復合垂直流人工濕地系統中污染物磷的去除規律研究

范英宏，洪蔚，林世華，侯世全

(1.中國鐵道科學研究院節能環保勞衛研究所，北京 100081; 2.北京中鐵科節能環保新技術有限公司，北京 100081)

1 概述

磷是引起水體富營養化的重要因素之一，而人工濕地污水處理技術由于具有處理效果好、氮磷去除能力強、管理方便、費用低及對負荷變化適應性強等優點［1－3］，正逐漸被應用于污水處理中。人工濕地系統除磷的機理包括物理的、化學的和生物等各方面的因素。在這些因素包括的所有反應中，有的除磷反應過程相當短，50 h之內便可完成，而有的除磷反應過程可能會持續很久，甚至超過50 d［4，5］。大部分的研究發現，人工濕地系統主要依賴基質的物理吸附和化學沉降去除污水中的磷［6，7］。物理因素主要是濕地基質的吸附和截留作用，而化學因素主要包括沉淀作用、離子交換、及與某些金屬離子結合成不溶性的化合物或形成絡合物［8］。人工濕地系統除磷的生物因素主要是通過植物同化吸收，關于濕地植物的研究開展的比較多［9］。相關研究表明美人蕉、香蒲和千屈菜等植物有很高的耐污能力和很好的除磷效率［10］。但也有很多研究表明，人工濕地中部分植物吸收對磷的去除貢獻很小，約占5% ～10%［11］。但濕地植物龐大的根系能和填料表面一起形成特殊的生物膜結構，對污染物的過濾、吸附、吸收、轉化等有相當重要的作用［12］，有研究發現，通過收獲，使植物保持持續生長的狀態，濕地植物和微生物可去除高達75%的磷。盡管微生物在濕地除磷過程中發揮著重要作用，但研究發現磷的去除效果與基質微生物的數量不具有顯著相關性［13］。一般來說，人工濕地系統水力負荷如果過大，系統除磷的能力將會隨之下降［14－15］。溫度也是影響磷去除效果的因素，大多研究表明，溫度較高的氣候條件能夠提高磷的去除效率，但是也有研究認為，濕地的去除磷的能力受溫度變化的影響較小［16－17］。不同構造人工濕地系統甚至是相同構造的人工濕地系統由于其所選擇的填料、植物以及運行條件的不同，導致它們對磷的去除效率相差很大，有些濕地磷去除率高達90%以上［18－19］，而有的研究中人工濕地系統的除磷能力很低甚至無法監測出［20］。本研究采用復合垂直流人工濕地進行生活污水處理試驗，探討濕地系統對污染物磷的去除規律，以期為實際工程提供依據與參考。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

試驗系統整體尺寸為3.0 m×1.5 m×0.65 m，每個床體的上下行池的表面積均分隔成兩個1.5 m×1.5 m，下行池深為650 mm，上行池深為600 mm，兩池中間設有隔墻，底部連通。系統進水采用DN50 mm穿孔管布水，出水采用側孔出水。濕地床體基質選用礫石為主，濕地系統種黃菖蒲。系統剖面圖如圖1所示，下行池側面從上到下設4個采樣口，上行池側面從下到上設4個采樣口，共8個采樣口。

圖1 復合垂直流人工濕地剖面圖

2.2 試驗方法

將北京市懷柔區某廠生活污水抽至2 m3的蓄水池，運行方式為連續流，控制進水流量為0.2～1.0 m3/d，水力負荷為44～222 mm/d。從8月18至12月15日連續進4個月的試驗，定期取水樣測定溫度、溶解氧和TP等指標。

3 結果與討論

3.1 復合垂直流濕地中總磷的沿程變化

11月份在水力負荷67 mm/d的條件下，對濕地進行了采樣分析，研究TP在濕地中的沿程變化規律，結果如圖2所示。在下行池，出水中總磷的含量是隨著水流的方向逐漸降低，而且磷的去除在下行池中基本完成，去除率達90%以上。這說明進水中的磷主要在基質填料中不斷地被去除，因為有研究表明，濕地內部的生物量的增長去除磷并不是復合垂直流人工濕地除磷的主要機理。復合垂直流人工濕地基質中的磷的積累主要是鐵磷和鈣磷的積累，這也和以往的研究中發現的磷與鈣、鐵離子親和力更強一致［18］。而且也有研究表明，礫石對磷的吸附能力比較強［21］。而在上行池中，出水中總磷有上升趨勢，但不如有關研究結果明顯，這說明上行池中的磷不斷析出到水流中，上行池出現了磷的釋放現象［22－24］。

圖2 TP濃度及去除率沿程變化

上行流濕地單元并非是基質含磷最多的單元，但是由于進水在從下行池流向上行池時，內部的磷已經達到了相當程度的凈化，因此進入到上行池的水中磷的含量已經很低，故當流經富集較多基質磷的上行流池時，基質中所含的磷特別是表層基質中含的的磷便被沖刷下來。由此可推出，當復合垂直流人工濕地在長時間運行至出現磷釋放后，上行流單元是導致磷釋放現象產生的根源。因此，當復合垂直流人工濕地除磷效率下降時，如果需要對人工濕地系統進行維護更新基質，應當首先考慮更換上行流人工濕地系統的基質，可以最為有效地改善復合垂直流人工濕地系統除磷效率下降的現象。

3.2 不同水力負荷下總磷去除效果

由圖3可知，隨著水力負荷的降低，TP的去除效果明顯呈增加趨勢，這與有關研究結果也比較一致。但是水力負荷為222 mm/d的條件下TP的去除率卻略高于水力負荷為111 mm/d的去除率，這可能是因為基質對磷的吸附在人工濕地系統運行的初始階段很快，對磷的去除效果比較好，隨著基質結合位點的飽和，基質對磷吸附的速率越來越慢［21］。復合垂直流人工濕地對總磷的去除效果比較好，在水力負荷為222 mm/d條件下還高達80%，而且相關研究結果表明，復合垂直流人工濕地在600、800、1 000 mm/d的水力負荷下對總磷的去除率分別為 46.13%、59.51%、51.60%。由此可見，復合垂直流人工濕地是高負荷的人工濕地系統。

圖3 不同水力負荷條件下TP的去除效果

3.3 溫度對總磷去除效果的影響

普遍認為，當水溫低于15℃植物和細菌活性較低，而高于26℃植物和細菌活性下降。由圖2和圖3可知，在氣候寒冷的11月、12月，復合垂直流人工濕地系統水溫為10℃左右，系統對總磷的凈化效率仍90%以上。這說明復合垂直流人工濕地去除磷的效果受氣溫的影響很小，這與Christos的研究一致［25－26］。可能是濕地系統中受溫度影響的生物作用在濕地除磷的過程中的貢獻過小，不足以影響整個系統的除磷效率。也可能是由于復合垂直流人工濕地對低溫的耐受能力比較強，使其特別適合在北方地區應用。

3.4 溶解氧對TP去除效果的影響

由圖4可知，在復合垂直流人工濕地系統中，TP的去除率與進水溶解氧濃度相關性不顯著，這與相關研究結果比較一致［27］，可能是濕地系統中TP的去除更多地是有賴于基質的吸附和化學沉淀。

4 結論

(1)試驗結果表明，復合垂直流人工濕地對污染物磷的去除效果較好。在水力負荷為222 mm/d的條件下，總磷的去除率為80%以上，而且總磷的去除效果隨著水力負荷的降低而增加，在水力負荷為66 mm/d條件下可高達90%以上。

圖4 進水溶解氧對污染物去除效果的影響

(2)在復合垂直流人工濕地中總磷的去除主要發生在下行流池中，而在上行流池中存在磷的釋放現象，這是由于進水中的磷在下行池已得到相當程度的凈化，故當流經富集較多基質磷的上行流池中時，基質中所含的磷特別是表層基質中含的磷便被沖刷下來，從而造成磷的釋放。

(3)研究結果表明，溫度對復合垂直流人工濕地系統磷的效果影響很小。在11、12月份，復合垂直流人工濕地對磷的去除效果仍可高達90%以上。同樣，進水溶解氧濃度與系統磷的去除率直接相關性不顯著。

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