阶梯型导流生态挡墙对生活污水的净化作用研究

徐恩兵

摘要 為对现有的河道护岸形式进行技术改进，形成一种稳固性好、生态性强、景观效果良好并可防治河道两岸面源污染的护岸结构，利用小型自然造孔水平潜流人工湿地及集水沉淀槽为主要结构，采用两级阶梯型布置形式，同时辅以相应的景观挺水植物、矿物石料，对生活污水进行处理研究。结果表明：系统稳定运行后的COD Cr去除率在70%以上，处理效果良好，且系统运行稳定性较好，未出现较大的波动情况。系统对NH 4+-N的去除效果受进水浓度变化的影响较小，去除率稳定性好，尤其在系统运行50 d后系统出水NH 4+-N浓度均低于11 mg/L，NH 4+-N的平均去除率为55.94%。系统对TP的去除效果受进水TP浓度波动的影响较小，尤其在系统运行40 d后TP的去除率在70%以上，TP的平均去除率为60.43%。系统对SS的去除效果不受进水SS浓度变化的影响，SS的平均去除率为7759%。系统通过一系列的结构形成一体化综合反应区，对污水中的营养物质具有良好的去除效果，两级梯形的构造形式形成了天然的过流水体跌落差，形成天然复氧效果，活根孔的自然生长交替作用延缓了结构堵塞失效的期限。

关键词 面源污染;人工湿地;去除率;生活污水

中图分类号 X799.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）07-0194-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.046

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Purification of Domestic Sewage by Stepped Backflow Ecological Retaining Wall

XU En-bing

（China Gezhouba Group Eco-environmental Engineering Co.，Ltd.， Wuhan， Hubei 430000）

Abstract In order to improve the existing riverway revetment form and form a new revetment structure that could prevent and control the pollution from non-point source on both sides of riverway， with good stability， strong ecology and good landscape effect， the main structure was a small-scale natural pore-making horizontal subsurface flow constructed wetland and a water-collecting sedimentation tank， which was arranged in a two-step pattern， supplemented by corresponding landscape emergent plants and mineral stone materials， the treatment of domestic sewage was studied. The results showed that the removal rate of COD Cr was more than 70% after the system ran stably， the treatment effect was good， and the system ran stably， and there was no big fluctuation. The removal efficiency of NH 4+-N by the system was less affected by the fluctuation of influent concentration， and the removal rate was stable， especially after 50 days of operation， NH 4+-N concentration in the effluent was lower than 11 mg/L， the average removal rate of NH 4+-N was 55.94%. The removal efficiency of TP was less affected by influent TP concentration’s fluctuation， and the removal rate increased steadily with the extension of operation time. Especially after 40 days operation， the removal rate of TP was over 70%， and the average removal rate of TP was 60.43%. The removal efficiency of SS was not affected by the fluctuation of SS concentration in the influent， and the average removal rate of SS was 77.59%. The integrated reaction zone formed by the system through a series of structures had a good removal effect on the nutrients in the sewage. The two-echelon structure formed a natural drop difference of the over-flow water body and a natural re-oxygenation effect， the natural alternate growth of the living root pore delayed the time limit of the structural plugging failure.

Key words Non-point pollution;Constructed wetland;Removal rate;Domestic sewage

驳岸是河流与陆地系统之间的过渡区域，具有边缘效应，对河道坡面起到一定的防护作用，现有的护岸往往仅考虑结构的稳固性及少量的生态性，其中生态性部分是以景观效果为主。然而，来自河道两边岸带的污染排放，如雨水径流、农业污水排放、生活污水排放等面源污染，无法通过现有的护岸带结构形式进行前置处理，加剧了河道的污染负荷。

因此，在兼顾稳固性、生态性和景观性的前提下，如何对现有的河道护岸形式进行技术改进，形成一种稳固性好、生态性强、景观效果良好并可防治河道两岸面源径流污染的护岸结构，是目前环境工程领域亟待解决的问题。

人工湿地是由各粒径级配组合的人工基质和布设于填料基质上方种植土层的挺水植物及陆生植物组成，污水在基质层的空隙结构中通流，通过包括人工基质多孔隙结构的吸附作用﹑植物根系的吸收及同化作用、微生境中环境微生物的转化作用等消解过流水体中的污染因子[1-3]。人工湿地技术通过人为调控作用，充分利用湿地植物、基质及微生物的相互作用，以净化水质为主要目标，同时兼顾维护生物多样性和美化景观的作用[4-5]。目前人工湿地技术在流域水污染治理等领域得到了广泛应用。传统结构形式的人工湿地的基质填料层由于其固定的空隙组合形式，在运行中后期会出现因细粒物质的沉积而发生堵塞现象，导致湿地系统的通水性能降低，进而影响湿地污染物质的净化效果，最终致使湿地的使用寿命期降低。湿地堵塞的过程实质上是有效孔隙率降低的过程[6]。

笔者利用小型自然造孔水平潜流人工湿地及集水沉淀槽为主要结构，采用两级阶梯型布置形式，同时辅以相应的景观挺水植物、矿物石料，对江苏省南京市秦淮河流域某村镇的生活污水进行处理研究。

1 材料与方法

1.1 湿地结构

阶梯型导流生态挡墙由布设于底基层的集水沟及两级梯形水平潜流湿地组成，梯形水平潜流湿地由挺水植物层、矿物石料层、种植土层、植物秸秆层1、粗砂层、植物秸秆层2组成。其中，集水沟的底基层为火山灰石和斜发沸石，集水沟深度为0.6 m，底基层厚度为集水沟深度的1/4，集水沟的边坡坡度为1∶3，底宽为0.4 m;梯形水平潜流湿地的边坡坡度为1∶2，顶部宽度为0.5 m，两级高差为0.6 m;挺水植物为芦苇;矿物石料层为石灰石，铺设厚度为3 cm;植物秸秆层1及植物秸秆层2分别为玉米秸秆和油菜秸秆，铺设密度为0.4 kg/m2。其结构如图1所示。

1.2 运行条件

试验在室外条件下原位进行，系统进水为某村镇的直排生活污水。系統于2017年6月25日开始运行，并测试各项指标，测试时间80 d，采样频率10 d/次。

1.3 测定项目与方法

测定系统进出水的COD Cr、氨氮（NH 4+-N）、总磷（TP）及固体悬浮物（SS）浓度。水质指标的分析方法采用生态环境部的标准分析方法[7]：COD Cr采用重铬酸盐法测定;NH 4+-N浓度采用纳氏试剂法测定;TP浓度采用分光光度法测定;SS浓度采用称量法测定。

2 结果与分析

2.1 COD Cr的去除效果分析

阶梯型导流生态挡墙系统对有机物的去除主要集中在2个方面：①污水中的悬浮态不可溶解有机物在湿地导流系统过流过程中通过自重形成的物理沉降、人工填料组合的过滤及水生植物根系的截留等作用保留下来，此后通过系统中的环境微生物及其原生动物的生存活动加以利用消解;②污水中的可溶解性有机物通过人工填料表面形成的微生物膜由外到内的好氧及厌氧的组合代谢作用得以消解。

由图2可知，COD Cr在阶梯型导流生态挡墙系统运行的初期去除率低于50%，去除率较低，其原因主要是运行初期COD Cr的去除主要为不可溶解有机物通过自重形成的物理沉降、人工填料组合的过滤及水生植物根系的截留等作用而保留在系统内部。在阶梯型导流生态挡墙系统运行的中后期，随着人工填料基质表面微生物膜的形成，系统内微生物显示出良好的活性，形成了高反应效率的微生物反应综合体，可溶解性有机物通过人工填料表面形成的微生物膜的厌氧、好氧的综合代谢消解作用得以降解。系统稳定运行后的COD Cr去除率在70%以上，处理效果良好，且系统运行稳定性较好，未出现较大的波动情况。

2.2 NH 4+-N的去除效果分析

进水中的氮包括有机氮和无机氮（NH 4-N和NO 3-N）2种形式。其中，有机氮通过异养微生物的作用转化为氨氮（NH 4-N）[8]。对无机氮污染因子的去除主要集中在2个方面：①水生植物通过生长过程中的吸收作用将无机氮合成为生长所必需的蛋白质，加以吸收利用;②填料介质通过其表面形成的微生物膜及系统中的微生物群产生的硝化及反硝化反应去除。在远离植物根系的周围区域由于低溶氧而形成的厌氧环境为反硝化作用提供了反应边界，靠近植物根系的周围区域由于根系传输氧作用为硝化反应提供了反应边界，使系统具备同步硝化、反硝化的能力。

由图3可知，系统进水中的NH 4+-N浓度波动较大，进水的NH 4+-N浓度为30.98～51.38 mg/L，但系统的去除效果受NH 4+-N浓度波动的影响较小，去除率稳定性好，尤其在系统运行50 d后系统出水NH 4+-N浓度均低于11 mg/L，NH 4+-N的平均去除率为55.94%。

2.3 TP的去除效果分析

污水中磷的存在形态取决于磷的类型，主要有磷酸盐（包括PO 43-、HPO 42-、H 2PO 4-）、聚磷酸盐和有机磷酸盐等[9]。系统对污水中磷元素的去除主要是通过植物根系的生长吸收作用、人工填料介质表面形成的微生物膜的降解作用以及填料空隙结构的吸附作用等途径完成。部分无机磷在水生植物的生长吸收和同化作用下，被合成为自身机体的有效组分，后期通过水生植物的定期维护管理处理而去除;部分无机磷则通过人工填料介质内部的多孔隙结构的吸附及与自身所含的Ca2+、Fe3+反应形成不溶于水的沉积物而去除。系统中水生植物根系的输氧作用及结构本身的自由落水差形成的复氧作用，使系统内形成循环的好氧、缺氧和厌氧综合态，历经厌氧条件下的释磷及好氧条件下的摄磷（过量摄磷）的循环往复作用，从而达到对磷的有效去除作用[10]。

由图4可知，系统进水中的TP浓度存在一定的波动性，进水的TP浓度为1.76～2.25 mg/L，系统对TP的去除效果受TP浓度波动的影响较小，随着运行时间的延长，TP去除率逐渐增加，尤其在系统运行40 d后TP的去除率在70%以上，TP的平均去除率为60.43%。

2.4 SS的去除效果分析

污水中悬浮物质通过系统人工填料结构的过滤截留及底基层集水沟的沉淀作用得以去除。

由图5可知，系统进水中的SS浓度波动较大，进水的SS浓度为28.6～51.4 mg/L，系统对SS的去除效果不受进水SS浓度波动的影响，一直保持较高的去除率，SS的平均去除率为77.59%。

3 结论

（1）系统通过铺设的植物死根、生长的植物活根、填料层及表面铺设的石灰石，形成了集植物吸收、微生物降解、物理吸附等于一体的综合反应区，对污水中的营养物质具有良好的去除效果，且随着系统运行时间的延长，去除率呈现逐步增长并趋于平稳的状态。

（2）两级梯形的构造形式形成了天然的过流水体跌落差，对入河污染水体起到天然跌水曝气的效果，使入河水体复氧，同时保证了系统的污染物去除效果。

（3）系统前期通过植物茎体的内部腐败及填料的天然孔隙形成过流通道，达到对径流水体的净化处理效果;后期顶部挺水植物自然根系的生长，形成对湿地过流区的自然更替，进一步避免了系统过流的堵塞问题。

参考文献

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