运行工况对垂直流人工湿地净化水体污染物影响

谢光涛， 林 静

(深圳碧园环保技术有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

21世纪以来，地球环境的生态可持续发展[1]被确定为全球共同发展的关键，也是人类环境共同体发展的基础。我国生态文明的建设方向也日益凸显。城市水环境建设作为我国生态文明[2]建设的重点领域，城镇污水处理厂尾水、农业点源面源污染以及地表径流对城市水环境[3]质量造成严重威胁。为避免污染水体直接排入收纳水系，水资源环境管理需控制排水水质符合标准后，才能排入自然水体，用作城市河流补水。由于城市污水处理厂技术工艺[4]与污染水体[5]自身属性的双重因素，导致城市污水处理厂出水很难达到城镇污水处理厂一级A排放标准，城市污水处理厂尾水须经二级或三级深度处理排入自然水体。人工湿地净水技术在深度处理污水[6]，提高水质标准的技术工艺得到广泛认可，人工湿地具有处理效果好、投资运行成本低、运行管理简单、景观效果好等[7]优点，但其湿地微生物结构复杂、氮素处理效果差、湿地结构氧状态等问题，成为人工湿地深度处理技术难题。

对于上述人工湿地技术难题，采用垂直流人工湿地模型结合城市污水处理厂一级A排放尾水标准，模拟垂直流人工湿地净化水质技术工艺，改变模拟湿地运行条件，探讨不同运行工况下垂直流人工湿地净化水体污染物的效能差异，整合各运行工况条件下的最佳去除效果，为工程实践提供理论参考。

2 材料与方法

2.1 试验装置

试验装置如图1，垂直流人工湿地装置采用PVC有机玻璃柱，内径10 cm，高度150 cm，其中填料高度120 cm，装置填料为不同粒径碎石、沸石和砂的组合填料，填料初始孔隙率为50%。试验模拟污水采用继时器控制开关和脉冲式进水方式，装置上部进水，下部出水，整个试验过程在实验室条件下进行。

图1 垂直流人工湿地试验装置

2.2 试验水质

供试污水采用人工模拟污水处理厂尾水浓度配制，水质指标见表1，分别以KNO3和NH4Cl、KH2PO4、邻苯二甲酸氢钾化学药品配制试验污水所需氮素、磷素及COD浓度。试验过程中所用到的化学药品均为分析纯。

表1 供试污水水质

2.3 试验方法

采用分段试验分别分析湿地运行工况水力负荷(Q)、进水时间(T0)、间隔时间(Ti)、运行周期(YZ)、出水口位置(H)及湿地植物(P)对垂直流人工湿地净化水质的效率，试验总历时150 d，各时段运行工况如表2所示。

表2 垂直流人工湿地各阶段运行工况

为改善人工湿地的设计管理与运行维护，该试验对TN、TP、NH3+-N、COD 4项指标作为人工湿地水质净化能力评价项目，水质指标的分析均采用国家标准检测，试验数据结果的统计分析处理中，对偏差数据修约处理后使用。

3 结果与分析

3.1 运行周期对垂直流人工湿地净化水质的影响

运行周期对垂直流人工湿地净化水质的影响如图2所示。

图2 运行周期对垂直流人工湿地水质净化的影响

由图2可知，在水力负荷保持不变的条件下，将系统进水时间由2 h减小到1 h， TN的去除效率增加约4.5%，但TP、NH3-N、COD去除效率分别下降23%、8%、13.5%，改变进水时间，TP去除效率显著下降。分析认为，当改变湿地进水时间，运行周期由3次/d调整为12次/d，随运行周期增加，湿地系统处于缺氧(短暂厌氧)环境条件，湿地内部无法及时复氧，故氨氮去除率降低。而缺氧(短暂厌氧)条件下，反硝化细菌具生长优势，反硝化作用效果增强，TN去除率升高；聚磷菌无法与污水中磷酸盐有效结合达到降低磷浓度的效果。结果表明，3次/d的运行方式更有利于湿地系统净化水体污染物。

3.2 水力负荷对垂直流人工湿地净化水质的影响

水力负荷对垂直流人工湿地净化水质的影响如图3所示。

由图3可知，在进水时间保持不变的情况下，随着水力负荷的减小，垂直流人工湿地系统对水体氮素、磷素和有机物的去除率均有提高效果，其中，TN、TP、NH3-N和COD分别提高了9.25%、5.33%、49.14%和27.35%，分析认为，随水力负荷的减小，湿地系统承载的污染负荷也随之减小，水体各项污染物去除率都明显提高；其次，NH3-N去除效果提升约50%，也与湿地结构层填料沸石相关，张曦[8]表明沸石吸附量随浓度上升趋势减缓，沸石吸附氨氮最大值为11.5 mg/g。结果表明，0.95 m3/(m2·d)的水力负荷运行条件更有利于人工湿地系统去除水体污染物。

图3 水力负荷对垂直流人工湿地水质净化的影响

3.3 间隔时间对垂直流人工湿地净化水质的影响

运行间隔时间对垂直流人工湿地净化水质的影响如表3所示。

表3 间隔时间对垂直流人工湿地净化水质的影响

由表3可知，人工湿地运行工况1、 2、 3的间隔时间分别为6 h、1 h、3 h。当湿地运行工况间隔时间由6h减小到1h时，系统对TN的平均去除率增加了约4.5%，而TP、NH3-N和COD的平均去除率分别下降了23%、7.6%和13.42%；分析认为，缩短运行间隔时间，会弱化人工湿地复氧能力，湿地结构溶解氧含量降低，而氨氮的去除过程(硝化作用)是好氧过程，TN的去除主要取决反硝化作用的强弱，故湿地系统NH3-N和TN平均去除率出现此消彼长的影响结果。当湿地运行间隔时间由1 h再延长到3 h时，湿地水质净化评价项目的平均去除效率都得到提高，TN、TP、NH3-N和COD的去除率分别提高了9.5%、5%、50%、27%，由此可见，人工湿地系统运行间隔时间对湿地水质净化能力影响明显，而适当的运行间隔对湿地系统水质净化效果能进一步提升。结果表明 ，当湿地运行间隔时间为3 h，水质净化效果能得到明显提升。

3.4 垂直流人工湿地出水口高度对净化水质的影响

出水口高度对垂直流人工湿地净化水质的影响如图4所示。

图4 出水口高度对垂直流人工湿地水质净化的影响

由图4可知，在水力负荷保持不变的条件下，将模拟人工湿地出水口由底部抬高到湿地结构1 m处出水，试验发现，湿地结构抬高出水口，比较于底部出水，TN的去除率提高超过50%，NH3-N的平均去除率下降了45.82%，其中，出水口高度对TP和COD的去除效果影响不大。分析认为，抬高出水口，促使人工湿地内部结构处于缺氧条件，反硝化过程效率增强，使TN去除率提高，从而导致氨氮去除率下降，而氨氮的降解仅靠模拟湿地表层20 cm填料层物理作用和结构微生物作用难以使其出水达到地表水水质标准。结果表明，出水口高度对水质氮素去除效果影响显著，高出水口利于硝态氮去除，直排式适用于氨氮去除。

3.5 湿地植物对垂直流人工湿地净化水质的影响

湿地植物对垂直流人工湿地净化水质的影响如图5所示。

图5 湿地植物对垂直流人工湿地水质净化的影响

由图5可知，垂直流湿地稳定运行后，试验比较了湿地植物对湿地系统净化效果的影响。与未种湿地植物相比(工况4)，种植湿地植物后(工况5)，湿地系统对TN、TP、NH3-N和COD的去除效果都有提升，COD最为显著，平均去除率提升约14%；相较于工况5的去除效率，工况6(去除湿地植物后)，TN、TP和COD均显著下降，而NH3-N明显提升。分析认为，湿地系统种植湿地植物后，湿地植物的自身同化作用对其降解污染物有一定的促进作用，但影响效果有限，去除湿地植物后，NH3-N去除率增强，可能与湿地结构中沸石填料层有关。李林峰等[9]表明，有湿地植物的人工湿地处理单元显著优于无湿地植物的处理单元，同时，湿地植物对人工湿地TN、TP总去除量的贡献分别<15%和<20%。本次试验结果也证明，湿地植物对湿地系统NH3-N去除率贡献较小，结果表明，湿地植物对湿地系统净化水体氮素、磷素污染物去除率的提升贡献较小。

4 结论

试验阶段COD平均去除率超过70%，故运行工况对该污染物去除影响较小。

湿地运行周期和运行间隔时间对垂直流人工湿地净化水质污染物影响显著，随运行周期增加和间隔时间减小，TN的去除效率增加4.5%和13.59%， TP的去除率分别下降23%， 间隔时间由1 h增加到3 h，NH3-N去除率提升49%；水力负荷由1.91 m3/(m2·d)减小到0.95 m3/(m2·d)，TN、TP、NH3-N和COD分别提高了9.25%、5.33%、49.14%和27.35%；出水口高度的改变，对湿地系统水体净化污染物氮素的去除影响较大，出水口由0 m提高到1 m，TN去除率提高超过50%，而NH3-N的平均去除率下降了45.82%；湿地植物对湿地系统净化水体氮素、磷素污染物去除率的提升贡献较小。

垂直流人工湿地净化水体污染物的最佳运行工况为“水力负荷0.95 m3/(m2·d)、进水1h、间隔时间3h、运行周期3次/d、湿地系统出水口设置0～1 m、配置湿地植物”运行，结合TN、TP、NH3-N和 COD的去除率效果，除TN(NOX--N)污染物外，TP、NH3-N和 COD出水水质均达到地表水环境质量V类标准。