人工濕地處理富營養(yǎng)化水體實驗性研究
蔡俊濤 王祥 賴運(yùn)東
摘 要:在各種人工濕地處理技術(shù)中，潛流型人工濕地由于其水力負(fù)荷大、污染負(fù)荷高、凈化效果好等優(yōu)點，已成為人工濕地應(yīng)用中最主要的類型。潛流型人工濕地在植物根系周圍形成的好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，為人工濕地中污染物的去除提供了良好的條件。
從實驗分析所得，利用潛流型人工濕地處理富營養(yǎng)化水體，在低、較高水力負(fù)荷下，采用連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行方式，系統(tǒng)對COD、TP及氨氮的去除效果較好。在高水力負(fù)荷下，由于停留時間短，宜采用間歇式運(yùn)行方式。
添加鐵屑和牡蠣殼的人工濕地處理系統(tǒng)對各污染物的去除效果優(yōu)于添加優(yōu)勢菌的木屑和無特殊填料的人工濕地處理系統(tǒng)。在不同水力負(fù)荷條件下，不同植物人工濕地對污染物的綜合去除能力依次為：蘆葦≥象草>香根草>再力花。
不同級配填料的人工濕地處理系統(tǒng)中，粒徑小的河砂及海砂對各污染物的去除效果優(yōu)于粗粒徑的填料。

關(guān)鍵詞：潛流型人工濕地；富營養(yǎng)化；去除率

人工濕地作為一種獨特的生態(tài)系統(tǒng)，以其特有的生態(tài)功能和存在形式及特點，能夠在湖泊點源和面源污染控制方面發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。人工濕地技術(shù)的研究和應(yīng)用在我國仍處于起步發(fā)展階段，目前在人工濕地研究方面，還是集中在植物、填料的去除機(jī)理和效果探討，如人工濕地脫氮植物的選擇、人工濕地不同填料除磷效果的探討等。而人工濕地運(yùn)行操作方面的各項參數(shù)的研究，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足于實際應(yīng)用需要。
在各種人工濕地處理技術(shù)中，潛流型人工濕地由于其水力負(fù)荷大、污染負(fù)荷高、凈化效果好等優(yōu)點，已成為人工濕地應(yīng)用中最主要的類型。潛流型人工濕地在植物根系周圍形成的好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，為人工濕地中污染物的去除提供了良好的條件。
一、實驗裝置及流程
1.裝置及流程
實驗選擇潛流型人工濕地處理系統(tǒng)，采用不同填料、不同植物的試驗系統(tǒng)，每個人工濕地處理系統(tǒng)由一個PVC塑料箱制成，尺寸為40×40×50cm，底部鋪設(shè)30cm厚的凈化層，中部為10cm厚的碎石過渡層，頂部為10㎝高的表層土壤。實驗用富營養(yǎng)化水體主要污染物指標(biāo)為COD30～50mg/L、TP2～6 mg/L、NH4＋－N 5～12 mg/L，進(jìn)水通過表層的布水裝置均勻流入，最后從系統(tǒng)底層鋪有碎石的出水口流出。濕地進(jìn)水方式采用連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水流量通過轉(zhuǎn)子流量計控制；出水通過閥門控制，保證污水在人工濕地有足夠的停留時間。在高水力負(fù)荷情況下，進(jìn)水間隔時間平均分配（間歇進(jìn)水時，前一次出水完到下一次進(jìn)水，系統(tǒng)有1小時的大氣復(fù)氧時間），以滿足濕地中各種微生物的需氧要求。
2.分析方法
本實驗研究過程中COD用快速消解分光光度法測定，氨氮用電極法測定，總磷用鉬酸銨分光光度法測定。
二、結(jié)果與分析
1.低水力負(fù)荷下對污染物的去除效果
實驗在水力負(fù)荷為1.0m3/m2d下進(jìn)行，進(jìn)水流量為16L/hr，采用連續(xù)運(yùn)行方式，每天運(yùn)行10小時。研究在低水力負(fù)荷下，影響人工濕地處理系統(tǒng)處理效果的因素。實驗結(jié)果如下：

COD去除率 TP去除率 氨氮去除率
不同填料 種類 牡蠣殼：75～85%
鐵屑：70～90%
木屑：58～70% 牡蠣殼：48～55%
鐵屑：60～70%
木屑：41～45% 牡蠣殼：47～60%
鐵屑：50～63%
木屑：46～58%
不同植物 種類 蘆葦：80～90%
象草：70～80%
香根草：72～79%
再力花：60～68% 蘆葦：61～66%
象草：60～65%
香根草：44～52%
再力花：45～53% 蘆葦：62～78%
象草：62～77%
香根草：55～60%
再力花：46～52%
不同填料 級配 粗河砂：67～72%
細(xì)河砂：72～81%
粗海砂：62～68%
細(xì)海砂：70～77% 粗河砂：41～52%
細(xì)河砂：54～73%
粗海砂：47～60%
細(xì)海砂：56～75% 粗河砂：41～59%
細(xì)河砂：62～70%
粗海砂：55～60%
細(xì)海砂：60～68%
表1：低水力負(fù)荷下各污染物去除效率
1.1對COD的去除效果
從表1數(shù)據(jù)可以得出，不同填料種類、不同植物種類及不同填料級配的人工濕地處理系統(tǒng)，在低水力負(fù)荷下，效果差異較大。在不同填料人工濕地處理系統(tǒng)中，以牡蠣殼、鐵屑為填料的蘆葦人工濕地處理系統(tǒng)的COD去除效果最好，COD去除率在70～90%之間，隨著系統(tǒng)中微生物量的增加、植物的成熟，其去除效率呈上升趨勢。在不同植物種類的人工濕地中，象草及香根草的COD去除效率相當(dāng)，其COD去除率也可以達(dá)到80%左右，但稍差于蘆葦人工濕地；而再力花人工濕地處理效果最差，只有60～68%。而對于不同填料級配的人工濕地處理系統(tǒng)來說，細(xì)的砂質(zhì)填料更利于去除COD污染物，其中以細(xì)的河砂處理效果最好，保持在72～81%之間。
1.2對TP的去除效果
對于TP的去除，鐵屑填料的蘆葦人工濕地處理系統(tǒng)有較好的效果，去除率保持在60～70%之間；而牡蠣殼填料人工濕地稍差于鐵屑填料濕地，只達(dá)到55%左右；木屑填料人工濕地的TP去除效果最差，平均只有43%。蘆葦人工濕地及象草人工濕地的TP去除率相當(dāng)，保持在60%以上；而再力花和香根草較差，只有44～53%之間。不同填料級配的人工濕地中，以細(xì)的海砂填料去除TP污染物最好，因為其表面積大并富含鈣物質(zhì)，其TP去除率可達(dá)75%左右，而粗的河砂最差。
1.3對氨氮的去除效果
在低水力負(fù)荷下，蘆葦和象草人工濕地的氨氮去除率保持在62%以上，而再力花及香根草的凈化效果稍差。添加了牡蠣殼和鐵屑填料的人工濕地處理系統(tǒng)對氨氮的去除率比添加木屑的系統(tǒng)效果較佳。小粒徑的填料對有機(jī)物及氨氮的去除率比大粒徑的要高出10%左右，細(xì)河砂與細(xì)海砂的氨氮去除率基本相當(dāng)。
2.較高水力負(fù)荷下對污染物的去除效果
進(jìn)水流量為32L/hr，水力負(fù)荷為2.0m3/m2d，采取連續(xù)運(yùn)行模式，每天連續(xù)運(yùn)行10小時。研究在較高水力負(fù)荷下，影響各人工濕地處理系統(tǒng)處理效果的因素。實驗結(jié)果如下：
COD去除率 TP去除率 氨氮去除率
不同填料 種類 牡蠣殼：77～87%
鐵屑：80～90%
木屑：60～62% 牡蠣殼：50～65%
鐵屑：55～73%
木屑：38～46% 牡蠣殼：48～60%
鐵屑：51～62%
木屑：33～45%
不同植物 種類 蘆葦：80～90%
象草：70～80%
香根草：70～79%
再力花：58～65% 蘆葦：50～65%
象草：53～63%
香根草：45～48%
再力花：45～50% 蘆葦：61～75%
象草：61～77%
香根草：53～60%
再力花：45～50%
不同填料 級配 粗河砂：65～70%
細(xì)河砂：72～82%
粗海砂：60～65%
細(xì)海砂：65～72% 粗河砂：42～50%
細(xì)河砂：55～72%
粗海砂：47～61%
細(xì)海砂：57～77% 粗河砂：40～55%
細(xì)河砂：61～72%
粗海砂：50～58%
細(xì)海砂：60～68%
表2：較高水力負(fù)荷下各污染物去除效率
2.1對COD的去除效果
在不同填料種植相同植物的人工濕地處理系統(tǒng)中，添加了牡蠣殼、鐵屑的系統(tǒng)對COD去除率優(yōu)于其他系統(tǒng)，去除率可達(dá)到80%以上；添加了經(jīng)過特殊處理的木屑系統(tǒng)對COD的去除效果較差，只有60%左右。不同植物品種對COD去除率的影響則體現(xiàn)為生長速度快、植物量大、根系發(fā)達(dá)的植物品種有利于提高濕地系統(tǒng)對有機(jī)物的吸收和降解，如蘆葦、象草和香根草系統(tǒng)均有較好的去除效果，但再力花系統(tǒng)去除效果稍差。在粒徑不同的填料系統(tǒng)中，粒徑較小的細(xì)河砂、細(xì)海砂有較好的COD去除效果。
2.2對TP的去除效果
添加了不同填料的系統(tǒng)對TP的去除效果同樣表現(xiàn)出較大的區(qū)別，添加了鐵屑和牡蠣殼的系統(tǒng)對TP的去除率平均達(dá)到55～60%以上，特別添加了鐵屑的人工濕地處理系統(tǒng)凈化效果更佳，而添加了木屑的人工濕地處理系統(tǒng)其TP去除率最差。蘆葦和象草人工濕地處理系統(tǒng)的TP去除率高于香根草、再力花人工濕地處理系統(tǒng)的15%，達(dá)到65%左右。細(xì)河砂與細(xì)海砂的TP去除率優(yōu)于粗河砂、粗海砂約10%以上，達(dá)到75%左右。
2.3對氨氮的去除效果
隨著水力負(fù)荷的提高，各個人工濕地處理系統(tǒng)對各污染物的去除率有所下降，但趨勢不明顯，仍然保持較理想的處理效果。在不同填料的人工濕地中，添加了鐵屑或者牡蠣殼的蘆葦人工濕地對氨氮還保持較好的處理效果，去除率保持在50%以上；而添加了特殊處理的木屑填料，其氨氮處理效果與其他處理系統(tǒng)相差較大，只有33～45%左右。蘆葦與象草對氨氮的去除率要好于香根草和再力花人工濕地；細(xì)河砂和細(xì)海砂系統(tǒng)的氨氮去除效果優(yōu)于粗粒徑填料的人工濕地處理系統(tǒng)。
3.高水力負(fù)荷下對污染物的去除效果
處理系統(tǒng)進(jìn)水流量為48 L/hr，水力負(fù)荷為3.0m3/m2d，采取間歇進(jìn)水模式，保證每次進(jìn)水前都有一段大氣復(fù)氧的時間，全天運(yùn)行。研究在高水力負(fù)荷下，影響各人工濕地處理系統(tǒng)處理效果的因素。實驗結(jié)果如下：

COD去除率 TP去除率 氨氮去除率
不同填料 種類 牡蠣殼：65～72%
鐵屑：66～73%
木屑：48～53% 牡蠣殼：38～47%
鐵屑：45～56%
木屑：35～40% 牡蠣殼：40～52%
鐵屑：41～54%
木屑：25～35%
不同植物 種類 蘆葦：66～73%
象草：65～70%
香根草：58～63%
再力花：48～57% 蘆葦：40～55%
象草：43～58%
香根草：35～40%
再力花：35～42% 蘆葦：52～65%
象草：52～63%
香根草：45～50%
再力花：35～42%
不同填料 級配 粗河砂：55～60%
細(xì)河砂：63～67%
粗海砂：50～57%
細(xì)海砂：55～62% 粗河砂：31～40%
細(xì)河砂：45～62%
粗海砂：37～48%
細(xì)海砂：46～63% 粗河砂：30～47%
細(xì)河砂：50～60%
粗海砂：40～47%
細(xì)海砂：48～58%
表3：高水力負(fù)荷下各污染物去除效率
3.1對COD的去除效果
在高水力負(fù)荷下，各人工濕地處理系統(tǒng)對COD的去除效果下降很快。雖然實驗采用間歇式運(yùn)行方式，保證每次進(jìn)水前有1小時左右的大氣復(fù)氧時間，但是由于水力停留時間短，有機(jī)物來不及被充分降解就直接被排出人工濕地處理系統(tǒng)，導(dǎo)致出水COD仍然很高。添加了鐵屑和牡蠣殼人工濕地處理系統(tǒng)的COD去除率只有70%左右，而木屑人工濕地更只有50%左右。不同植物人工濕地凈化系統(tǒng)也因水力負(fù)荷的增加，其COD去除率下降很快，蘆葦與象草人工濕地的COD去除率只達(dá)到73%，再力花和香根草更差。不同填料級配的人工濕地也呈現(xiàn)出以上規(guī)律，COD去除率平均也只有60%左右。
3.2對TP的去除效果
水力負(fù)荷的進(jìn)一步增大，對各人工濕地處理系統(tǒng)的TP去除效果影響并不很大，但是也隨著實驗時間的延長，各人工濕地處理系統(tǒng)的TP去除率呈現(xiàn)下降趨勢，這與填料化學(xué)吸附達(dá)到飽和程度有關(guān)。添加了鐵屑填料的人工濕地TP去除率仍然有56%左右，優(yōu)于其他系統(tǒng)的10%左右。蘆葦和象草人工濕地的TP去除率也有55%，但再力花與香根草的TP去除率只有40%。細(xì)粒徑的河砂和海砂人工濕地處理系統(tǒng)的TP去除率仍保持在60%左右，這就反映了，人工濕地處理系統(tǒng)中磷的去除主要依賴于填料成分，含鈣物質(zhì)豐富的填料更有利于磷污染物的去除。
3.3對氨氮的去除效果
在高水力負(fù)荷下，氨氮的凈化特性與COD凈化特性相一致，由于系統(tǒng)的復(fù)氧時間段，氧氣成分低而且水力停留時間短，導(dǎo)致氨氮沒有充分硝化反硝化就直接被帶出人工濕地處理系統(tǒng)。添加了特殊填料的人工濕地處理系統(tǒng)中，鐵屑和牡蠣殼人工濕地的氨氮去除率優(yōu)于其他系統(tǒng)，仍然有50%的去除效果。蘆葦及象草人工濕地優(yōu)于香根草和再力花人工濕地，其氨氮去除率還可以達(dá)到63%左右。細(xì)粒徑填料的濕地氨氮去除效果優(yōu)于粗粒徑填料系統(tǒng)。生長速度快、生物量大、根系發(fā)達(dá)的植物品種有利于提高濕地系統(tǒng)對污染物吸收和降解，這反映了，人工濕地中氨氮的去除主要依靠生物降解作用。
三、結(jié)論
1.利用潛流型人工濕地處理富營養(yǎng)化水體，在低、較高水力負(fù)荷下（1.0m3/m2d 、2.0m3/m2d），采用連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行方式，系統(tǒng)對COD、TP及氨氮去除率分別達(dá)到70～90%、60～70%、50～80%，去除效果較好，且低水力負(fù)荷由于水力停留時間長、凈化效果更好，最佳的水力負(fù)荷在2.0 m3/m2d以下。隨著水力負(fù)荷的增大，各污染物的去除率有所下降，在高水力負(fù)荷下（3.0 m3/m2d），由于停留時間短，宜采用間歇式運(yùn)行方式。
2.分別添加鐵屑和牡蠣殼的人工濕地處理系統(tǒng)對各污染物的去除效果優(yōu)于添加優(yōu)勢菌的木屑填料的人工濕地處理系統(tǒng)，處理效果依次為鐵屑>牡蠣殼>木屑。添加了鐵屑和牡蠣殼人工濕地處理系統(tǒng)的COD、氨氮去除率可提高10%左右，TP的去除率可提高20%左右；但添加優(yōu)勢菌種的木屑填料反而相對降低了人工濕地處理系統(tǒng)對污染物的去除率。
3.在低、較高和高水力負(fù)荷條件下，分別種植蘆葦、象草的人工濕地處理系統(tǒng)對污染物去除效果明顯優(yōu)于種植再力花及香根草的人工濕地，各植物人工濕地對污染物的綜合去除能力依次為：蘆葦≥象草>香根草>再力花。種植蘆葦及象草的人工濕地對污染物去除效果較好，COD達(dá)65～90%、TP達(dá)40～66%、氨氮達(dá)52～78%。再力花對污染物的去除效率不高，但具有較高觀賞性，可以考慮作為輔助性植物與蘆葦、象草共同栽種，增加人工濕地觀賞價值。
4.不同級配填料的人工濕地處理系統(tǒng)中，粒徑小的河砂及海砂對各污染物的去除效果優(yōu)于粗粒徑填料。細(xì)粒徑填料人工濕地處理系統(tǒng)各污染物去除率COD達(dá)55～82%、TP保持在50～70%、氨氮也有50～70%左右，均高于粗粒徑填料人工濕地10%以上，特別對于TP的去除來說，在不同水力負(fù)荷下仍保持較高的去除率。

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