不同布水方式下人工濕地冬季低溫污水凈化研究

【摘要】本文研究了北方城市人工濕地冬季低溫污水凈化效果，比較不同布水方式下污染物的去除率，結(jié)果表明，水溫低于12℃時(shí)，垂直上（下）行流對(duì)COD去除效果相近，高于潛流濕地；潛流濕地TN去除率高于垂直上（下）行流，上行布水好于下行布水；垂直上行流TP去除率高于垂直下行流及潛流濕地；硝化作用受到抑制，三濕地出水NH3-N濃度均大于進(jìn)水。

【關(guān)鍵詞】人工濕地；北方城市；冬季低溫；布水方式

引言

人工濕地處理污水具有出水水質(zhì)好和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)溫度低于12℃時(shí)，濕地植物出現(xiàn)休眠現(xiàn)象，微生物代謝減緩甚至停止，導(dǎo)致濕地處理效率大幅度下降。研究表明，污水從濕地表面垂向流過(guò)填料床的底部或從底部垂直向上流進(jìn)表面，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過(guò)大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)入人工濕地。垂直流的硝化能力高于水平潛流，用于處理氨氮濃度較高的污水更具優(yōu)勢(shì)；污水從一端水平流過(guò)填料的潛流人工濕地的水力負(fù)荷高，對(duì)BOD、COD、SS、重金屬等污染物的去處效果好，且很少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象。本文通過(guò)研究垂直上（下）行流、潛流不同布水方式人工濕地的冬季運(yùn)行情況，不同污染物去除機(jī)理，分析存在問(wèn)題，探討我國(guó)北方城市人工濕地冬季運(yùn)行的試用技術(shù)，提出管理依據(jù)。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置。試驗(yàn)用PVC板槽模擬不同水流形式人工濕地，規(guī)格為3.8m×1.8m×1.0m。設(shè)置隔板將PVC板槽均分為四個(gè)濕地處理單元（1#-4#），在每個(gè)單元兩端由擋板將濕地床分為進(jìn)水槽、濕地床和出水槽3個(gè)部分，濕地床內(nèi)放置粒徑均勻的碎石、細(xì)石、活性污泥等基質(zhì)，移植根系發(fā)達(dá)的蘆葦。其中濕地床1#-2#為垂直下（上）行系統(tǒng)，槽中垂直設(shè)置4根DN80mmPVC開孔管水管平行布置高于濕地單元和其底部；3#-4#均為潛流濕地處理系統(tǒng)，進(jìn)水槽與濕地單元之間的隔板為開孔板由一側(cè)均勻開孔的進(jìn)水槽入水。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料。采用2.0-3.5cm的粗碎石分層均勻裝填各濕地處理單元，填充高度為70cm，在每個(gè)濕地單元內(nèi)種植生物量相當(dāng)?shù)奶J葦、黃花鳶尾及香蒲苗作為濕地植物，加10cm厚的細(xì)碎石覆蓋層，保持碎石床濕潤(rùn)，待植物扎根生長(zhǎng)后；將污泥溶液計(jì)量流入人工濕地板槽，緩慢升高水位，形成富營(yíng)養(yǎng)化溶液育碎石床生物膜。

1.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及分析。按照城鎮(zhèn)污水處理（GB18918-2002）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)人工配水，加藥曝氣攪拌均勻后，停止曝氣，測(cè)定其中COD為40-60mg/L、TP為1.6-2.6mg/L及NH3-N為0.4-0.9mg/L，TN為3.3-5.3mg/L。經(jīng)高壓泵用浮子流量計(jì)（LZB-15S）計(jì)量進(jìn)水流量直接流入垂直下行流（1#濕地）、上行流（2#濕地）及潛流（3#濕地），測(cè)定出水COD、TN、TP及NH3-N含量。

1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。研究不同布水方式對(duì)人工濕地凈化效果的影響，選取1#垂直下行、2#垂直上行、潛流3#人采用300mm/d水力負(fù)荷，試驗(yàn)時(shí)間為11-2月，濕地內(nèi)部水溫為6.8-10℃，對(duì)比不同布水方式下人工濕地的污染物去除率，為后續(xù)試驗(yàn)研究提供參考依據(jù)。

2、結(jié)果與討論

2.1 冬季低溫污水COD去除效果。COD是水體耗氧有機(jī)污染物的綜合指標(biāo)，用來(lái)指示水體中有機(jī)物的含量。不同布水方式下人工濕地COD的去除率均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)（圖1），變化趨勢(shì)相似，這主要是因?yàn)闈竦卦跍囟容^低時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，碎石床基質(zhì)中的微生物活性不高，植物根系未完全深入基質(zhì)。但整體看來(lái)，垂直下行流（1#濕地）、上行流（2#濕地）對(duì)COD去除效果相近，分別為26.5-63.3%及19.3-63.0%，高于潛流濕地的COD去除率15.0-49.0%；不同布水方式對(duì)濕地COD去除效果有一定影響。

2.2 冬季低溫污水TN去除效果。由圖2可以看出，各濕地TN去除效果呈平穩(wěn)上升的趨勢(shì)至12月5日，垂直下、上行流TN去除率分別由14.3%和12.6%升高至20.16%和33.14%，潛流濕地亦TN去除率在此期間由22.3%升至29.0%；之后由于降溫，進(jìn)水溫度降低而微生物作用微弱，TN去除率均出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，三種布水方式下TN去除率依次降為7.1%、5.1%及5.2%。總體看來(lái)，在試驗(yàn)期內(nèi)，潛流濕地TN去除效果好于垂直上、下行流，上行布水好于下行布水。

2.3 冬季低溫污水NH3-N去除效果。實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，濕地內(nèi)部水溫降至12℃以下（圖3），在6.2-8.5℃的溫度區(qū)間，而溫度對(duì)濕地硝化作用的影響非常顯著，低溫時(shí)硝化作用受到較大的抑制，由于死亡植物、微生物體等的釋放，系統(tǒng)出水會(huì)有一個(gè)銨根的凈產(chǎn)量，出現(xiàn)出水氨氮濃度大于進(jìn)水的情況。

2.4 冬季低溫污水TP去除效果。不同布水方式對(duì)濕地TP的去除影響規(guī)律明顯（圖4），與TN相似，各濕地TP去除率層顯上升后下降的趨勢(shì)，垂直上行流12月3日前TP去除率在12.3-42.4%，高于垂直下行流濕地23.9-27.9%，以及潛流濕地16.3-28.1；之后三濕地TP 去除率依次下降為16.8%、3.4%和6.8%。

3、結(jié)論與探討

3.1 文獻(xiàn)表明濕地的處理效果一般要在濕地植物生長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行1-2年以上，本研究引入活性污泥育人工濕地碎石床，模擬成熟狀態(tài)下的濕地。濕地單元污染物COD去除率在30-60%之間，隨溫度上升有一定增高趨勢(shì)；氨氮在濕地的反增加在其它人工濕地冬季運(yùn)行案例中亦見到，植物的生長(zhǎng)及在水流中的途徑DO含量是重要影響因素。

3.2 垂直下行流濕地（1#）布水管在碎石床表面上，存在衛(wèi)生隱患及冬季運(yùn)行難的問(wèn)題，植物長(zhǎng)勢(shì)明顯劣于其它；垂直上行流（2#）濕地在1月21日時(shí)，進(jìn)水管堵塞，曝氣反沖洗后前端仍無(wú)氣泡，如果繼續(xù)由此管布水即會(huì)引起水流短路，將最低部取樣管改為布水管，同時(shí)增加曝氣反沖端。分析認(rèn)為，如采用垂直流，上行流較衛(wèi)生，同時(shí)冬季可以采取升水位結(jié)冰保溫的措施，需設(shè)曝氣設(shè)備；潛流從衛(wèi)生及堵塞來(lái)看優(yōu)于垂直流，對(duì)冬季去除率也有一定的保證。

3.3 我國(guó)大部分人工濕地工程都在南方，北方的應(yīng)用較少，這主要是因?yàn)闈竦貎艋|(zhì)的過(guò)程中，對(duì)SS的去除效果在90%以上，隨著時(shí)間推移，濕地中部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸積累，加上植物的腐敗，維護(hù)不當(dāng)，很容易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象；同時(shí)，微生物及水生植物對(duì)水體中污染物的吸收和降解起到關(guān)鍵的作用，二者受溫度影響極大。因此，濕地技術(shù)在北方大面積推廣使用需要強(qiáng)的預(yù)處理，在預(yù)處理階段將困擾濕地的運(yùn)行效果的堵塞和有機(jī)負(fù)荷（包括氮負(fù)荷）極大的降低。

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