趙雪鋒，王 欣

（1.北京國環(huán)清華環(huán)境工程設計研究院有限公司，北京100084；2.清華大學環(huán)境學院，北京100084）

0 引 言

垂直潛流人工濕地（Vertical Subsurface Flow Constructed Wetland，VSSFCW）以過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化，實現(xiàn)對N、P及CODcr等污染物的去除［1－3］。

由于氧氣可通過大氣擴散和植物傳輸進入濕地系統(tǒng)，垂直潛流人工濕地其內部充氧更為充分，有利于好氧微生物的生長和硝化反應的進行，氮、磷去除效果較好［4－6］。許多學者一直以來對濕地類型、基質種類、基質粒徑和組配、植物種類及搭配進行了大量的研究。

人工濕地除污機理相當復雜，很多化學過程與生物化學過程至今尚未完全弄清或存在不同觀點，運行和管理還需要進一步研究。本研究選擇復合垂直潛流人工濕地（Hybrid Vertical Subsurface Flow Constructed Wetland）處理工藝，研究低溫條件下COD、NH3－N、TN和TP等水質指標在不同水力停留時間（Hydraulic retain Time，HRT）、水力負荷率（Hydraulicload Rate，HLR）和回流比R及溫度等控制參數(shù)下的去除規(guī)律，尋求組合工藝處理低濃度生活污水的最佳處理方案。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗水樣

本實驗水樣采取于北方某農(nóng)村集中住宅區(qū)污水處理廠進水口，水質指標見表1。該污水的年水溫為12.5～24.0℃，實驗水溫為12.6～14.9℃，平均水溫為13.5℃，屬低溫廢水。

本試驗主要測定項目包括COD、NH3－N、TN、TP等。按照 《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）中提供的方法進行監(jiān)測。

1.2 工藝設備與運行條件

本研究采用復合垂直潛流人工濕地工藝進行污水的處理。垂直潛流人工濕地可以分為垂直上行潛流人工濕地和垂直下行潛流人工濕地，兩者主要是水流方向不同。垂直下行潛流人工濕地中污水從濕地表面縱向流至填料床的底部，其出水裝置一般設在濕地底部，床體處于不飽和狀態(tài)，污水直接與基質接觸，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入濕地系統(tǒng)。

實驗用工藝裝置由連續(xù)交替的垂直下流／垂直上流處理單元串聯(lián)組合而成，共分為5個單元，每單元2格，每個尺寸為4.0m×2.0m×2.0m。水流以上下折流方式通過濕地，在上向流的距離池底0.2m及下向流0.4m處分別設置取樣管。填料采用Φ（10～30）mm市售陶粒。由前至后粒徑逐級減小，頂部栽種蘆葦，設計過流斷面水力負荷率為17.5m3／（m2·d），有機負荷為0.23kg BOD5／（m2·d）。

濕地內植被選擇蘆葦，它是一種較好的濕地處理植物。實驗中蘆葦種植密度為30株／m2，污水通過潛流濕地后部分污水進行回流，再次進行濕地處理。啟動時設定水力停留時間為72h，水力負荷率為0.5m3／（m2·d）。濕地基質掛膜采用連續(xù)進水和水位控制的方式進行。

垂直潛流人工濕地示意圖見圖1。

表1 廢水水質指標Table 1 Characterization of wastewater studied

圖1 垂直潛流人工濕地示意圖Fig.1 Schematic diagram of SSFCW

2 運行條件對污水處理效果的影響

為獲得較為合適的運行條件，研究人工濕地系統(tǒng)低溫條件下COD、NH3－N、TN和TP等水質指標在不同水力停留時間、水力負荷率、回流比和溫度等控制參數(shù)下的去除規(guī)律。

2.1 HRT對廢水處理效果的影響

HRT對人工濕地系統(tǒng)的處理效果影響密切。停留時間短生化反應不充分，污染物降解的不夠徹底，處理效果不好；停留時間過長，污水在系統(tǒng)內停滯會造成厭氧區(qū)的形成，影響處理效果，同時會滋生蚊蟲影響環(huán)境衛(wèi)生。本研究在污水低溫條件下（平均13.5℃），進行不同水力停留時間24、36、48、60、72、96、120和144h的運行，分析在不同運行條件下濕地的COD、NH3－N、TN和TP的去除效果。水力負荷為1m3／（m2·d），無回流，進水水質指標COD、NH3－N、TN和TP平均分別為315.5、55.5、71.2和4.81mg／L，運行時間為60d。

由圖2可見，污染物隨著水力停留時間的延長，去除率逐漸升高，在HRT＝72h達到較高的穩(wěn)定去除率，HRT＝96h達到峰值，此后僅COD有緩慢增長的趨勢，NH3－N、TN及TP污染物去除率均出現(xiàn)不同程度下降，因此確定最佳HRT宜為（72～96）h。

圖2 HRT對污水處理效果的影響Fig.2 Effect of HRT to wastewater treatment rate

COD在給定水力停留時間內，去除率隨時間的增長而逐漸上升，在HRT＝72h去除率達到73.3%，當HRT＝144h，去除率提高到74.1%；同樣說明停留時間過長時，系統(tǒng)會進入?yún)捬鯛顟B(tài)，并且微生物活性降低，導致COD去除率降低，因此COD的去除效果出現(xiàn)緩慢增長的狀態(tài)。對NH3－N和TN而言，去除效果隨水力停留時間增長有減弱的規(guī)律。當水力停留時間＜96h時，去除效果隨時間而增長，當水力停留時間＞96h后，去除率呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，說明停留時間過長導致的厭氧狀態(tài)嚴重抑制了硝化作用。TP與TN有相似的去除規(guī)律，在HRT＝72h已達到最佳去除率，隨著HRT增加，去除率開始下降，說明基質的吸附和絡合是磷素去除的主要途徑。當HRT過大，系統(tǒng)進入?yún)捬鯛顟B(tài)，嗜磷菌開始厭氧釋磷，而停留時間延長期間植物吸收數(shù)量有限，導致磷去除率下降。

2.2 HLR對污水處理效果的影響

HLR同樣對濕地處理系統(tǒng)的處理效果產(chǎn)生重要影響。目前常用的HLR采用濕地表面負荷計算，即為單位時間內流量與表面積之商。在濕地深度不同時會造成容積負荷不一致［7］。本研究將低溫條件（平均13.5℃）的濕地在HLR＝（0.5～4）m3／（m2·d）時進行，HRT＝72h，無回流。進水水質指標COD、NH3－N、TN和TP平均分別為305.4、50.5、73.8.2和4.72mg／L，運行時間為15d。通過長時間運行以獲得HLR與污染物降解的規(guī)律。

從圖3中可以看出，COD隨HLR的提高而逐漸降低，呈現(xiàn)一種近似線性的降解規(guī)律。NH3－N、TN和TP隨HLR的提高去除率先提高而后降低，NH3－N和TP在HLR＝1.0m3／（m2·d）時去除率最高，分別為30.4%和60.7%。TN在HLR＝1.5m3／（m2·d）時去除率達到峰值，為28.2%。

圖3 HLR對污水處理效果的影響Fig.3 Effect of HLR to wastewater treatment rate

人工濕地處理的核心是系統(tǒng)內部的微生物。隨污水進入濕地系統(tǒng)的大部分有機物首先被基質和根系表面的生物膜吸附，然后通過一系列生化作用被微生物降解。在較高水力負荷時，污水帶入有機物量的速度超過生物膜降解速度，去除率呈現(xiàn)下降趨勢。因此COD去除率隨著水力負荷的升高而降低。對NH3－N和TN而言，若水力負荷過低，會導致系統(tǒng)進入?yún)捬鯛顟B(tài)而抑制硝化作用，導致NH3－N和TN去除率下降，因此在較低水力負荷條件下，去除率與水力負荷呈正比，在水力負荷超過臨界水平時，水力停留時間短于硝化菌的世代時間，抑制了硝化菌的生長繁殖，導致NH3－N和TN去除率下降。TP去除變化規(guī)律與NH3－N類似，濕地系統(tǒng)中的磷主要靠基質吸附、微生物及植物吸收，以基質吸附為主。水力負荷過低，導致系統(tǒng)進入?yún)捬鯛顟B(tài)后也出現(xiàn)磷的釋放導致去除率下降，水力負荷過大造成對基質強烈的沖刷，導致物理吸附的磷素被污水帶出系統(tǒng)，造成去除率下降。

2.3 回流比對污水處理效果的影響

研究表明，污水回流可以顯著提高濕地對有機物、氨氮及總氮的去除率［8－9］。水力條件是影響濕地處理效果的重要因素，污水回流會導致HRT、HLR等水力條件改變，對濕地處理效果會產(chǎn)生較大的影響。

本研究在低溫條件下 （平均13.5℃）增加污水回流，并通過改變回流比R的值，按照0.0，0.5，1.0，1.5，2.0的規(guī)律變化，研究不同回流比的污水去除效率。運行條件為水力停留時間為72h，水力負荷為1m3／（m2·d）。進水水質指標COD、NH3－N、TN和TP平均分別為372.5，52.3，75.2和4.93mg／L，運行時間為20d。

研究發(fā)現(xiàn)回流比對TP去除率影響較小，對COD、NH3－N及TN去除率影響較大，在R＝1時均達到最高去除率，若回流比繼續(xù)增大，則去除率開始下降。由于進行污水回流會增大水力負荷，縮短水力停留時間，但可以提高容積負荷率和污染物與基質及生物膜的接觸時間；過大的水力負荷和較短的停留時間都會導致去除率的下降，容積負荷率的提高使SS和TP的去除主要依靠物理作用，上述作用對其去除率的提高幅度較小。

由圖4可見，當回流比R＝1時COD去除率達到最高，由無回流的73.3%提高到88.7%。有機物降解需要有充足的溶解氧來滿足生化反應過程，出水回流有助于水體中氧氣的擴展和溶解，提高了污水中的氧氣含量，為降解過程提供充足的氧氣。同時，回流水體中還有部分活性微生物，可進一步提高水體中的MLSS。但是回流比過大會連帶HLR增加反而抑制去除效率的進一步提高，同時，由微生物反應動力學和容積負荷率曲線可知，在容積負荷超過最大物料比后，污染物的降解從一級反應進入零級反應，保持恒定，若進一步增大容積負荷，會導致出水污染物濃度的提高，去除率降低。

圖4 回流比R對污水處理效果的影響Fig.4 Effect of reflux rate to wastewater treatment rate

與COD的降解規(guī)律相同，出水回流可有效地提高對NH3－N與TN的去除率，而TP的去除效果沒有明顯變化?；亓鞅萊由0變化到1時，NH3－N去除率由22.3%提高到38.9%，TN去除率由21.4%提高到36.2%。常規(guī)生活污水硝態(tài)氮含量很低 （總氮的1%～5%），但當增加出水回流后，進水的硝態(tài)氮濃度明顯升高，另一方面說明回流具有明顯的復氧作用，氨氮硝化水平得到提高。同時回流可使未完全反應的氨氮與濕地微生物有更長的接觸時間，有利于自養(yǎng)硝化菌的反應。隨著回流比提高，水中DO濃度逐漸升高，硝化反應速率增加。由于出水回流影響到HLR和HRT等因素，在回流比達到合適水平后，若進一步增大，HLR及HRT等因素將會降低NH3－N與TN去除率。

2.4 溫度對污水處理效果的影響

溫度是濕地處理系統(tǒng)中最關鍵的自然控制因素。低溫會導致濕地微生物活性降低，基質吸附容量下降和植物生長減緩或停止，因此無論是以物理作用、化學作用還是生物作用去除污染物均會受到不同程度影響。

研究不同水溫的處理效果。低溫 （平均13.5℃）進水水質指標COD、NH3－N、TN和TP平均分別為315.5，55.5，71.2和4.81mg／L，運行時間為15d。常溫 （平均20℃）進水水質指標COD、NH3－N、TN和TP平均分別為365.4，58.6，70.2和4.66mg／L，運行15d。HRT均為72h，HLR均為1m3／（m2·d）。

由圖5可見，溫度對NH3－N和TN去除率的影響最大，TP次之，COD的影響最小；在HRT＝72h時，NH3－N、TN約下降15%～20%，COD去除率下降約5%，SS、TP下降約1%～3%。由此可見，該處理系統(tǒng)能有效地抵御溫度的變化，保證污水的處理效果。

3 結 語

復合垂直潛流人工濕地通過上下的水體流動，有利于水體的富氧和氧氣擴散，有利于好氧微生物的生長和硝化反應的進行，氮、磷去除效果較好。

1）為探討潛流人工濕地的運行與管理，本文探討了HRT和HLR對COD、NH3－N、TN和TP的去除效果。通過研究發(fā)現(xiàn)，當HRT為72～96h時，系統(tǒng)的水質處理效果達到最佳狀態(tài)，各項水質指標的去除率較高，NH3－N和TN的去除率為37.6%和35.3%。當HLR為1.0m3／（m2· d）時，水質指標均能有較高的去除效果，COD和 TP的去除率分別為79.5%和66.7%。

2）污水回流可以顯著提高濕地對有機物、氨氮及總氮的去除率。研究中發(fā)現(xiàn)回流比對TP去除率影響較小，對COD，NH3－N及TN去除率影響較大，在R＝1時達到最高去除率。

3）在該濕地系統(tǒng)運行時，溫度對各項水質指標具有不同程度的影響。溫度NH3－N和TN去除率影響最大，TP次之，COD的影響最小。

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