污染河水的人工濕地凈化特性分析

趙 錦

（錦州市凌河保護區管理局，遼寧 錦州 121000）

人口增長和經濟發展不僅加劇了水資源消耗，同時也帶來嚴重的水資源污染問題。我國每年排放的污水總量已經達到數百億噸，超過1/3的河流處于中度和重度污染狀態。河流水體污染直接導致城市水環境不斷惡化，限制了社會經濟的進一步發展。采用人工濕地等生態凈化方法，可以有效實現污染河水治理，改善城市水環境。人工濕地的凈化作用較為復雜，包括物理作用、化學作用和生物作用等，有必要結合目前使用的幾種人工濕地凈化方式，探討其具體的凈化效果和凈化作用。

1 人工濕地凈化技術概述

人工濕地是利用其內部水體、基質、微生物和植物之間的復雜作用，實現污水治理的一種生態凈化技術。具體包括物理凈化作用、化學凈化作用和生物凈化作用等，能夠去除污染河水中的有機物、營養物和懸浮物。人工濕地有多種運行方式，但目前關于人工濕地的研究主要表現在垂直流-水平流復合形式方面，而對于兩級垂直流復合形式的研究較少，更缺乏對其污染河水凈化作用的研究。另外，對垂直流間歇運行方式的參數研究也未形成統一結論，主要結合污水水質特點和地區氣候條件進行分析[1]。

研究發現，采用復合形式的人工濕地可以有效強化人工濕地的污染河水治理效果，充分發揮其內部要素功能。比如，采用多級潮汐流人工濕地可以提高人工濕地對污染河水總氮的去除效果，總氮去除率可以達到85%。有學者構建了垂直潛流-水平潛流-水平表流的負荷人工濕地系統，使其氨氮、TSS（總懸浮固體）、BOD5（生化需氧量）的去除效果得到提升。因此，有必要對不同組合形式的人工濕地系統進行分析，通過采用最佳的組合形勢，提升人工濕地凈化能力，達到污染河水治理目標。

2 人工濕地對污染河水的凈化試驗

2.1 試驗準備

本次試驗構建了一個兩級垂直流人工濕地系統，在該系統內，對兩級垂直流人工濕地構造方式進行相同設置，尺寸規格均為0.55 m×0.55 m×0.80 m，機制厚度為55 cm，粒徑分布設置為5～30 mm，孔隙率為50%。一級垂直流人工濕地設置為間歇運行方式，即潮汐流人工濕地，采用河邊礫石作為濕地基質。二級垂直流人工濕地設置為連續運行方式，采用具有強磷吸附能力的爐渣作為濕地基質。在兩級人工濕地中種植的植物均為蘆葦，種植密度設置為13株/m2。在該復合系統中，一級人工濕地采用瞬間進水、出水的方式運行，干濕周期各為1 d，出水直接進入二級人工濕地。二級人工濕地則采用連續運行方式，水力負荷對應設置為0.5 m/d。對兩級人工濕地水位的設計均低于基質表面5 cm，且濕地內種植的蘆葦植物均在9月末進行收割，保留植物根部和基質表面10 cm之上的莖稈[2]。

2.2 試驗水質

本次試驗采用小凌河水樣，該河流為城市主要納污河道，存在較為嚴重的水質污染問題，其水質接近生活污水。在上述濕地系統中，進水的主要污染年平均值范圍如下：化學需氧量（COD）為（221.3±15.0）mg/L；BOD5（49.6±4.2）mg/L；總磷（TP）為（3.4±0.2）mg/L；固體懸浮物（SS）為（196.8±15.5）mg/L；（5）氨氮（NH3-N）為（29.9±1.6）mg/L；總氮（TN）為（18.1±0.8）mg/L。數據結果顯示，皂河水質的污染狀況所有改善，但有機物和營養物濃度較高，仍屬于重度污染河道[3]。

2.3 試驗方法

本次試驗的取樣周期為每周一次，分別從兩級人工濕地單元中進行取樣分析，包括進水水樣和出水水樣。采用哈希算法測定TN、NH3-N、COD等污染物含量。在蘆葦收割后，測量收割后的濕地植物干重，利用H2SO4-H2O2消解法對植物組織內的氮磷含量進行分析。同時，采用SPSS等軟件輔助數據統計和分析[4]。

3 人工濕地凈化效果及凈化特性分析

3.1 BOD5、COD和SS凈化特性分析

上述構建的兩級垂直流人工濕地系統對污染河水中BOD5、COD和SS的去除效果為：（1）進水取樣的BOD5濃度為49.58 mg/L，COD濃度為221.28 mg/L，SS濃度為196.77 mg/L；（2）經過一級垂直流濕地后，BOD5去除率為84.10%，COD去除率為79.00%，SS去除率為92.00%；（3）經過二級垂直流濕地后，BOD5去除率達到94.70%，COD去除率達到84.10%，SS去除率達到98.70%。從試驗結果可以看出，在該復合人工濕地系統中，一級濕地對BOD5、COD和SS的去除效果較為顯著，去除率可以達到90%，而經過二級潛流濕地單元，能夠進一步強化對BOD5、COD和SS的去除效果，去除率提升接近10%。這說明不同進水方式的組合可以提高人工濕地系統對污染河水中有機物、懸浮物的去除能力。

通過對該系統的長期取樣觀察，可以得出BOD5的年平均值為（2.7±0.2）mg/L，去除率為94.7%；COD的年平均值為（2.7±0.2）mg/L，去除率為85.6%；SS的年平均值為（2.5±0.5）mg/L，去除率為98.7%。去除效果較為穩定，而且不具有明顯季節差異性（p＜0.05）。這充分體現了人工濕地用于河水污染治理的優勢，兩級垂直流濕地系統更強化了其物理凈化能力，能夠有效降低河水污染物濃度，獲得較好的BOD5、COD和SS的去除效果。

3.2 磷凈化特性分析

通過對兩級垂直流人工濕地系統中的進出水進行取樣，觀察磷含量變化情況，人們可以得出該系統對污染河水中磷的去除效果。試驗結果顯示，經過一級人工濕地，溶解性磷的去除率可以達到48.00%，懸浮態磷的去除率可以達到67.70%。經過二級人工濕地，溶解性磷的去除率可以達到81.30%，懸浮態磷的去除率可以達到89.20%。由于進水中懸浮物濃度較高，因此進水磷中54.9%為懸浮態磷，通過發揮一級濕地的過濾和吸附作用，對懸浮態磷的去除率可以達到67.70%，同時能夠去除48.00%的溶解態磷。二級濕地去除磷的效果非常顯著，這主要是由于二級濕地的基質吸附作用和植物吸收作用。

通過對比不難發現，兩級垂直流人工濕地系統的磷去除效果高于潮汐-水平流人工濕地系統。該濕地系統的磷去除效果也未表現出顯著的季節性波動，磷去除效果較為穩定。其中，本次試驗采用的具有強磷吸附作用的爐渣基質也發揮出了重要作用，進一步強化了人工濕地的磷過濾和磷吸附能力。

3.3 氮凈化特性分析

通過對兩級垂直流人工濕地系統的進、出水氮含量變化情況進行觀測，人們可以得出兩級垂直流人工濕地系統對污染河水中氮的去除效果。試驗結果顯示，經過一級人工濕地，氨氮去除率可以達到53.30%，有機氮去除率可以達到64.40%。經過二級人工濕地，氨氮去除率可以達到87.70%，有機氮去除率可以達到88.00%。進水中的氮主要以氨氮和有機氮的形式存在，分別占到60.5%和36.7%，兩級垂直流人工濕地系統對兩種形式的氮均有較好的去除效果，而且間歇運輸方式能夠有效提高氨氮去除效果，降低后續濕地有機負荷，提升微生物硝化作用以及植物吸收去除能力。從氨氮和有機氮的年平均值和去除率情況來看，兩級垂直流系統的氨氮年平均值為（2.2±0.4）mg/L，去除率為87.7%；有機氮的年平均值為（7.7±0.8）mg/L，去除率為74.1%。而相關學者對潮汐流-水平潛流復合形勢的研究結果顯示，其氨氮去除率為19.5%，有機氮去除率為10.3%，遠不如兩級垂直流系統的去除效果。

通過比較可以得出，兩級垂直流復合系統的總氮去除效果更好，可以對污染河水中的氨氮和有機氮進行有效去除。人工濕地的氮去除原理主要是依靠微生物的降解作用和植物的吸收作用。在微生物的降解過程中，主要表現為好氧和厭氧過程，間歇運行的人工濕地系統能夠更好地維持好氧環境，水平流人工濕地系統則主要為厭氧環境。因此，優化垂直流復合系統的間歇運行周期，可以改善其內部氧化條件，從而提高人工濕地凈化效果。在本次設計的兩級垂直流人工濕地系統中，不同濕地單元形成了利于脫氮的好氧和厭氧環境，是脫氮率提升的主要原因。但其脫氮效果受溫度影響較為顯著，具有較為顯著的季節波動性，在低溫時脫氮率明顯下降。

3.4 植物凈化作用分析

關于植物凈化作用的分析，主要通過對收割后植物干重以及植物組織氮、磷含量的計算得出。試驗結果表明，在一級垂直流人工濕地中，植物對于氮的去除貢獻率為10.9%，對磷的去除貢獻率為5.6%；在二級人工濕地中，植物對于氮的去除貢獻率為19.8%，對磷的去除貢獻率為17.9%。由此可以看出，該系統中的蘆葦植物相比于潮汐流和連續流濕地表現出更加顯著的氮磷吸收作用，采取連續運行方式的垂直流人工濕地更有利植物生長。此外還可以看出，在一級濕地中植物對氮的去除貢獻率明顯高于對磷的去除貢獻率，而在二級濕地中差異顯著縮小，這主要是由于污染物形態的改變，為植物提供了更好的去除環境。

4 結語

人工濕地是凈化污染河水的有效方法，采用不同的復合形式，可以獲得不同的凈化效果。通過對兩級垂直流人工濕地的有機物、懸浮物、氮、磷以及植物凈化特性進行分析，人們可以總結出提高人工濕地凈化效果的具體方法，從而更好地實現污染河水治理目標。

參考文獻

1 熊家晴，段 然，鄭于聰，等.不同形式復合人工濕地對污染河水的凈化差異研究[J].工業水處理，2017，37（10）：27-30.

2 熊家晴，黃文平，鄭于聰，等.潮汐-連續流組合人工濕地對污染河水的凈化特性[J].工業水處理，2017，37（7）：26-30.

3 段 然.不同形式表流-潛流人工濕地對污染河水的凈化效果差異[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

4 葛 媛.潛流人工濕地中的基質作用及污染物去除機理研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.