摘要：在不同水力負(fù)荷下，對比研究了復(fù)合垂直流人工濕地和潛流人工濕地對污水處理廠二級出水的脫氮效果。結(jié)果表明，復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除能力顯著高于潛流人工濕地系統(tǒng)（P<0.05），但是兩類濕地系統(tǒng)對TN的去除能力差異并不顯著（P>0.05）。水力負(fù)荷越低，兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N、TN去除率的差距越明顯。以脫氮為主要目標(biāo)時，復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)最佳的水力負(fù)荷為0.6～0.8 m/d，潛流人工濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷可取低值0.4～0.6 m/d。

關(guān)鍵詞：復(fù)合垂直流人工濕地；潛流人工濕地；水力負(fù)荷；脫氮

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）01-0067-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.019

隨著國家對污染物排放總量控制日趨嚴(yán)格，為了保證城鎮(zhèn)污水處理廠的二級出水能夠達(dá)到受納水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且滿足回用水水質(zhì)要求，針對二級出水的深度處理技術(shù)已經(jīng)提上日程，并逐漸成為污水處理技術(shù)體系中的重要組成部分[1]。

城鎮(zhèn)污水處理廠經(jīng)生化處理后，其排放水因可生物降解的有機(jī)物含量較低，出水中仍含有較高的總氮[2]，若排入河流中會引起河流的富營養(yǎng)化，因此，研究城鎮(zhèn)污水處理廠二級出水的深度脫氮技術(shù)具有重要意義[3]。

人工濕地因具有投資成本低、處理效果好、管理方便、無二次污染等優(yōu)點[4]，被廣泛應(yīng)用于各類不同水體的水質(zhì)凈化，包括城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污水等方面[5]。人工濕地按結(jié)構(gòu)不同可將其分為表面流（SFW）、潛流（SSFW）和復(fù)合垂直流（IVCW）3種類型，并具有不同的優(yōu)缺點[6，7]。

表面流人工濕地在外觀上接近于自然濕地，污水在人工濕地的土壤等基層表層流動，水面與大氣接觸，水體多為水平流動，其水力負(fù)荷一般較小[8]。潛流濕地和復(fù)合垂直流濕地污水在人工濕地的土壤表層以下流動，主要依靠基質(zhì)的過濾及表面生物膜的吸附、降解作用，使污水得以凈化的人工濕地形式。與表面流濕地相比，潛流濕地和復(fù)合垂直流濕地能夠承受較高的水力負(fù)荷。本試驗建立復(fù)合垂直流人工濕地、潛流人工濕地兩類人工濕地系統(tǒng)，研究不同水力負(fù)荷下兩種濕地對污水處理廠二級出水的脫氮效果。

1 材料與方法

1.1 濕地結(jié)構(gòu)

參與試驗的人工濕地池體均采用磚混結(jié)構(gòu)，兩種濕地小試系統(tǒng)的尺寸分別為：①復(fù)合垂直流濕地：下行流池為1 m×1 m×1.2 m，上行流池為1 m×1 m×1.2 m；②潛流濕地：2 m×1 m×1.2 m。

1.2 濕地填料和植物選擇

潛流濕地底層鋪設(shè)200 mm厚的大粒徑礫石作為排水層，中部填料為600 mm厚的中礫石+爐渣，上層填料為200 mm厚的小礫石；復(fù)合垂直流濕地下行流池填料鋪設(shè)同潛流濕地，上行流池填料由下而上依次是200 mm厚的大粒徑礫石、600 mm厚的中礫石+爐渣及100 mm厚的小礫石。

濕地植物為蘆葦（Phragmites australis）和香根草（Vetiveria zizanioides）混種。

1.3 供試污水特性

試驗所用污水取自中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)污水處理廠的沉淀池出水，水中化學(xué)需氧量（COD）為15.7～69.2 mg/L，總氮（TN）為8.6～41.2 mg/L，總磷（TP）為0.3～6.4 mg/L，銨氮（NH4+-N）為2.2～35.3 mg/L，pH為7.2～7.7。

1.4 試驗方法

水力負(fù)荷是影響人工濕地對污染物處理效果的重要因素[8]。試驗期間氣溫較高，日平均氣溫維持在22～32 ℃。待濕地系統(tǒng)運行穩(wěn)定后開始試驗。所選水力負(fù)荷為0.4～1.4 m/d，考察水力負(fù)荷對濕地處理效果的影響，比較復(fù)合垂直流人工濕地和潛流人工濕地脫氮除磷的效果。

pH采用pH計測定；NH4+-N、TN均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測[9]。

所用數(shù)據(jù)均為剔除個別不正常值后的數(shù)據(jù)，采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行檢驗分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除效果對比

不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N的深度處理效果如圖1所示。由圖1可知，兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率較低，基本都在40%以下。這與進(jìn)水NH4+-N濃度較高而停留時間不夠有關(guān)。隨著水力負(fù)荷的增大，兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除效果明顯下降。運行期間復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率為（30.01±12.30）%，潛流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率為（24.12±10.47）%，t測驗分析表明，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率顯著高于潛流濕地系統(tǒng)（P<0.05）。

當(dāng)水力負(fù)荷為0.4 m/d時，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率最高，分別為（40.10±9.02）%和（33.52±8.28）%；當(dāng)水力負(fù)荷為0.6 m/d時，這兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率下降為（38.87±7.31）%和（31.46±8.44）%。t測驗分析表明，在低水力負(fù)荷下，兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率差異并不顯著（P>0.05）。初步分析其原因為：① 當(dāng)濕地在0.4 m/d的水力負(fù)荷下運行時，系統(tǒng)剛剛投入運行，填料中硝化微生物少且植物正處于生長期，生物量并不旺盛，對NH4+-N的去除率有一定的影響；②隨著水力負(fù)荷的增加，進(jìn)水帶來的溶解氧量漸增，因此強(qiáng)化了硝化作用。

對于復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)，當(dāng)水力負(fù)荷大于0.8 m/d時，對NH4+-N的去除效果大幅下降，差異顯著（P<0.05）。主要原因在于：①此時植物生長速率逐漸減緩，光合作用增加的O2量明顯滿足不了水力負(fù)荷增加帶來的大量NH4+-N；②進(jìn)水的沖刷作用使得大量生物膜脫落，硝化作用明顯下降。因此，對于NH4+-N含量較高的生活污水，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷在0.6～0.8 m/d為宜。

對于潛流濕地系統(tǒng)，當(dāng)水力負(fù)荷由0.6 m/d升至0.8 m/d時，NH4+-N的去除率由（31.46±8.44）%下降至（23.47±9.03）%，降低了近8個百分點，說明潛流濕地系統(tǒng)處理NH4+-N含量較高的生活污水時，其適宜的水力負(fù)荷為0.6 m/d。

在水力負(fù)荷為0.4～0.8 m/d時，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率由（40.10±9.02）%降低至（34.35±11.15）%，下降了5.75個百分點；潛流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率由（33.52±8.28）%降低至（23.47±9.03%），下降了10.05個百分點。復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除率下降較潛流濕地系統(tǒng)緩慢，主要原因是：①正在盛夏季節(jié)，復(fù)合垂直流濕地的植物生長量要高于潛流濕地；②進(jìn)水方式的不同使溶解氧的增加量不同，造成復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)的硝化強(qiáng)度高于潛流濕地系統(tǒng)。當(dāng)水力負(fù)荷大于1.2 m/d時，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除效果基本相當(dāng)，去除率均較低，分別為（17.28±4.38）%和（15.82±4.68）%。分析其主要原因是：①負(fù)荷均超出了濕地系統(tǒng)的處理能力；②水力沖刷使生物膜大量減少，造成處理效果下降。

2.2 不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對TN的去除效果對比

不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對TN的深度處理效果如圖2所示。由圖2可知，兩類濕地系統(tǒng)對TN的去除率都不高，原因可能是：①進(jìn)水NH4+-N濃度較高而硝化強(qiáng)度不夠；②進(jìn)水C∶N=1.5～2.0，遠(yuǎn)低于最佳C∶N=7～8[10]。隨著水力負(fù)荷的增大，兩類濕地系統(tǒng)對TN的去除效果均呈下降趨勢。運行期間復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對TN的去除率為（36.43±15.32）%，潛流濕地系統(tǒng)對TN的去除率為（29.60±12.68）%，但t測驗分析表明，兩類濕地系統(tǒng)對TN去除率的差異并不顯著（P>0.05）。

對于復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)，在低進(jìn)水負(fù)荷0.4 m/d下，其對TN的去除率為（52.26±8.54）%，此時有（40.10±9.02）%的NH4+-N被去除，且進(jìn)水帶來的溶解氧較低，系統(tǒng)的反硝化效果相對較好，使TN去除率維持在較高的水平。隨著水力負(fù)荷的增大，使進(jìn)水中的溶解氧量增加，因此系統(tǒng)反硝化效率受到一定的限制，TN的去除率逐漸下降。當(dāng)水力負(fù)荷增至0.6 m/d時，TN去除率降至（50.57±7.99）%，但下降并不明顯，而當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷超過0.8 m/d，TN去除率大幅度下降，主要原因：①此時，水力負(fù)荷增加帶來的溶解氧已不能滿足大量NH4+-N的硝化作用；②溶解氧量的增加使系統(tǒng)的反硝化作用大大降低。當(dāng)水力負(fù)荷為1.0 m/d時，系統(tǒng)對TN的去除率降低至（25.85±5.69）%。因此，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)脫氮適宜的水力負(fù)荷為0.6～0.8 m/d。

對于潛流濕地系統(tǒng)，在低進(jìn)水負(fù)荷0.4 m/d下，其對TN的去除率為（44.00±8.07）%。當(dāng)水力負(fù)荷由0.4 m/d逐漸增至1.0 m/d時，TN去除率急劇下降至（20.47±9.83）%。因此，潛流濕地系統(tǒng)脫氮適宜的水力負(fù)荷應(yīng)取低值0.4 m/d。

當(dāng)水力負(fù)荷在0.4～1.0 m/d時，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對TN的去除率分別為（42.96±12.89）%、（33.70±12.48）%，t測驗分析表明，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)的脫氮能力顯著高于潛流濕地系統(tǒng)（P<0.05）。當(dāng)水力負(fù)荷大于1.0 m/d時，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對TN的去除率分別為（20.46±6.30）%、（20.18±5.62）%，相差很小，主要是由于水力負(fù)荷的大幅度增加使兩類濕地系統(tǒng)的脫氮能力都變差所致。

3 結(jié)論

水力負(fù)荷（HLR）對復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)氮的去除效果有直接的影響。一般情況下，HLR越低，氮的去除率越高。t測驗分析表明，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除能力顯著高于潛流濕地系統(tǒng)（P<0.05），但是兩類濕地系統(tǒng)對TN的去除能力差異并不顯著（P>0.05）。水力負(fù)荷越低，兩類濕地系統(tǒng)對NH4+-N、TN去除率的差距越明顯，當(dāng)水力負(fù)荷為0.4 m/d時，分別相差6.58和8.26個百分點。以脫氮為主要目標(biāo)時，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)最佳的水力負(fù)荷為0.6～0.8 m/d，潛流濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷可取低值0.4～0.6 m/d。

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