人工濕地系統設置擋板的初步研究

孔慶玲，李科林，馮沖凌，王 平

（中南林業科技大學 環境科學與工程研究中心，湖南 長沙 410004）

人工濕地系統設置擋板的初步研究

孔慶玲，李科林，馮沖凌，王 平

（中南林業科技大學 環境科學與工程研究中心，湖南 長沙 410004）

通過自制的人工濕地處理系統，研究了相同裝置有無設置擋板情況下的處理效果。研究表明：在同樣的水力負荷（0.1～0.5 m3/(m2·d)）條件下，設置擋板，可有效提高系統的去除率。但在水力負荷為0.1、0.2 m3/(m2·d)時，設置擋板的系統易產生死水區，而隨著水力負荷的提高，可改善這一狀況。研究結果對人工濕地處理系統的應用具有一定的參考意義。

人工濕地；擋板；處理效果

21世紀以來，水資源短缺問題已成為備受世界關注的焦點問題之一[1]。因此，世界各國越來越為重視污水的處理技術。人工濕地是由人工模擬自然濕地建造和監督控制的，由土壤-植物-微生物形成的生態系統，利用生態系統中的物理、化學和生物的直接和協同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解實現污水高效凈化處理的一種新型污水處理技術。與傳統水處理方法相比，它具有“一高三低一不”，即高效率、低投資、低運轉費用、低維持技術、用地少和基本不耗電等特點[2]，適用于我國土地資源較豐富的鄉村、中小城鎮的污水處理，尤其是經濟發展水平不高、能源短缺、技術相對缺乏的地區。

對于人工濕地污水凈化系統的構建，濕地植物與基質篩選，以及人工濕地運行條件的改善，不少學者進行了研究[3-7]。Watson等[8]認為污水的水力負荷范圍應當是0.014～0.220 m/d；Veechiet等[9]則認為在較低的水力負荷條件下運行，污水處理效果較好。如何進一步提高人工濕地系統處理效果和運行效率，不斷優化一些運行因素如運行方式、水力負荷、進/出水口位置、進水方式等，成為人工濕地研究新的方向和課題[10]。關于潛流人工濕地水力學性能影響因素，填料性質、濕地尺寸、進水方式和進/出水口位置等對水力停留時間的影響是近年主要的研究內容[11-13]。而對于同一個人工濕地裝置，通過設置擋板，以改變水流過程研究的處理效果尚未見報告，本研究將對此進行探討。

1 材料與方法

1.1 材料及來源

1.1.1 污水

試驗采用自配模擬生活污水，其中氨氮與總磷濃度采用投加硝酸銨和磷酸二氫鉀進行調節，CODcr通過投加可溶性淀粉及葡萄糖調節，具體水質情況見表1，表2為模擬試驗污水水質。

表1 模擬生活污水組成Table 1 The characteristics of simulated domestic wastewater

表2 試驗進水水質Table 2 The influent quality in this study

1.1.2 填料

(1) 天然蛭石

購自河北省靈壽縣青嶺礦產加工廠，實驗中選用過1 mm篩后的蛭石。

(2) 紅壤

取自中南林業科技大學長沙校區林地。

(3) 礫石

取自建筑工地，選取1～5 cm礫石，清洗后使用。

1.1.3 濕地植物

選用香蒲和德國鳶尾，均取自中南林業科技大學株洲校區組合人工濕地污水處理中試基地。

1.2 分析指標、方法及儀器

1.2.1 分析指標與方法

本項目所有測試方法均參照國家環境保護局編輯《水和廢水水質監測與分析》第四版中的國標方法。

(l)氨氮：鈉氏試劑分光光度法

(2)總氮：過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法

(3)總磷：過硫酸鉀消解-鋁銻抗分光光度法

(4)溶解性磷酸鹽：分光光度法

(5) COD：重鉻酸鉀法

(6) pH：玻璃電極法

(7)電導率：電導率儀法。

1.2.2 主要儀器

電子分析天平：AUW220D，日本島津公司；

電熱鼓風干燥箱：101-1AB，天津市泰斯特儀器有限公司；

全自動間斷水質分析儀：EASYCHEM PRO，意大利希思迪公司；

紫外可見分光光度計：UV-1700，日本島津公司；

微波閉式CODcr、TN、TP消解儀：WMX-A型，廣東韶關科力實驗儀器有限公司；

超純水系統：MI-2-10，重慶奧恩科技有限公司；蠕動泵：YZ系列，蘭格恒流泵有限公司；

電導率儀：DlsTHI90302，意大利HANNA公司。

1.3 裝置設計與運行

1.3.1 裝置設計

（1） 床體

人工濕地長×寬×高=2 m×1 m×0.65 m，床體采用8 mm厚PVC板。污水經布水區進入處理區，由集水區排出，裝置底部設置有排空管。為布水均勻，采用穿孔布水。布水管、集水管分別長80 cm，均勻分布6個孔徑為0.5 cm的穿水孔。布水區、集水區寬為0.1 m左右，填充直徑為1～5 cm的礫石。

（2） 基質與植物

為提高填料效率，采用高位出水，出水口高0.6 m。處理區填料分為3層，由下至上，依次填充10 cm礫石、25 cm紅壤、25 cm蛭石，上部種植香蒲和德國鳶尾。在床體的1/3、2/3處分別設置擋板，擋板長度為65 cm，并在高度為30 cm處設置與擋板對應的采樣點，分別記為1#出水點和3#出水口點。工藝示意圖見圖1。

圖1 人工濕地試驗裝置Fig.1 Experiment device of artif i cial wetland

1.3.2 裝置運行

采用連續式的進水方式，用恒流泵控制流速和進水流量。分析實際水力停留時間及分布對表面水力負荷、表面有機負荷及污染物去除效果的影響，對比分析實際與理論水力停留時間的關系，確定最佳水力停留時間及水力負荷。

表3 蠕動泵轉速與流量的關系Table 3 The correlation between peristaltic pump speed and flow rate

表4 試驗水力參數設計Table 4 Hydraulic parameter design

2 結果與討論

分別研究在填料與植物、進水條件相同，在裝置有擋板（A）和無擋板（B）條件下，不同水力負荷的系統去污能力。

2.1 COD的去除效果

人工濕地的顯著特點之一就是對有機物具有較強的去除能力，可溶性有機物可以通過植物根系生物膜的吸收、吸附及生物代謝降解過程而被分解去除，不溶性有機物則可以通過濕地的沉淀、過濾作用，很快被截流而被微生物利用。

圖2為有、無擋板條件下不同水力負荷時系統出水CODcr變化。

圖2 有、無擋板條件下系統不同采樣點出水CODcr變化Fig. 2 The change of CODcr in different sampling points with and without the baff l e system

由圖2可知，實驗裝置對COD的去除效果良好。其中，無擋板時，出水CODCr濃度為22.3～46.8 mg/L，CODCr去除率為62.1%～82.2%；有擋板時，出水CODCr濃度為13.6～33.2 mg/L，CODCr去除率為68.1～94.4%。

顯然，在同樣的水力負荷的條件下，有擋板時，出水水質明顯好于無擋板情況。這表明，增加擋板，即增加系統的水力停留時間，從而有利于污染物的去除。當水力負荷為0.1 m3/(m2·d)時，有擋板時，1#采樣點和出水口采樣點CODCr去除率達到94.4%、93.3%，1#采樣點CODCr濃度較低，表明擋板的增加相對延長了系統的水力停留時間，有效提高了處理效率；而可能因為擋板的設置，使得處理裝置在擋板后區域存在一定的死水區，造成整個系統的處理效率相對減弱。無擋板時，1#采樣點和出水口采樣點CODCr去除率為82.2%、89.0%，有機污染物隨水流逐漸降低，沒有出現明顯的死水區域。

從圖2還可看出，不論有無擋板，系統隨著水力負荷的加大，裝置的處理效率隨之降低，系統水流推流狀態越來越明顯。只是隨著水力負荷的加大，有擋板時，出水口采樣點CODCr去除率均高于1#采樣點，表明，適當的增大水力負荷，可以在一定程度上改善人工濕地死水區的現象，讓污水與介質、植物根系充分接觸，使床體充分發揮作用，有效的去除有機污染物。由于隨著水力停留時間變短，介質、植物和微生物能更多地吸收、轉化污染物質的時間變短，COD去除率隨之漸減。

2.2 TN去除效果

圖3為系統不同采樣點出水TN濃度情況。

圖3 系統不同采樣點出水TN濃度情況Fig. 3 The TN concentration of eff l uent in different sampling points

圖3 顯示，有擋板時，出水TN濃度范圍為2.81～5.85 mg/L，平均去除率為83.1%；無擋板時，出水TN濃度范圍分別為5.16～8.19 mg/L，平均去除率為72.33%。總體而言，裝置對TN的去除率隨水力負荷增大呈下降趨勢，說明濕地系統的水力負荷是影響總氮去除效果的重要因素。這是總氮的去除主要依靠微生物的硝化和反硝化作用，而對于同一個試驗裝置，水力負荷就越小，水流在床體內停留時間越長，微生物的硝化、反硝化作用就越完全，脫氮效果就越好。

在水力負荷為 0.1、0.2 m3/(m2·d)情況下，無擋板時，1#采樣點TN去除率分別為48.6%和49.8%，出水口采樣點TN去除率分別為79.1%、73.5%，系統的處理效率隨時間的增加而提高；而有擋板時，1#采樣點TN去除率分別為97.8%和97.5%，出水口采樣點TN去除率分別為88.6%、85.8%，TN最終去除率減小，系統的處理效率隨時間加大有減弱趨勢。這再次驗證了使用擋板雖然提高了污染物的去除率，但擋板附近死水區較為明顯。

無擋板時，TN最高去除率僅為79.1%，未達到有擋板時TN平均去除率，與CODcr去除效果相比，有無擋板對系統的TN去除率影響更大。這說明在相同的水力負荷下，合理改造人工濕地內部結構，延長水力停留時間，充分利用植物根系及基質對污染物的過濾攔截作用，微生物生物降解對能提高單位表面積的有機負荷，提高TN的去除效率。

2.3 氨氮的去除效果

圖4為系統不同采樣點出水氨氮濃度情況。有擋板時，出水氨氮濃度范圍為1.86～4.00 mg/L，無擋板時，出水氨氮濃度范圍為2.31～6.45 mg/L。與CODcr去污情況相同的是，有擋板的情況下，在同樣的水力負荷的條件下，出水水質明顯好于無擋板情況。有擋板時，氨氮平均去除率為68.6%，無擋板時，氨氮平均去除率為49.8%。

圖4 系統不同采樣點出水氨氮濃度情況Fig. 4 The ammonia nitrogen concentration of eff l uent in different sampling points

而無擋板裝置的處理效果均低于有擋板裝置，可能與其水力負荷未受擋板影響而有所減弱，使得無擋板系統的復氧能力能力相對較弱有關。

可見，在同一個人工濕地系統中，好養細菌的硝化反應和厭氧細菌的反硝化反應順利進行，將很大程度上決定出水總氮、氨氮的濃度。通過試驗分析，在人工濕地的設計運行中，可以通過改善系統的進出水方式，如多點、多孔進水，以增加空氣與污水的接觸面積和復氧時間，提高進水中得溶解氧含量；或者增加濕地前曝氣處理系統。另外，適當較為密集的種植植物，利用植物根系可以不斷向濕地環境中釋放氧氣，提供好養微生物良好的生存環境；在選擇濕地植物時，盡量選擇植物根系較發達、具有較強輸氧能力植物類型；提高系統硝化能力，降低總氮，氨氮出水濃度。

2.4 TP的去除效果

圖5為系統不同采樣點出水TP濃度情況。有擋板時，出水TP濃度范圍為0.055～0.185 mg/L，無擋板時，出水TP濃度范圍為0.146～0.421 mg/L。顯然，在同樣的水力負荷的條件下，有擋板時，出水口水質明顯好于無擋板時。這表明，同樣的水力負荷下，增加擋板，改善水流狀態，有利于磷的去除。

圖5 系統不同采樣點出水TP濃度情況Fig. 5 The TP concentration of eff l uent in different sampling points

有擋板時，1號采樣點隨著水力負荷的增加，處理效率明顯降低；當水力負荷為0.1～0.3 m3/(m2·d)時，出水總磷去除率為97.2%～96.3%，當水力負荷為0.4、0.5 m3/(m2·d)時，出水總磷去除率降低為93.2%、90.5%，表明隨著水力負荷提高，總磷去除效果降低。人工濕地中磷去除的主要過程是基質的吸附，其次是植物和微生物的作用。水力負荷為0.1～0.3 m3/(m2·d)時，系統水流狀態變化不大，微生物對磷的吸收、釋放變化不大，基質、植物有足夠多的時間吸附磷，因此，系統對總磷去除率較高。水力負荷增大至0.4、0.5 m3/(m2·d)時，污水的流速加大，實際上減少了系統的水力停留時間，從而造成TP去除率下降。

無擋板時，當水力負荷為0.1 m3/(m2·d)時，出水總磷濃度與有擋板基本相當；當水力負荷為0.2～0.5 m3/(m2·d)時，出水總磷濃度明顯高于有擋板狀況。同樣表明，擋板的設置，相當于降低了整個系統的水力負荷，即延長了水力停留時間，也使水流狀態發生了一定的改變，從而造成有擋板裝置的處理效率的提高。

2.5 溶解性磷酸鹽的去除效果

圖6為系統不同采樣點出水溶解性磷酸鹽濃度情況。有擋板時，出水溶解性磷酸鹽濃度范圍為0.046～0.104 mg/L，無擋板時，出水溶解性磷酸鹽濃度范圍分別為0.049～0.381 mg/L。

圖6 系統不同采樣點出水溶解性磷酸鹽濃度情況Fig. 6 The water soluble phosphate concentration of eff l uent in different sampling points

在有擋板存在的情況下，溶解性磷酸鹽的變化趨勢與TP基本相同。去除擋板后，溶解性磷酸鹽的變化趨勢與TP稍有不同。當水力負荷為0.1～0.3 m3/(m2·d)時，出水口總磷濃度提高；當水力負荷為0.3～0.4 m3/(m2·d)時，出水口總磷濃度逐漸下降，而當水力負荷為0.4～0.5 m3/(m2·d)時，出水口總磷濃度再次變大。污水中，磷都以可溶性磷酸鹽的形式存在，從實驗結果中，也可以看出，采樣口、出水口采集的水也主要以溶解性磷酸鹽存在。

3 結論與建議

（1）在同樣的水力負荷的條件下，相同的人工濕地處理裝置，若增加擋板，可相對降低水力負荷，從而延長水力停留時間，提高系統的去除率。

（2）在水力負荷較低的情況下，如0.1、0.2 m3/(m2·d)時，設置擋板的人工濕地處理系統，容易產生死水區。隨著水力負荷的提高，水流逐漸呈推流狀態，床體內死水區域得到改善。對于無擋板的系統，污染物質含量在床體內逐步降低，沒有明顯的死水區域。

（3）試驗結果表明，在相同的水力負荷下，增加擋板后，人工濕地系統的床體內的氧分布與含量得到適當改善，有利于營造良好的微生物生長環境，使硝化、反硝化反應順利進行；同時水力停留時間增加，適當的引導、改變污染水體流態，COD、TN、氨氮去除效果都得到提高，尤其是對TN、氨氮去除效率影響更為明顯。

（4）本研究結果對于已有人工濕地處理效果的改善，以及條件受限的人工濕地系統的設計將具有一定的參考作用。

（5）裝置在高水力負荷、高濃度廢水或者沖擊負荷下的去除效果，以及不同水力負荷條件下，水平與垂直布水、集水方式等其它水力條件改變情況下的處理效果有待進一步研究。

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Preliminary study of setting baff l e in constructed wetland system

KONG Qing-ling, LI Ke-lin, FENG Chong-ling, WANG Ping
(Institute of Environmental Science and Engineering Research, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

It has been investigated that how the treatment effect was under the same device which has baff l e or not through a constructed wetland treatment system. The results show that the baffle could effectively improve the removal rate under the condition of same hydraulic loading [0.1 m3/(m2·h) ～ 0.5 m3/(m2·h)]. But the system of setting baff l e, when hydraulic loading was 0.1 or 0.2 m3/(m2·h),easily produced a stagnant water. The situation could be improved with increased hydraulic loading. The studying results have some reference signif i cance to application of constructed wetland treatment system.

constructed wetlands; baff l e; treatment effect

S719

A

1673-923X(2012)12-0051-06

2012-06-13

國家環保公益專項“長株潭礦區污染控制與生態修復技術研究”(200909066); 國家林業局科技推廣項目（濕地技術在重金屬污染區植被修復中的推廣應用[2010]43號）

孔慶玲（1987-），女，安徽滁州人，碩士，主要研究方向為水污染控制工程

[本文編校：吳 彬]