付 凌，胡春宏

（1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.北京市南水北調大寧管理處，北京102442）

潛流人工濕地對污染物去除率的正交實驗研究

付 凌1，2，胡春宏1

（1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.北京市南水北調大寧管理處，北京102442）

以濕地污染物去除率為考察指標，通過正交實驗分析了植物、流量和水位對去除率的影響。結果表明：3種因素對BOD5、CODMn和TN去除率的影響一致，均為植物＞流量＞水位；植物是BOD5、CODMn和TN去除率的顯著性影響因素，其中大薸對3種污染物的去除率顯著高于鳳眼蓮，但其在9月底易發(fā)生二次污染，需要及早收割，流量是TN和CODMn去除率的顯著性因素，水位為不顯著因素；BOD5、CODMn和TN濃度在系統(tǒng)的前端下降速率較大，隨后逐漸減小并趨于平穩(wěn)，表明大部分污染物在濕地的前端被去除，濕地整體截污能力尚有較大提升空間。應用中可選擇大薸在北方推廣，并充分利用濕地后端潛能，最大化處理污染源水體。

潛流人工濕地；正交實驗；去除率

1 研究背景

潛流人工濕地常應用于富營養(yǎng)化水體的治理［1］，它主要是通過基質吸附、離子交換、植物吸收和微生物分解等修復技術來凈化污水。目前世界上許多國家已對人工濕地技術開展了不少研究［2］，尤以在濕地植物［3-4］、微生物［5-7］、填料［8-9］以及濕地構造［10］等對濕地凈化效果及機理研究等方面成果顯著。潛流人工濕地注重污染物的自然、生態(tài)去除過程，已被證明是一種效果好、投資少、運轉成本低、污染物處理量大，維護管理方便、且具有一定美學價值的生態(tài)處理措施。

然而潛流人工濕地占地面積大，建設場地受限，且凈化效果因區(qū)域、氣候、植物種類、流量以及進水污染物濃度的不同而存在較大差異，確定去除效果與影響因素之間的對應關系對人工濕地的應用優(yōu)化具有重要意義。目前此類相關實驗多集中于廣東、江蘇、云南和四川等南方地區(qū)［11］，北方受冬季低溫冰凍的影響，人工濕地技術發(fā)展滯后，在我國尚缺乏在北方地區(qū)條件下的實驗報道，且針對幾種因素同時比較對TN、BOD5、CODMn等多種污染物去除率的影響研究報道甚少。

本研究采用北方地區(qū)的黑土洼濕地為研究對象，選擇植物、流量和水位3種影響因素，采用正交實驗法分析3種因素對去除率的影響，尋求優(yōu)化的因素水平，為北方地區(qū)人工濕地最大化的處理污水提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 人工濕地構建濕地建設前，永定河入庫徑流情況為：20世紀80年代以來，入庫流量明顯減少。20年間平均入庫流量為12.3 m3/s。水庫上游永定河八號橋斷面處水質情況為：當河道流量大于20m3/s時，河道水質明顯好轉，各月水質中11月至來年3月的枯水期（也即低溫期）水質最差，為劣Ⅴ類。而5、10月份的平水期（也即常溫期）及6—9月份的汛期（也即高溫期）水質明顯好于前者，但也仍為劣Ⅴ類。

黑土洼人工濕地位于官廳水庫永定河入庫口附近，是利用黑土洼溝及月亮島南側灘地建設濕地系統(tǒng)分流凈化永定河受污染入庫源水的生態(tài)水處理工程。人工濕地系統(tǒng)由穩(wěn)定塘和人工濕地兩部分組成，永定河受污染源水經永定河引水工程進入穩(wěn)定塘，源水經過穩(wěn)定塘預處理之后，一部分直接入庫，另一部分由引水暗涵進入人工濕地，黑土洼濕地系統(tǒng)平面布置見圖1。人工濕地處理流量0.6～0.8m3/s，其中面流濕地約處理0.2m3/s，而本次研究的試驗區(qū)即潛流濕地約處理0.4～0.6m3/s。正常運行水力負荷為0.58m/d，最大水力負荷為1.02m/d。

人工濕地為該系統(tǒng)的重要組成部分，實驗區(qū)共分7個單元（Ⅰ—Ⅶ單元），各實驗單元為并聯(lián)方式，且工藝流程大致相同，由布水暗渠統(tǒng)一布水，每個單元以處理池為最小單位，處理池為串聯(lián)方式，分5個級別，依次為挺水植物塘、一級植物碎石床、水生生物塘、二級植物碎石床、砂濾池，其尺寸大小分別為30m×15m×1.2m、30m×30m×1.2m、30m×30m×2.0m、30m×30m×1.2m、30m×8 m×1.1m，每個單元經處理的尾水由退水渠集水并經底部暗管排入堤外水塘，最后進入官廳水庫。

人工濕地占地7.3 hm2，設計處理水量2.94萬m3/d。人工潛流濕地對BOD5、CODMn、TP、TN、NH4+-N污染物的設計去除率分別為：55％～70％、35％～40％、35％～55％、20％～35％、50％～75％。

圖1 黑土洼人工濕地平面布置圖

圖2 試驗區(qū)典型單元縱剖面圖

2.2 實驗因素及其水平（1）植物因素。根據北方地區(qū)的氣候特點以及植物的適應性，水生生物塘植物設3個水平分別為對照A1、鳳眼蓮A2和大薸系統(tǒng)A3，各系統(tǒng)植物覆蓋率均設置為80％。鳳眼蓮和大薸均于2009年5月開始投放種植，考慮到植物的生長過程，本次截取2009年7—10月的實驗數據進行分析。（2）流量因素。根據進水主配水井的堰流形式，本實驗設定3種流量水平，低流量B1：172.8～345.6 m3/d；中流量B2：432～604.8m3/d；高流量B3：691.2～864 m3/d。（3）水位因素。水位是表征人工濕地系統(tǒng)水生生物塘水力停留時間的參數，本實驗設定3個水平，分別為低水位C1∶1.55m，中水位C2∶1.7m，高水位C3∶1.85m。本實驗屬于3因素3水平的正交實驗，具體數據詳見表1。

表1 正交實驗L9（33）因素及水平表

2.3 水樣采集及分析方法本實驗對照系統(tǒng)、鳳眼蓮系統(tǒng)和大薸系統(tǒng)均從主配水井引水，按照正交設計9種處理來設定植物、流量和水位，每次實驗采集處理池進口和出口水樣（本級處理池的出水即下一級處理池的進水）。水質監(jiān)測指標主要包括BOD5、CODMn、TN、N-N、N-N、TP、Ortho-P、DO，每月監(jiān)測2次，同步取樣，水樣采集后即刻進行分析。采樣時，取水點位于水面下0.5m，不足1m則取1/2水深處，水體封凍時，采樣點布設在冰下水深0.5m處，并采用國家標準化方法《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）分析。

2.4 正交實驗設計及數據分析正交設計選擇有代表性的實驗組進行實驗，具有經濟、高效、快速的特點。本實驗選擇對照系統(tǒng)、鳳眼蓮系統(tǒng)和大薸系統(tǒng)構建的潛流人工濕地實驗系統(tǒng)開展污染物去除的正交實驗研究，以植物、流量、水位這3個指標為控制因素，各因素均取3個水平開展正交試驗。重點分析對污染物去除率的影響，通過SPSS17.0軟件（統(tǒng)計分析）對正交實驗結果進行方差分析，優(yōu)選出影響濕地運行效果的最佳因素水平，以期為提高濕地去污能力提供借鑒。

3 結果與分析

3.1BOD5及CODMn去除率的正交分析濕地系統(tǒng)污染物去除率的正交實驗極差和方差分析，分別見表2和表3。

表2 正交實驗L9（33）極差分析結果

表3 正交實驗的方差分析結果

BOD5是一種用微生物代謝作用所消耗的溶解氧量來間接表示水體有機污染程度的一個重要指標。由表3方差分析可知，植物是影響B(tài)OD5去除率的顯著因素，流量和水位是BOD5去除率的不顯著性影響因素；又由表2極差分析知，植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為12.50、8.10、7.81，3種因素對去除率影響的主次順序為植物、流量、水位，同時通過比較3種水平下污染物的去除率，可知優(yōu)選方案為大薸、高流量、低水位。

CODMn是表征污染水體中有機質含量的參數，方差分析得出植物是影響CODMn去除率的極顯著因素，流量是影響CODMn去除率的顯著性因素，水位是CODMn去除率的不顯著影響因素；又由表2極差分析知，植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為22.32、11.23、5.50，對CODMn去除率影響的主次順序為植物、流量和水位。同時通過比較3種水平下污染物的去除率，可知優(yōu)選方案為大薸、高流量、高水位。

3.2 氮素污染物去除率的正交分析由表3方差分析結果可知，植物是TN去除率的極顯著性影響因素，流量是TN去除率的顯著性影響因素，水位為不顯著因素；又由表2極差分析知，植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為35.15、15.83、1.31，3種因素對TN去除率影響的主次順序為植物、流量和水位，比較各因素對應的ki，得出優(yōu)選方案為大薸、高流量和中水位。由于該實驗為大田實驗，實驗受外界因素干擾較大，本次實驗設定的植物、流量和水位因素對NH4+-N和NO3--N的去除率均無顯著性影響，但NH4+-N的植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為134.71、127.87、164.99，3種因素對去除率影響的主次順序為水位、植物、和流量，比較得出優(yōu)選方案為高水位、大薸和高流量；NO3--N的植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為56.65、28.59、86.82，3種因素對去除率影響的主次順序為水位、植物、流量，比較得出優(yōu)選方案為高水位、對照系統(tǒng)、中流量。

3.3 磷素污染物去除率的正交分析人工濕地磷素污染物的去除主要是依靠填料基質的過濾和吸附作用，由于實驗所選擇的人工濕地于2004年已開始運行，濕地填料基質經多年運行，基質吸附已達到飽和，磷素的溶出會對出水濃度產生影響［12］，本次實驗顯示濕地各因素對磷素污染物的去除無顯著性差異，去除效果不明顯，甚至會出現(xiàn)負效應。由極差分析結果可知，TP去除率的植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為214.95、163.17、97.27，對去除率影響的主次順序為植物、流量、水位，比較得出優(yōu)選方案為大薸、高流量、高水位；Ortho-P的植物、流量和水位因素對應的極差R值分別為143.93、126.57、285.58，對去除率影響的主次順序為水位、植物、流量，比較得出優(yōu)選方案為低水位、大薸、高流量。

4 不同因子對污染物去除率的影響分析

4.1 植物因素對污染物去除率的影響分析植物因素是影響B(tài)OD5、CODMn去除效果的顯著性、極顯著性因素，其中大薸和鳳眼蓮系統(tǒng)的BOD5和CODMn去除率均顯著高于對照系統(tǒng)，植物優(yōu)勢明顯，另外，大薸系統(tǒng)的BOD5、CODMn去除率顯著優(yōu)于鳳眼蓮系統(tǒng)（p=0.021、0.043＜0.05），分析認為：BOD5、CODMn的去除主要是靠植物吸收、微生物分解、填料吸附等協(xié)同完成的，首先，大薸為1對2水面上繁殖，生物量大，繁殖生長快，鳳眼蓮是通過主根分蘗下一代，健壯的主根才可分蘗新芽［13］，兩種植物生長過程中均進行適時收割，以維持其特定的覆蓋率，但大薸的繁殖速度更快，所以通過植物吸收移除的生物量會更多一些，對水體污染物的去除率也相對較高；其次，植物根系在污水中吸附的有機污染物，一部分被植物根系直接吸收，另一部分通過根際聚集的大量微生物降解而去除。鳳眼蓮須根雖發(fā)達，但其靠根毛吸收養(yǎng)分，其主根主要分蘗下一代，而大薸有許多長而懸垂的羽狀須根，且生長密集，其發(fā)達的羽狀須根與水體接觸面積大，形成了一道密集的過濾層，除了根系吸收大量污染物之外，其發(fā)達的羽狀根際也為大量微生物提供了聚集場所，污染物最終可通過這些聚集微生物的分解和合成代謝轉化為微生物體內的細胞物質而去除［14］；而填料在兩個單元的設置是一樣的，所以在此填料吸附的對比作用可以忽略；另外，鳳眼蓮在生長過程中出現(xiàn)了黑葉病，這種狀態(tài)對污染物去除率存在一定的不利影響。

圖3 污染物去除率與各因素的關系

圖4 典型單元進出水濃度變化

由圖3和圖4知，大薸對BOD5、CODMn的去除效果較鳳眼蓮好，但圖4顯示在9月底，大薸系統(tǒng)的污染物出水濃度反而有所升高，說明大薸的生命周期不及水葫蘆長，在汛后要及時收割，避免造成二次污染，圖5和圖6顯示出BOD5和CODMn的逐級變化規(guī)律為：在系統(tǒng)的前端1級至2級處理池污染物濃度下降速率較大，而后下降速率減小最后逐漸趨于平穩(wěn)，并且大部分有機物是在1級和2級處理池即濕地系統(tǒng)的前端被去除的。

圖5 大薸單元污染物與溶解氧濃度的逐級變化

圖6 鳳眼蓮單元污染物與溶解氧濃度逐級變化

植物因素是TN去除率的極顯著性（p＜0.01）影響因素，大薸和鳳眼蓮對TN去除率均極顯著高于對照系統(tǒng)，且大薸TN去除率顯著優(yōu)于鳳眼蓮（p＜0.05），圖4中，TN污染物的出水濃度在9月底急劇升高，更加印證了大薸處理效果雖高，但要加強管理、適時收割，避免產生二次污染物。由圖5和圖6知，TN的逐級變化規(guī)律為1級至2級處理池去除速率較大，而后逐漸趨于平穩(wěn)。有研究表明TN的去除途徑主要是植物吸收，微生物的硝化和反硝化以及氨氮的揮發(fā)等［15］，而通過硝化和反硝化作用的去除量約占總氮去除量的40％～92％［16］。分析認為，在本濕地系統(tǒng)中，除了植物對TN去除率的顯著貢獻外，濕地中溶解氧的作用也功不可沒，其主要包括進水攜帶的溶解氧，3級生物塘的復氧等，從圖5和圖6知，進水1級處理池溶解氧較高，主要為進水攜帶，3級生物塘有植物的泌氧，但數量有限。在溶解氧較充足的地方，-N首先在好氧環(huán)境下經過硝化菌和亞硝化菌的硝化過程轉化成和，而后在本級或下一級處理池厭氧或缺氧環(huán)境下經過反硝化菌的反硝化過程而去除，3級處理池的復氧則有助于促進該去除過程的循環(huán)；而通過氨揮發(fā)去除氮素的作用可以忽略，因為當pH值大于等于9.3時氨揮發(fā)引起的氮損失才開始顯現(xiàn)，而該濕地系統(tǒng)的pH值基本維持在7.5～9.0范圍內。通過分析，濕地后3級處理池的去除作用由于溶解氧的缺乏等因素而沒有得以充分發(fā)揮，在后期管理過程中可以通過曝氣增氧等措施發(fā)揮其潛能，以最大化的發(fā)揮濕地效益。

4.2 流量因素對污染物去除率的影響分析流量因素是CODMn和TN去除率的顯著性（p＜0.05）影響因素，而對NO3--N的去除率無顯著性影響，除NO3--N外，其它污染物去除率均隨著進水流量的增加而增大，且在高流量即8×10-3～10×10-3m3·s-1時達到最大，說明本凈化系統(tǒng)還能承受水力負荷一定程度的增加，具有進一步凈化污水的潛力。

4.3 水位因素對污染物去除率的影響分析水位為去除率的不顯著影響因素。從圖3和極差分析結果可知，中、高水位對TN、CODMn、NH4+-N、NO3--N和TP去除效果較好，而低水位僅對BOD5和Ortho-P去除效果較好。

3種因素對磷素污染物的去除均無顯著性影響，去除效果不明顯，甚至部分出現(xiàn)負效應。究其原因可能是實驗人工濕地已運行多年，填料基質吸附已達到飽和，甚至出現(xiàn)磷素的溶出現(xiàn)象造成的。根據濕地吸附飽和的程度，應及時對濕地基質進行更換，以最大化的發(fā)揮人工濕地的凈化功能。

綜上，文中3種因素對污染物去除率的分析，均是在進水濃度為同一時期特定范圍內進行的，且3種因素對污染物的去除率均有不同程度的影響，根據地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）進行評價，濕地出水口處BOD5、CODMn、TN、-N、TP等污染物的濃度分別達到了Ⅰ類、Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅰ類、Ⅳ類，根據評價方法“一票否決”的原則，出口水質總體表現(xiàn)為Ⅳ類。當出現(xiàn)上游污染負荷較高、濕地基質使用壽命已到等情況時，應考慮加強維護管理，如曝氣增氧、定期更換基質填料、定期收割植物、調節(jié)濕地流量等措施，來提高系統(tǒng)的運行效率。

5 結論

通過對污染物去除率的因素水平進行分析，確定了污染物去除率的關鍵影響因素和最佳處理水平，以期對北方地區(qū)濕地的運行管理提供借鑒。（1）植物是TN、BOD5和CODMn去除率的顯著影響因素，流量是TN和CODMn去除率的顯著影響因素，水位對污染物的去除效果不顯著，且3種因素對TN、BOD5和CODMN去除率影響的順序均為植物＞流量＞水位，且最優(yōu)方案分別為大薸、高流量、中水位，大薸、高流量、低水位，大薸、高流量、高水位。（2）實驗設定的植物、流量和水位因素對-N和-N去除率的影響均不顯著，對磷素污染物亦無顯著性影響，去除效果不明顯，甚至部分出現(xiàn)負效應。究其原因可能是該人工濕地已運行多年，填料基質吸附基本達到飽和，甚至出現(xiàn)磷素溶出造成的。根據吸附飽和程度合理確定基質填料的使用壽命，及時對基質進行更換對提高濕地處理效益具有重要意義。（3）大薸系統(tǒng)相對于鳳眼蓮系統(tǒng)，其污染物處理效果雖好，但在汛后要早于鳳眼蓮及時收割，避免產生二次污染。（4）TN、BOD5、CODMn等污染物逐級變化規(guī)律為在系統(tǒng)的前端濃度下降速率較大，而后下降速率減小，最后逐漸趨于平穩(wěn)，并且大部分有機物是在1～2級處理池即濕地系統(tǒng)的前端被去除的，說明濕地后3級處理池的去除潛能還有待進一步開發(fā)利用，可采取倒虹吸等增加濕地后端復氧量等措施，以最大化的發(fā)揮濕地效益。

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O rthogonal experim en t on rem oval rate of pollu tan t in subsurface flow constructed wetland

FU Ling1，2，HU Chun-hong1

（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；

2.Daning administrativeofficeof the South-to-North Water Diversion of Beijing，Beijing 102442，China）

The effect of plant，flow and water level on pollutant removal of constructed wetland was investi?gated through orthogonal experiments.Results show that there are almost sim ilar effects of three indicators on removal rate of BOD5，CODMnand TN，and plant has better effects than others，flow is in the second position，and water level is the last one.Pistiastratiotes generally have more effective removal rate than Eichhorniacrassipes，but at the end of September，it may cause secondary pollution，so it is important to harvest in time.Flow is significantly related to removal rate of TN and CODMn，but it is not for water lev?el.The concentration of BOD5、CODMnand TN experienced sharp drop in the front of the constructed wet?land bed，and the downward trend slow down gradually and finally went stable.Those processes indicate that almost all the pollutant was removed in the front of wetland bed，and the intercepting pollution capaci?ty of whole wetland system can be improved significantly.Pistiastratiotes are recommended to be planted in north China area，and take full advantage of carrying capacity of wetland systems to deal with water pollut?ed sources.

subsurface flow constructed wetland；orthogonal experiment；removal rate

TV131.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.004

1672-3031（2014）04-0358-08

（責任編輯：王學鳳）

2014-09-12

“十一五”水專項資助項目（2008ZX07209-002-04）

付凌（1980-），女，河南新鄉(xiāng)人，博士生，工程師，主要從事環(huán)境與生態(tài)水力學研究。E-mail：709260329@qq.com