串联，即3号湿地，在三种复合型人工湿地前设置一进水玻璃容器用于盛放未处理的生活污水，用3台泵进行污水动力输送，将未处理的生活污水均匀输送到不同的复合型人工湿地系统中进行处理。

本次选用均对污水有良好的处理效果的湿地植物，如再力花、花菖蒲、水芹、西伯利亚鸢尾等。在湿地装置中种植等量且生理状况类似的植物，再以黏土等肥沃的土壤以及一小部分细小砂砾充当基质进行填充。

1.2 试验方法

试验用水为武夷学院东南门的排水渠中未经处理的生活污水。系统24 h不间断对污水进行净化处理，处理的能力为80 L/d。每天对原水和出水水质中的COD、氨氮，TP参数进行监测。

1.3 监测方法

污染物的监测参数为COD、氨氮、TP。

污染物浓度的测定方法：

COD的测定：GB 11914—89重铬酸钾法测定化学耗氧量;

氨氮的测定：GB/T 7479—87纳氏试剂比色法;

TP的测定：GB 11893—89钼锑抗分光光度法。

2 结果与分析

经监测进水COD为240 mg/L～440 mg/L,NH3-N为0.128 mg/L～0.308 mg/L,TP为1.22 mg/L～2.67 mg/L。经三种类型的复合型人工湿地处理后COD值为40 mg/L～240 mg/L,NH3-N为0.0003 mg/L～0.025 9 mg/L,TP为0.025 mg/L～0.26 mg/L。

2.1 1号,2号,3号湿地处理系统对污水中COD的去除效率

由图4～图6可知，1号、2号、3号湿地处理系统的出水口在3月份COD的去除可达80%以上(进水平均浓度为351 mg/L。出水平均浓度分别为63 mg/L,59 mg/L,59 mg/L)。四月份的去除率则只在50%以上(进水平均浓度为367 mg/L。出水平均浓度分别为155 mg/L,153 mg/L,153 mg/L)，且2号湿地系统的去除效果比1号和3号湿地系统的去除效果更好。随着净化的不断进行，去除效果呈现递减态势，即出水口COD含量逐渐增大，可能是由于处理系统中的去除饱和度已快趋于平衡，也可能是由于后期水生植物的生长速度更加迅速。水的温度伴随着季节的升温而升温，导致溶解氧变为最低,可能是湿地池中茂盛的水生植物和浮水植物大大地限制了大气中的氧气向水中扩散的效率，并且到了夜晚，水生植物为了给自身提供能量所进行的呼吸作用可能也会将白天水生植物光合作用所产生的氧气完全抵消。导致了湿地池的水体处于缺氧或者厌氧状态,在此状态下，湿地池中的好氧微生物的生化降解能力大大减小，随之导致水质的净化效率降低[2]。

2.2 1号,2号,3号湿地处理系统对污水中氨氮的去除效率

进水平均浓度0.021 8 mg/L。出水氨氮平均浓度是0.002 6 mg/L,0.002 9 mg/L,0.002 0 mg/L。进水平均浓度是0.022 5 mg/L,0.024 6 mg/L,0.018 4 mg/L。

由图7～图9三个人工湿地系统去除效率呈现出的变化曲线，可以清楚地看出3号人工湿地系统对于氨氮的去除效果比1号出口和2号出口要稳定，所以从人工湿地系统设计来看，把垂直流方式作为人工湿地的第一阶段时，去除效果更好。曲线中的2号出水口中的氨氮去除效率波动较大，即2号人工湿地系统对氨氮的去除效果较差。

根据氨氮浓度变化曲线可以算出，生活污水经过1号人工湿地系统处理后氨氮去除率88.43%；2号湿地的氨氮去除率88.21%；3号湿地处氨氮去除率89.12%；三者比较可以看出3号人工湿地对氨氮去除效果显著。

2.3 1号,2号,3号湿地处理系统对污水中TP的去除效率

如图10～图12所示，将三个湿地出水口系统前后处理的六个星期时段分为两个周期进行对比。实验的第一个周期1号湿地TP的平均去除率为96.13%；2号湿地TP平均去除率为96.79%；3号湿地TP的平均去除率为96.80%。实验的第二个周期1号湿地、2号湿地、3号湿地TP的平均去除率分别为92.66%，92.61%，93.61%。