稳定表流-潜流组合人工湿地系统处理生活污水的研究

符东，付馨烈，王成端，龚燕川，周绿山

1.四川文理学院化学化工学院 2.国家城市污水处理及资源化工程技术研究中心川东分中心 3.广安绿源循环科技有限公司

人工湿地(constructed wetland，CW)是20世纪70年代发展起来的一种建设成本低、运行维护费用少的废水处理技术[1]。人工湿地具有经济环保、易于管理和高效低耗等优点，在处理分散生活污水时有明显的优势[2]。人工湿地净化污水是通过一系列物理、化学和微生物协同反应来实现的，包括植物的吸收、沉积、过滤、生物降解、吸附和化学降解[3]。人工湿地中有机物主要通过微生物的好氧和厌氧呼吸作用转化为微生物细胞、二氧化碳和水得到去除；人工湿地中氮主要通过微生物和植物吸收得到去除[4]，微生物硝化反硝化作用是人工湿地中最重要的脱氮机理[5-7]；磷可以通过植物和基质的吸附作用被去除，但人工湿地不同植物和基质对磷的去除效果不同[8]。人工湿地根据水面位置可分为表流人工湿地和潜流人工湿地[9]。表流人工湿地是应用最早的人工湿地，经过几十年的发展，其被广泛应用于对污染河流、生活污水、工业废水等的净化[10-11]。表流人工湿地虽然管理运行简单，但存在着随气温降低，其对污染物的去除率降低和占地面积大等问题[12]。潜流人工湿地保温效果较好，在冬季有较高的净化效率，在全世界范围内被广泛应用[13]，但潜流人工湿地易发生堵塞[14]。针对上述传统人工湿地的缺点，许多研究者在湿地基质、植物和工艺方面进行了改良。如张瑞斌等[15]采用AO+铝污泥填料人工湿地组合工艺对农村生活污水进行处理，结果表明，组合工艺对污染物的去除率显著高于传统湿地；杨金刚等[16]采用三格厌氧池-垂直流人工湿地处理农村灰水达到较为满意的结果；胡杰军等[17]研究了生物沸石人工湿地强化硝化处理城镇污水处理厂二级出水的性能及温度对其硝化率的影响，发现该系统在低温下对氨氮有良好的净化效果。

除了对传统人工湿地的改良，组合人工湿地由于良好的去除效果也得到了发展。由不同类型的人工湿地串联或并联形成的组合系统，可有效地将不同湿地的优点相结合并规避其缺点，对污水的净化效果远高于单一湿地系统[18]。如刘婧等[19]研究了复合垂直流人工湿地去除模拟河水中的氮和磷，发现系统出水水质较好；夏艳阳等[20]研究了影响垂直流-水平流组合人工湿地的影响因素，发现植物、温度、溶解氧浓度等都会对系统净化效果产生一定的影响。稳定表流人工湿地(folded stable surface flow wetland，FSSFW)可以延长污水在湿地床体内的运行时间，减少后续潜流湿地的堵塞现象[21-22]；水平潜流人工湿地(subsurface flow constructed wetland，SFCW)可通过增加自然跌水曝气单元和提高植物种植密度强化净化效果[23]。笔者将FSSFW和SFCW有机组合，设计了稳定表流-潜流组合人工湿地系统，开展组合人工湿地系统处理生活污水的中试研究，确定正常设计水力负荷和最大水力负荷下工艺的最佳运行参数，以期为该组合人工湿地系统的推广提供支撑。由于该组合人工湿地系统可依地势建造，使污水仅依靠重力在各单元流动而不借助额外动力，实现生活污水的低成本处理，因此，其有望为我国经济落后和技术力量薄弱的偏远山区农村生活污水的处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 组合人工湿地系统设计与工艺流程

根据《给水排水设计手册》2版[24]和HJ 2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》[25]，设计并在四川川南某高校建设由集水池、厌氧池、FSSFW、跌水曝气单元和SFCW单元组成的组合人工湿地系统(图1)。各单元依据当地地势建造，原水引入集水池，然后依靠重力依次进入厌氧池、FSSFW和SFCW。FSSFW前加装流量计，通过控制流量来调节系统的水力负荷。FSSFW设置有稳定区以均匀布水，FSSFW与SFCW之间设置有坡度的跌水曝气单元以增加水中溶解氧浓度。选择砾石(直径10～40 mm)构建人工湿地系统基质床，其在FSSFW和SFCW内的设计厚度均为0.2 m；在砾石上方另铺设一层悬浮陶粒(直径10～20 mm)作为填料，其在FSSFW中的设计厚度为0.3 m，在SFCW中的设计厚度为0.7 m。各单元均由混凝土构成，并做防渗处理。

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

组合人工湿地系统组成：集水池1个，其尺寸为6.0 m×3.0 m×1.5 m；厌氧池1个，其尺寸为6 m×3 m×3 m；FSSFW 1个，其尺寸为19.0 m×9.5 m×1.5 m，坡度(i)为0.01，稳定区水深为1.2 m，折流挡板长为1.3 m，功能区水深为1.0 m；跌水曝气单元1个，其尺寸为1.2 m×8.0 m×0.8 m，斜面角度(α)为60°；SFCW 1个，其尺寸为12.0 m×8.0 m×1.2 m。组合人工湿地系统的设计污水处理量为30 m3/d。该组合人工湿地系统的FSSFW进水靠重力流推动，并利用折流挡板使污水在湿地内沿S形路线流动，增加了污水与植物、基质和微生物作用的时间；在FSSFW和SFCW之间增加了一个跌水曝气单元，使污水能够增加自然复氧效果，另外SFCW的高密度植物形成了一种生物支架人工湿地，保证了净化效果。

1.2 人工湿地植物

人工湿地植物应根据湿地所在地区的自然地理条件，结合净化目的与景观、经济等因素选取。组合人工湿地系统植物选取时主要考虑如下要求：植物根系发达，抗逆性强，生物量较大，生长周期适中，使利于湿地系统的稳定运行及提高污染物去除效率；具有一定经济效益和景观作用，考虑多样性和本土植物。根据该要求，组合人工湿地系统构建了以芦苇(Phragmitesaustralis)、芦竹(Arundodonax)、风车草(Cyperusalternifolius)和菖蒲(Acoruscalamus)为主的植物群落。FSSFW选取的植物包括大薸(Pistiastratiotes)、芦苇、花叶芦竹(Arundodonaxvar.versicolor)、梭鱼草(Pontederiacordata)、再力花(Thaliadealbata)、水葱(Scirpustabernaemontani)和睡莲(Nymphaeaalba)，种植密度为10株/m2；SFCW选取的植物包括风车草、美人蕉(Cannaindica)、千屈菜(LythrumsalicariaLinn)和菖蒲，种植密度为50株/m2。

1.3 进水水质

稳定表流-潜流组合人工湿地系统进水来自四川省川南某高校学生宿舍和一小型食堂生活污水。污水经管道收集后依靠重力流向组合人工湿地系统。不同季节和每天不同时间的进水水质与学生生活规律及食堂用水情况有关，虽然呈波动性变化，但总体水质与西南地区小型集中区分散式生活污水接近，具体进水水质指标见表1。

表1 组合人工湿地系统进水水质

1.4 系统驯化与运行

组合人工湿地系统于2016年10月—2017年3月建成，2017年4月开始驯化。组合人工湿地系统在栽种植物后，先用自来水浇灌植物，当植物全部成活后，引入低浓度的生活污水，当FSSFW和SFCW的出水水质稳定时，可认为组合人工湿地系统驯化阶段结束。于2017年5月—2018年12月进行中试试验，其中，于2017年5月—2018年4月进行设计水力负荷即污水处理量为30 m3/d、水力负荷(HLR)为0.108 m3/(m2·d)的运行验证研究；于2018年7—12月进行最大水力负荷即处理量为50 m3/d、水力负荷为0.180 m3/(m2·d)的调试运行研究。

1.5 检测指标与分析方法

在组合人工湿地系统进、出水口每3 d采集1次水样，依据《水和废水监测方法》4版[26]中规定的监测方法对主要水质指标pH、COD及TN、NH3-N、TP、SS浓度进行检测(表2)。

表2 主要水质指标检测方法和仪器

2 结果与分析

2.1 驯化阶段污染物去除效果

驯化阶段组合人工湿地系统的生活污水进水量为5 m3/d，即水力负荷为0.018 m3/(m2·d)。组合人工湿地系统出水的COD及SS、NH3-N、TN和TP浓度均值分别为36.9和16.4、5.5、15.7、0.4 mg/L，去除率均值分别为82.1%和92.3%、93.6%、83.3%、91.3%。其中FSSFW对COD、SS、TN和TP去除率均值分别为58.9%、80.6%、59.8%和82.8%，均高于厌氧池和SFCW;FSSFW对NH3-N的去除率均值低于SFCW,但仍能达到65%左右。在厌氧池、FSSFW和SFCW三者中，FSSFW对SS、COD、NH3-N、TN和TP去除的贡献最大，厌氧池对SS、COD和TP去除的贡献大于SFCW，但对NH3-N和TN去除的贡献小于SFCW。驯化1个月后，组合人工湿地系统出水水质趋于稳定且较好，FSSFW和SFCW内所有植物长势均良好，没有出现枯死等现象，此时认为组合人工湿地系统的驯化阶段结束。

2.2 设计水力负荷下污染物去除效果

驯化阶段结束后，组合人工湿地系统开始按设计水力负荷运行。组合人工湿地系统运行期间对SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除效果如图2所示。由图2可知，水力负荷为0.108 m3/(m2·d)时，处理后出水COD和SS、NH3-N、TN、TP浓度的均值分别为56.08和19.08、8.25、18.08、0.78 mg/L，出水各项指标均能达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。组合人工湿地系统对COD、SS、NH3-N、TN和TP总去除率均值分别为81.2%、91.6%、87.7%、77.3%和86.3%，其中FSSFW对SS 和COD的去除率均值分别达71.08%和46.10%，高于厌氧池；SFCW对NH3-N、TN和TP的去除率均值高于厌氧池和FSSFW，分别为70.06%、59.40%和67.12%；厌氧池对各污染指标去除的贡献最小，其对SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率均值分别为21.20%、22.01%、17.09%、16.13%和23.14%。随系统运行时间的增加，虽然进入冬季(12月—翌年2月)温度降低，系统各单元特别是FSSFW和SFCW对各污染指标的去除率均有轻微的下降，但是系统仍能保证较好的出水水质。当处于温度较低的冬季时，FSSFW对SS、COD、NH3-N和TN的去除率分别下降了3个百分点、9个百分点、10个百分点和7个百分点，对TP去除的贡献没有显著变化；SFCW对各污染指标去除的贡献没有明显变化，且对NH3-N的去除率反而较夏季(6—8月)上升了10个百分点。进入冬季后，FSSFW对各污染指标的去除率多呈下降趋势，这有可能与FSSFW不利于保温有关[8]。而SFCW由于基质层较厚且植物种植密度大，在低温的冬季仍能发挥较好的净化作用。

图2 设计水力负荷下系统对不同污染物的去除效果Fig.2 Removal effects of different pollutants by the constructed wetland system under design hydraulic load

2.3 高水力负荷下污染物去除效果

水力负荷为0.180 m3/(m2·d)时，组合人工湿地系统对生活污水的处理效果如图3所示。由图3可知，在气温较高的7—8月，出水中各污染指标均能满足GB 18918—2002一级B标准，而在12月，出水水质不能达到上述排放标准。系统对SS、COD、NH3-N、TN和TP的总去除率均值分别为91.2%、73.1%、84.2%、69.0%和82.7%，较设计水力负荷下的去除率有所下降。系统各单元中，SFCW对SS的去除起主要作用，平均去除率在74%左右，这与设计水力负荷下运行的结果相反，其原因可能是水力负荷过高，水流加快，使水流在FSSFW内停留时间缩短，而SFCW内大量的基质和植物根系可以拦截SS，SFCW对COD、NH3-N和TN的去除也起主要作用；FSSFW和SFCW对TP去除的贡献无明显差别，而厌氧池对各污染指标去除的贡献最小。随水力负荷由设计水力负荷增至最大水力负荷，厌氧池对SS、COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别由21.2%、22.01%、17.09%、16.13%和23.14%增至26.57%、24.95%、25.81%、23.75%和37.48%。与此相反，FSSFW和SCFW对SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率出现了不同程度的减小。在气温较低的11—12月，系统出水的COD、NH3-N和TN均值分别为73.7、16.6和28.4 mg/L，不能满足GB 18918—2002一级B标准。因此在冬季，应严格控制组合人工湿地系统的水力负荷，以避免出水水质不达标。在高水力负荷试验期间，湿地植物长势良好，系统总体上对污染物的去除率较为稳定，表明该系统具有一定的抗冲击能力。

图3 高水力负荷下系统对不同污染物的去除效果Fig.3 Removal effects of different pollutants by the constructed wetland system under high hydraulic load

3 讨论

相对于传统表流湿地，FSSFW增加了水流的曲折性和水流路径，相当于增加了湿地植物、砾石填料和悬浮填料与污水的接触时间，因此可以提高污染物的去除效率。FSSFW中植物根系、悬浮陶粒和砾石基质不仅可以拦截、沉降SS，也为微生物菌胶团形成微生物膜提供了场所，使得SS更易被微生物膜吸收和吸附，因此FSSFW在系统对SS去除作用中占主导，防止了SFCW堵塞[21]。污水经过FSSFW的稳定区起到了跌水曝气的作用，且污水经过表面积较大、高度较高且斜面凹凸不平的跌水曝气单元进入SFCW时，均能够增加水中的氧含量，从而增加好氧微生物对有机物的利用效率[28]，提高FSSFW和SFCW对有机物的去除效果。FSSFW中的悬浮陶粒不仅拥有多孔特性，并且能够随其自身的不同特质悬浮于水面、水中或沉浸于水底，这为不同类型和不同需求的微生物提供了大量的繁殖场所，提高了湿地系统对有机物的处理效果[29]。FSSFW中植物的发达根系使其可更高效地利用氮，并通过植物收割去除氮。SFCW中根系发达的挺水植物、大量的悬浮陶粒和砾石基质作为后续处理单元对TP的拦截、吸附和吸收发挥了不可替代的作用[30-32]。因此，在组合人工湿地系统中，SFCW对TN和TP的去除率均值最高，分别达59.40%和67.12%。FSSFW和SFCW适宜的水力坡度对SS的去除起到了一定的作用。在高水力负荷下，由于SFCW内植物种植密度大，根系发达，形成了生物支架人工湿地[33]，在横向和纵向不同程度地形成有氧、缺氧和无氧区域，此时，SFCW在整个系统对COD、NH3-N、TN和TP去除过程起主导作用。随着运行时间的增加，悬浮陶粒内部的微生物种类、数量也增加，形成外部好氧、内部厌氧的微生物膜，从而有利于硝化细菌与厌氧反硝化细菌以及厌氧氨氧化细菌的共同生存与协作，使SFCW的脱氮能力增强。

一般人工湿地选择的植物多考虑其净化能力并满足种类的多样性，但会忽略不同植物之间的生态影响、景观价值和经济利用性。本研究中，组合人工湿地系统选择的大薸、芦苇、花叶芦竹、梭鱼草、再力花、水葱、睡莲、风车草、美人蕉、千屈菜、菖蒲满足了生物多样性的要求，形成以芦苇、芦竹、风车草和菖蒲为主的生态植物群落。湿地植物的净化能力与所选植物根系的发达程度密切相关，根系越发达的植物在扩展人工湿地净化污水的空间和促进各种微生物向湿地深处分布方面更具优势，从而可提高湿地系统的污水净化能力[34]。芦竹、芦苇、风车草和菖蒲都具有发达的根系，芦苇、菖蒲、风车草具有较大的生物量，有利于对氮、磷的积累，能更好地去除污水中的氮、磷[35]。芦苇、芦竹、菖蒲、风车草还具有较强的抗病虫害能力，耐寒、耐污能力也较强，即使在冬季也不会枯萎死亡，有利于系统在冬季保持较高的去除能力。此外，芦苇、芦竹、菖蒲、风车草也具有一定的生态美学价值。通过收割植物，不仅可以去除污染物，收割的植物还可以作为燃料、饲草及堆制有机肥等，实现经济价值[36]。

4 结论

(1)组合人工湿地系统采用FSSFW，延长了生活污水在湿地内的水力路径，使污水中各污染物与植物、基质和微生物的接触反应时间增加，在FSSFW和SFCW之间设置了跌水曝气单元，增加了污水中的溶解氧浓度，保证了湿地的净化效果。SFCW内植物种植密度较大，保证了系统在高水力负荷运行时的稳定净化效果。

(2)在处理水量为30 m3/d时，组合人工湿地系统对生活污水中SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率均值分别为91.6%、81.2%、87.7%、77.3%和86.3%，出水各项指标均能稳定达到GB 18918—2002一级B标准。其中FSSFW对SS的去除率贡献大于SFCW和厌氧池，而SFCW对NH3-N、TN和TP去除率贡献大于厌氧池和FSSFW。当系统处理水量超过设计值，达到50 m3/ d时，出水的部分指标在冬季不能满足设计要求。但组合人工湿地系统依然保持了较高的去除率，表明稳定表流-潜流人工湿地对温度和水量的波动具有一定的抗冲击能力。

(3)组合人工湿地系统在夏季的运行水力负荷可设定为0.108～0.180 m3/(m2·d)，而冬季应严格按照设计水力负荷运行，以使出水达到GB 18918—2002一级B标准。该系统可依地势而建，使生活污水仅靠重力流向系统的各处理单元，无需额外动力，因此，有望实现生活污水的高效、低成本处理。