組合式垂直流人工濕地工藝及其污水處理效果

王 昀

（南京理工大學，南京 210000）

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為組合式垂直流人工濕地，其主要由三個垂直流人工濕地構建而成。將試驗材料放入開放環境中。組合式垂直流人工濕地總共分為三個級別，其長、寬、高均為0.5 m，填充深度為0.45 m；而一級填料為沸石（1～2 cm）、二級填料為石英砂（0.8～1.6 cm）、三級填料為陶粒（0.4～0.8 cm），濕地植物可栽種美人蕉、千屈菜、鳶尾，種植方式為20株/m。兩級填料的表面高度差為0.25 m，主要是將系統內的水體重力流形式進行維系。水流方向有三種：下向流、上向流、下向流。

1.2 系統運行

本次試驗用水主要是生活污水，其主要取自南京市仙林污水處理廠，水質情況：進水溫度（22.4±3.6）℃，溶解氧（0.1±0.1）mg/L、化學需氧量（128.6±37.4）mg/L、總氮（38.9±9.2）mg/L、氨氮（32.5±5.2）mg/L、硝氮（0.6±0.2）mg/L、亞硝氮（0.O1±0.01）mg/L、總磷（4.5±0.7）mg/L、磷酸（3.1±4.4）mg/L。水力負荷為10 cm/d，運行方式采用間斷性進水，每運行1 h需要間隔1 h，每一級停留時間在12 h左右。采用蠕動泵為進水提供動力支持。試驗系統可穩定運行12個月后便可進行試驗。

1.3 樣品采集及測試

樣品采集的為進水、三個級別的出水，樣品采集的頻率為每周1次。需要檢測的指標有：溫度（T）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、亞硝氮（NO2--N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43--P）、總磷（TP）等。對于溫度、溶解度進行在線檢測；通過DRB200、DR2800對化學需氧量進行檢測；通過標準方法對相關的物質進行檢測。

1.4 統計學處理方法

污染物質的清除率采用的公式為：清除率=（1-C進/C出）×100%；質量清除速率采用的公式為：質量清除速率 =（C進V進-C出V出）/（S·HRT）。

降解常數k在Kadlec、Knight基礎上的清除速率使用的公式為：

式中，HLR為水力負荷率，m/a；HRT為水利停留時間，d；C進為進水濃度、C出為出水濃度，mg/L；V進為進水體積；V出為出水體積，m3；S為人工濕度面積，m2。

對于數據的分析使用SPSS22.0統計學軟件進行處理，應用X2對各組數據進行檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果與討論

2.1 運行中系統內溫度、溶解氧變化

在試驗過程中，系統進水溫度與各級出水溫度無明顯差異，隨著試驗的開展氣溫有所降低，如圖1所示。試驗材料處于敞開環境，所以其會受到外界氣溫的影響。系統各級出水溶解氧的濃度相比于進水溶解氧的濃度更高，可見系統具備較高的充氧能力。第2級溶解氧濃度相比于其他進、出水溶解氧濃度更高，且濃度呈現上下浮動的情況，此種情況與環境溫度及第2級填料表面的自然復氧可能有關[1]。

圖1 系統運行中溫度的變化

2.2 對污水中化學需氧量的清除效果

在進水COD濃度出現較大波動時，系統對COD有著相對穩定的清除效果，各級出水COD濃度無較大差異，可見在第1級便開始COD的清除，如圖2所示。人工濕地中的有機物可通過微生物在厭氧或有氧條件下利用有機物的新陳代謝來清除，濕地主要通過自然擴散及植物根莖泌氧來構建有氧環境。在第1級系統進水COD通過微生物吸收代謝、填料截留、植物根莖截留來獲得較高的清除率，第2級、第3級也能將殘余的COD進行清除，最終系統的總清除率將超過90%。

圖2 系統運行中溶解氧的變化

2.3 對生活污水中氮的清除效果

組合式垂直流人工濕地能夠將污水中總氮進行有效的清除，且在第1級變呈現出較高的清除效果，如圖3所示。在進水中呈現出多樣化的氮形態，其主要呈現氨氮形式及少量其他態氮、硝氮、亞硝氮。通過系統處理后氨氮的分量便會不斷降低，由進水份額83.5%降低出水份額32%；且亞硝胺的分量不斷升高，由進水份額1.5%升高到出水份額67.4%。系統中氮形態出現變化的致因為：人工濕地對于氮的清除極為煩瑣，主要有揮發作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、植物吸收、厭氧氨氧化等，一系列的反應促使氮在系統中呈現出各種形態[2]。以上系統中氮形態的變化證實系統內部存在的異養菌具有氨化作用、硝化作用，這些微生物能夠將TN中的有機氮轉化為氨氮后再轉化為硝態氮。相關研究顯示，垂直流人工濕地中有著大量且多樣的微生物菌群，主要有變形菌門、厚壁菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門。而在第1級主要進行其他態氮的清除，相應的氨氮不斷降低，在第3級亞硝氮會不斷上升，證實第1級主要進行氨化反應，第1級、第3級也同時進行硝化反應。由于硝化反應需要消耗大量的氧氣，所以促使第1、3級出水中DO濃度相比于第2級更低。

2.4 對生活污水中磷的清除效果

在組合式垂直流人工濕地系統中，TP是逐漸減少的。在系統整個運行過程中，組合式垂直流人工濕地對TP有著穩定的請粗效果，其中第1級清除率約27%、第2級清除率約30%、第3級清除率約44%，如圖4所示。對于磷的清除主要通過顆粒態磷的沉淀、截留等，異養菌會將顆粒態磷中的有機磷轉化為無機態的磷酸鹽，在此其中部分磷將與鈣、鎂等金屬離子或水合物發生反應而出現沉淀現象，而沒有發生沉淀的磷酸鹽就會進入水體中，促使水體中的磷酸鹽濃度上升。在組合式垂直流人工濕地的第1級、第2級將會進行少部分正磷酸鹽的清除，第2級、第3級出水的磷酸鹽濃度沒有發生明顯的變化，其主要原因就是磷在系統中發生反應將有機磷轉化為無機磷，經過人工濕地工藝處理后，獲得的出水的磷酸鹽/總磷約69%，獲得的出水的磷酸鹽/總磷約92%。然而系統的第3級填料對于正磷酸鹽的清除效果極為顯著，最終獲得的出水濃度為（2.34±0.4）mg/L。

圖3 總氮的清除效果

圖4 總磷的清除效果

3 結語

近年來，節能減排一直都是國家開展環保工作的一項重要舉措，尤其為了保護稀缺的淡水資源，就要對污水實施科學、規范的處理。農業面源污染危害較大，我國農村約96%的生活污水未經任何處理便排到水源中，對水源造成嚴重污染。當前，組合式垂直流人工濕地工藝能夠將復雜環境中的污染源進行有效的清除。