階梯型導流生態擋墻對生活污水的凈化作用研究

徐恩兵

摘要 為對現有的河道護岸形式進行技術改進，形成一種穩固性好、生態性強、景觀效果良好并可防治河道兩岸面源污染的護岸結構，利用小型自然造孔水平潛流人工濕地及集水沉淀槽為主要結構，采用兩級階梯型布置形式，同時輔以相應的景觀挺水植物、礦物石料，對生活污水進行處理研究。結果表明：系統穩定運行后的COD Cr去除率在70%以上，處理效果良好，且系統運行穩定性較好，未出現較大的波動情況。系統對NH 4+-N的去除效果受進水濃度變化的影響較小，去除率穩定性好，尤其在系統運行50 d后系統出水NH 4+-N濃度均低于11 mg/L，NH 4+-N的平均去除率為55.94%。系統對TP的去除效果受進水TP濃度波動的影響較小，尤其在系統運行40 d后TP的去除率在70%以上，TP的平均去除率為60.43%。系統對SS的去除效果不受進水SS濃度變化的影響，SS的平均去除率為7759%。系統通過一系列的結構形成一體化綜合反應區，對污水中的營養物質具有良好的去除效果，兩級梯形的構造形式形成了天然的過流水體跌落差，形成天然復氧效果，活根孔的自然生長交替作用延緩了結構堵塞失效的期限。

關鍵詞 面源污染;人工濕地;去除率;生活污水

中圖分類號 X799.3? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）07-0194-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.046

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Purification of Domestic Sewage by Stepped Backflow Ecological Retaining Wall

XU En-bing

（China Gezhouba Group Eco-environmental Engineering Co.，Ltd.， Wuhan， Hubei 430000）

Abstract In order to improve the existing riverway revetment form and form a new revetment structure that could prevent and control the pollution from non-point source on both sides of riverway， with good stability， strong ecology and good landscape effect， the main structure was a small-scale natural pore-making horizontal subsurface flow constructed wetland and a water-collecting sedimentation tank， which was arranged in a two-step pattern， supplemented by corresponding landscape emergent plants and mineral stone materials， the treatment of domestic sewage was studied. The results showed that the removal rate of COD Cr was more than 70% after the system ran stably， the treatment effect was good， and the system ran stably， and there was no big fluctuation. The removal efficiency of NH 4+-N by the system was less affected by the fluctuation of influent concentration， and the removal rate was stable， especially after 50 days of operation， NH 4+-N concentration in the effluent was lower than 11 mg/L， the average removal rate of NH 4+-N was 55.94%. The removal efficiency of TP was less affected by influent TP concentration’s fluctuation， and the removal rate increased steadily with the extension of operation time. Especially after 40 days operation， the removal rate of TP was over 70%， and the average removal rate of TP was 60.43%. The removal efficiency of SS was not affected by the fluctuation of SS concentration in the influent， and the average removal rate of SS was 77.59%. The integrated reaction zone formed by the system through a series of structures had a good removal effect on the nutrients in the sewage. The two-echelon structure formed a natural drop difference of the over-flow water body and a natural re-oxygenation effect， the natural alternate growth of the living root pore delayed the time limit of the structural plugging failure.

Key words Non-point pollution;Constructed wetland;Removal rate;Domestic sewage

駁岸是河流與陸地系統之間的過渡區域，具有邊緣效應，對河道坡面起到一定的防護作用，現有的護岸往往僅考慮結構的穩固性及少量的生態性，其中生態性部分是以景觀效果為主。然而，來自河道兩邊岸帶的污染排放，如雨水徑流、農業污水排放、生活污水排放等面源污染，無法通過現有的護岸帶結構形式進行前置處理，加劇了河道的污染負荷。

因此，在兼顧穩固性、生態性和景觀性的前提下，如何對現有的河道護岸形式進行技術改進，形成一種穩固性好、生態性強、景觀效果良好并可防治河道兩岸面源徑流污染的護岸結構，是目前環境工程領域亟待解決的問題。

人工濕地是由各粒徑級配組合的人工基質和布設于填料基質上方種植土層的挺水植物及陸生植物組成，污水在基質層的空隙結構中通流，通過包括人工基質多孔隙結構的吸附作用﹑植物根系的吸收及同化作用、微生境中環境微生物的轉化作用等消解過流水體中的污染因子[1-3]。人工濕地技術通過人為調控作用，充分利用濕地植物、基質及微生物的相互作用，以凈化水質為主要目標，同時兼顧維護生物多樣性和美化景觀的作用[4-5]。目前人工濕地技術在流域水污染治理等領域得到了廣泛應用。傳統結構形式的人工濕地的基質填料層由于其固定的空隙組合形式，在運行中后期會出現因細粒物質的沉積而發生堵塞現象，導致濕地系統的通水性能降低，進而影響濕地污染物質的凈化效果，最終致使濕地的使用壽命期降低。濕地堵塞的過程實質上是有效孔隙率降低的過程[6]。

筆者利用小型自然造孔水平潛流人工濕地及集水沉淀槽為主要結構，采用兩級階梯型布置形式，同時輔以相應的景觀挺水植物、礦物石料，對江蘇省南京市秦淮河流域某村鎮的生活污水進行處理研究。

1 材料與方法

1.1 濕地結構

階梯型導流生態擋墻由布設于底基層的集水溝及兩級梯形水平潛流濕地組成，梯形水平潛流濕地由挺水植物層、礦物石料層、種植土層、植物秸稈層1、粗砂層、植物秸稈層2組成。其中，集水溝的底基層為火山灰石和斜發沸石，集水溝深度為0.6 m，底基層厚度為集水溝深度的1/4，集水溝的邊坡坡度為1∶3，底寬為0.4 m;梯形水平潛流濕地的邊坡坡度為1∶2，頂部寬度為0.5 m，兩級高差為0.6 m;挺水植物為蘆葦;礦物石料層為石灰石，鋪設厚度為3 cm;植物秸稈層1及植物秸稈層2分別為玉米秸稈和油菜秸稈，鋪設密度為0.4 kg/m2。其結構如圖1所示。

1.2 運行條件

試驗在室外條件下原位進行，系統進水為某村鎮的直排生活污水。系統于2017年6月25日開始運行，并測試各項指標，測試時間80 d，采樣頻率10 d/次。

1.3 測定項目與方法

測定系統進出水的COD Cr、氨氮（NH 4+-N）、總磷（TP）及固體懸浮物（SS）濃度。水質指標的分析方法采用生態環境部的標準分析方法[7]：COD Cr采用重鉻酸鹽法測定;NH 4+-N濃度采用納氏試劑法測定;TP濃度采用分光光度法測定;SS濃度采用稱量法測定。

2 結果與分析

2.1 COD Cr的去除效果分析

階梯型導流生態擋墻系統對有機物的去除主要集中在2個方面：①污水中的懸浮態不可溶解有機物在濕地導流系統過流過程中通過自重形成的物理沉降、人工填料組合的過濾及水生植物根系的截留等作用保留下來，此后通過系統中的環境微生物及其原生動物的生存活動加以利用消解;②污水中的可溶解性有機物通過人工填料表面形成的微生物膜由外到內的好氧及厭氧的組合代謝作用得以消解。

由圖2可知，COD Cr在階梯型導流生態擋墻系統運行的初期去除率低于50%，去除率較低，其原因主要是運行初期COD Cr的去除主要為不可溶解有機物通過自重形成的物理沉降、人工填料組合的過濾及水生植物根系的截留等作用而保留在系統內部。在階梯型導流生態擋墻系統運行的中后期，隨著人工填料基質表面微生物膜的形成，系統內微生物顯示出良好的活性，形成了高反應效率的微生物反應綜合體，可溶解性有機物通過人工填料表面形成的微生物膜的厭氧、好氧的綜合代謝消解作用得以降解。系統穩定運行后的COD Cr去除率在70%以上，處理效果良好，且系統運行穩定性較好，未出現較大的波動情況。

2.2 NH 4+-N的去除效果分析

進水中的氮包括有機氮和無機氮（NH 4-N和NO 3-N）2種形式。其中，有機氮通過異養微生物的作用轉化為氨氮（NH 4-N）[8]。對無機氮污染因子的去除主要集中在2個方面：①水生植物通過生長過程中的吸收作用將無機氮合成為生長所必需的蛋白質，加以吸收利用;②填料介質通過其表面形成的微生物膜及系統中的微生物群產生的硝化及反硝化反應去除。在遠離植物根系的周圍區域由于低溶氧而形成的厭氧環境為反硝化作用提供了反應邊界，靠近植物根系的周圍區域由于根系傳輸氧作用為硝化反應提供了反應邊界，使系統具備同步硝化、反硝化的能力。

由圖3可知，系統進水中的NH 4+-N濃度波動較大，進水的NH 4+-N濃度為30.98～51.38 mg/L，但系統的去除效果受NH 4+-N濃度波動的影響較小，去除率穩定性好，尤其在系統運行50 d后系統出水NH 4+-N濃度均低于11 mg/L，NH 4+-N的平均去除率為55.94%。

2.3 TP的去除效果分析

污水中磷的存在形態取決于磷的類型，主要有磷酸鹽（包括PO 43-、HPO 42-、H 2PO 4-）、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽等[9]。系統對污水中磷元素的去除主要是通過植物根系的生長吸收作用、人工填料介質表面形成的微生物膜的降解作用以及填料空隙結構的吸附作用等途徑完成。部分無機磷在水生植物的生長吸收和同化作用下，被合成為自身機體的有效組分，后期通過水生植物的定期維護管理處理而去除;部分無機磷則通過人工填料介質內部的多孔隙結構的吸附及與自身所含的Ca2+、Fe3+反應形成不溶于水的沉積物而去除。系統中水生植物根系的輸氧作用及結構本身的自由落水差形成的復氧作用，使系統內形成循環的好氧、缺氧和厭氧綜合態，歷經厭氧條件下的釋磷及好氧條件下的攝磷（過量攝磷）的循環往復作用，從而達到對磷的有效去除作用[10]。

由圖4可知，系統進水中的TP濃度存在一定的波動性，進水的TP濃度為1.76～2.25 mg/L，系統對TP的去除效果受TP濃度波動的影響較小，隨著運行時間的延長，TP去除率逐漸增加，尤其在系統運行40 d后TP的去除率在70%以上，TP的平均去除率為60.43%。

2.4 SS的去除效果分析

污水中懸浮物質通過系統人工填料結構的過濾截留及底基層集水溝的沉淀作用得以去除。

由圖5可知，系統進水中的SS濃度波動較大，進水的SS濃度為28.6～51.4 mg/L，系統對SS的去除效果不受進水SS濃度波動的影響，一直保持較高的去除率，SS的平均去除率為77.59%。

3 結論

（1）系統通過鋪設的植物死根、生長的植物活根、填料層及表面鋪設的石灰石，形成了集植物吸收、微生物降解、物理吸附等于一體的綜合反應區，對污水中的營養物質具有良好的去除效果，且隨著系統運行時間的延長，去除率呈現逐步增長并趨于平穩的狀態。

（2）兩級梯形的構造形式形成了天然的過流水體跌落差，對入河污染水體起到天然跌水曝氣的效果，使入河水體復氧，同時保證了系統的污染物去除效果。

（3）系統前期通過植物莖體的內部腐敗及填料的天然孔隙形成過流通道，達到對徑流水體的凈化處理效果;后期頂部挺水植物自然根系的生長，形成對濕地過流區的自然更替，進一步避免了系統過流的堵塞問題。

參考文獻

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