國家水體污染控制與治理科技重大專項(2011ZX07303-001)、水利部科技推廣項目(TG1520)和江蘇省科技廳項目(BK20130430)聯(lián)合資助.2015-02-27收稿；2015-04-30

收修改稿.梁康(1988～),男，碩士研究生；E-mail：sanmaokl@163.com。

梁　康1，3，常軍軍2，王飛華1，劉雙元1,3，梁　威1

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垂直流人工濕地對尾水的凈化效果及最佳水力負(fù)荷*

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(2011ZX07303-001)、水利部科技推廣項目(TG1520)和江蘇省科技廳項目(BK20130430)聯(lián)合資助.2015-02-27收稿；2015-04-30

收修改稿.梁康(1988～),男，碩士研究生；E-mail：sanmaokl@163.com。

梁康1，3，常軍軍2，王飛華1，劉雙元1,3，梁威1

(1：中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430072)

(2：云南大學(xué)工程技術(shù)研究院，昆明 650091)

(3：中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：以污水廠尾水為處理對象，研究垂直流人工濕地在4種水力負(fù)荷(125、250、375和500mm/d)條件下的周年凈化效果，結(jié)果表明：秋季時系統(tǒng)的總氮去除率最高，冬季則顯著降低；溫度為10℃、溶解氧濃度為1.1mg/L是反硝化強度顯著降低的關(guān)鍵拐點；總磷在冬季較其他季節(jié)凈化效果高；125 mm/d水力負(fù)荷下CODCr去除率顯著高于其他水力負(fù)荷，冬季CODCr去除率顯著降低，而其他水力負(fù)荷及季節(jié)下的去除效果沒有顯著差異；當(dāng)濕地以高去除率為目標(biāo)時，最佳水力負(fù)荷為125mm/d；當(dāng)濕地以地表水水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)時，最佳水力負(fù)荷為375mm/d；當(dāng)濕地以污染物去除量為目標(biāo)時，最佳水力負(fù)荷為500mm/d.綜合推薦375mm/d為最佳水力負(fù)荷。

關(guān)鍵詞：垂直流人工濕地；尾水；水力負(fù)荷；季節(jié)變化；凈化效果

近年來，污水處理廠尾水已經(jīng)成為補充地表水的重要途徑.雖然污水處理廠二級生物處理可削減大部分污染物，但排放的尾水中仍含有大量的氮、磷等污染物，其對受納水體水環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)安全仍構(gòu)成較大威脅.因此，亟需開展污水廠尾水的深度處理。

人工濕地因其建造及運行費用低、氮磷去除效率高、耐沖擊負(fù)荷強等特點而成為尾水深度處理的主要工藝之一[1-6].水力負(fù)荷(hydraulic loading rate,HLR)是濕地設(shè)計中的一個重要參數(shù)，也是影響濕地污染物處理效果的主要因素之一[7].Mitsch等[8]和Kadlec等[9]研究認(rèn)為停留時間、水深、水力負(fù)荷等因素對濕地系統(tǒng)的處理效果極為重要.一般而言，水力負(fù)荷越低、水力停留時間越長，濕地的處理效率往往越高.然而，較低的水力負(fù)荷意味著需以較大的濕地面積或是較低的處理量為代價.因此，在進(jìn)行人工濕地的設(shè)計和運行時，需確定最佳水力負(fù)荷，在保證出水水質(zhì)的同時，實現(xiàn)污水處理量最大化.以往的研究多集中在以處理效果來評價濕地的最佳水力條件，且系統(tǒng)運行時間有限，并未考察不同季節(jié)下的最佳負(fù)荷，對濕地實際運行的指導(dǎo)作用有限.為此，本文擬通過評價濕地處理尾水的周年運行效果，平衡計算進(jìn)出水污染物總量，探索不同水力負(fù)荷下垂直流人工濕地對污水處理廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)尾水處理的最佳水力負(fù)荷，以期為尾水人工濕地深度處理工程實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

垂直下行流人工濕地小試系統(tǒng)位于中國科學(xué)院水生生物研究所東湖官橋?qū)嶒灮?30°30.39′N，114°28′E)，由4組相同規(guī)模(長×寬×高=1.25m×1m×1m)的下行流人工濕地組成.填料高度75cm，分為上、下2層，下層為40cm粒徑為10～20mm的礫石，上層為35cm粒徑為5～10mm的米石.選擇蘆葦(Phragmitesaustralis)作為濕地植物，種植密度為10株/m2.實驗系統(tǒng)建于2013年11月，調(diào)試運行3個月至系統(tǒng)穩(wěn)定，于2014年2月底開展研究。

1.2 實驗進(jìn)水水質(zhì)

表1 進(jìn)水水質(zhì)

Tab.1 Influent water qualities

參數(shù)均值標(biāo)準(zhǔn)差pH值 7.470.26溶解氧(DO)/(mg/L)5.752.21電導(dǎo)率/(μS/cm)460.5122.56TN/(mg/L)12.181.30NH+4/(mg/L)6.521.21NO-3/(mg/L)5.461.39TP/(mg/L)0.710.11CODCr/(mg/L)54.504.97

1.3 水質(zhì)分析

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地對尾水的凈化效果

圖1 CODCr凈化效果的月變化Fig.1 Monthly changes of CODCr removal efficiency

圖2 TN凈化效果的月變化Fig.2 Monthly changes of TN removal efficiency

2.1.2 氮的去除由圖2可知，濕地系統(tǒng)顯著降低了尾水中TN的濃度.隨著水力負(fù)荷的增大，TN去除率下降，4種水力負(fù)荷下對TN的年均去除率分別為71.39%±17.71%、56.07%±15.18%、53.98%±10.22%和49.63%±9.60%.從效果的月變化來看，125和250mm/d水力負(fù)荷下TN的去除效果表現(xiàn)出相似的規(guī)律：從2月開始逐漸上升，在10月達(dá)到最佳，去除率分別達(dá)到91.24%±3.46%和73.59%±3.14%；而后于2015年1月和2014年12月分別降至最低值35.83%±3.09%和32.62%±8.61%.相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，TN去除率與溫度、水力負(fù)荷分別呈顯著正、負(fù)相關(guān)(P<0.01).由于濕地對氮的去除主要由微生物驅(qū)動，冬季微生物活性隨著溫度的降低而顯著下降，故而TN的去除率顯著降低。

不同季節(jié)下垂直流人工濕地的出水溫度、溶解氧、氧化還原電位及對污染物的凈化效果差異如表2所示。

圖凈化效果的月變化Fig.3 Monthly changes of removal efficiency

圖凈化效果的月變化Fig.4 Monthly changes of removal efficiency

2.2 水力負(fù)荷優(yōu)化

本文嘗試從出水水質(zhì)目標(biāo)、污染物去除率和污染物去除量等方面分析濕地系統(tǒng)對尾水處理的最佳水力負(fù)荷條件。

2.2.1 出水水質(zhì)目標(biāo)由圖1、2、7可知，4種條件下濕地均顯著削減了尾水的N、P負(fù)荷，其中125、250mm/d條件下出水TP濃度均達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，375mm/d條件下除9月外也均達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn).CODCr出水在4種負(fù)荷下均達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn).因此，若出水水質(zhì)目標(biāo)為地表水Ⅴ類，375mm/d水力負(fù)荷在保證出水TP及CODCr達(dá)標(biāo)的同時，能將處理水量最大化.為了使出水TN濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，需合理改善系統(tǒng)的DO狀況，提高其硝化效能，并輔之以適當(dāng)?shù)那?后處理措施。

表2不同季節(jié)垂直流人工濕地出的出水溫度、溶解氧濃度、氧化還原電位及對污染物的去除效率

Tab2Outflow water temperature,DO,oxidation reduction potential and pollutant removal efficiencies of the vertical-flow constructed wetlands in different seasons

圖去除率與出水溫度的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation between removal efficiency and outflow water temperature

圖去除率與出水DO濃度的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation between removal efficiency and outflow dissolved oxygen concentration

圖7 TP凈化效果的月變化Fig.7 Monthly changes of TP removal efficiency

2.2.2 污染物去除率由圖1、4、5及表2可知，125mm/d水力負(fù)荷下在全年的污染物去除率均最高，隨著水力負(fù)荷的提高，污染物在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間縮短，出水濃度升高導(dǎo)致去除效率下降，這與Trang等的結(jié)論相似[21].因此，如以污染物去除率為標(biāo)準(zhǔn)，125mm/d為最佳水力負(fù)荷。

2.2.3 污染物去除量利用最小二乘法對不同水力負(fù)荷的去除率做回歸處理[22]，得到去除率(η)與水力負(fù)荷(H)的關(guān)系(表3).H和η的乘積建立優(yōu)化函數(shù)：

Q=H·η·C進(jìn)　(6)

表4 不同水力負(fù)荷下濕地單位面積單日去污量

因此，當(dāng)以污染物去除量為目標(biāo)時，本實驗條件下的最佳水力負(fù)荷為500mm/d.此時，人工濕地對尾水的除污容量得到了最大發(fā)揮.諸多研究表明，人工濕地對污染物的去除量在一定范圍內(nèi)隨其負(fù)荷的增大而增加[23-25].盡管如此，人工濕地系統(tǒng)對污染物存在去除容量，當(dāng)污染負(fù)荷超過最大容量時，去除量將顯著降低[24].因此在以去除量為目標(biāo)運行人工濕地時，仍需要避免采用超過最大容量的水力負(fù)荷值。

4種水力負(fù)荷下TN、TP的去除率均有顯著差異(P<0.05)，250、375、500 mm/d水力負(fù)荷下CODCr去除率無顯著差異(P>0.05)，其中125 mm/d下的去除率顯著高于其他水力負(fù)荷下的去除率，而250與375 mm/d下TN、TP去除率差異不顯著(P>0.05)，125與375 mm/d水力負(fù)荷下CODCr去除率較250及500 mm/d下的高. 綜上所述，綜合考慮處理水質(zhì)要求、去除率和污染物去除量，建議的最佳水力負(fù)荷為375 mm/d。

3 結(jié)論

通過對2014-2015年垂直流人工濕地在不同水力負(fù)荷下對尾水深度處理效果進(jìn)行評價，以期為人工濕地深度處理尾水的工程實踐提供科學(xué)依據(jù).(1) 垂直流人工濕地能顯著削減尾水中的氮、磷等污染負(fù)荷，其中TN在秋季去除效果最佳，去除率分別為86.62%±6.87%、64.73%±12.68%、59.13%±9.13%和49.88%±11.61%，冬季效果最差，去除率分別為45.78%±14.43%、35.98%±7.18%、42.51%±9.50%和44.29%±9.16%；TP在冬季去除效果最佳，去除率分別為83.81%±6.64%、74.55%±8.82%、65.95%±13.45%和64.27%±13.57%.(2) TN、TP去除效果均隨水力負(fù)荷的上升而降低.除125 mm/d下CODCr去除率顯著高于其他水力負(fù)荷外，其余水力負(fù)荷下CODCr去除率差異不明顯. (3) 以濕地處理后的主要污染物滿足地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，同時兼顧污染物去除量的情況下，375mm/d是最佳水力負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)4

[1]管策, 郁達(dá)偉, 鄭祥等. 我國人工濕地在城市污水處理廠尾水脫氮除磷中的研究與應(yīng)用進(jìn)展. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012, 31(12): 2309-2320。

[2]Margaret G. The role of constructed wetlands in secondary effluent treatment and water reuse in subtropical and arid Australia.EcologicalEngineering, 2005, 25: 501-509。

[3]Tanveer S, Rumana A, Abdullah AMetal. Treatment of tannery wastewater in a pilot-scale hybrid constructed wetland system in Bangladesh.Chemosphere, 2013, 88: 1065-1073。

[4]Weerakoona GM, Jinadasaa KB, Herath GBetal. Impact of the hydraulic loading rate on pollutants removal in tropical horizontal subsurface flow constructed wetlands.EcologicalEngineering, 2013, 61: 154-160。

[5]Yu D, Piotr RW, Mawuli Detal. Impact of hydraulic loading rate and season on water contaminant reductions within integrated constructed wetlands.Wetlands, 2011, 31(3): 499-509。

[6]楊立君. 垂直流人工濕地用于城市污水處理廠尾水深度處理. 中國給水排水, 2009, 25(18): 41-43。

[7]Deblina G, Brij G. Effect of hydraulic retention time on the treatment of secondary effluent in a subsurface flow constructed wetland.EcologicalEngineering, 2010, 36(8): 1044-1051。

[8]Mitsch WJ, Gosselink JG. Wetlands: 2nd ed. New York: John Wiley and Sons, 1993: 135。

[9]Kadlec RH, Knight RL. Treatment wetlands. Boca Rato: Lewis Publisher, CRC Press, 1996: 595-596。

[10]國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法: 第4版. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002: 210-280。

[11]Otto RS, Joel AB, Paul BHetal. Plant species and temperature effects on the k-C*first-order model for COD removal in batch-loaded SSF wetlands.EcologicalEngineering, 2006, 26(2): 100-112。

[12]Gagnon V, Maltais LG, Brisson J. Treatment of hydroponics wastewater using constructed wetlands in winter conditions.Water,Air,andSoilPollution, 2010, 212(1/2/3/4): 483-490。

[13]Fleur EM, James PS. Nitrate removal processes in a constructed wetland treating drainage from dairy pasture.EcologicalEngineering, 2010, 36(10): 1260-1265。

[14]Lin YF, Jing SR, Wang TWetal. Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wetlands.EnvironmentalPollution, 2002, 118(3): 413-420。

[15]Misiti TM, Hajaya MG, Pavlostathis SG. Nitrate reduction in a simulated free-water surface wetland system.WaterResearch, 2011, 45(17): 5587-5598。

[16]Chang JJ, Wu SQ, Dai YRetal. Nitrogen removal from nitrate-laden wastewater by integrated vertical-flow constructed wetland systems.EcologicalEngineering, 2013, 58: 192-201。

[17]Brix H. Gas-exchange through the soil atmosphere interphase and through dead culms of phragmites-australis in a constructed reed bed receiving domestic sewage.WaterResearch, 1990, 24: 259-266。

[18]Sakadevan K, Bavor HJ. Phosphate adsorption characteristics of soils, slags and zeolite to be used as substrates in constructed wetland systems.WaterResearch, 1998, 32: 393-399。

[19]Cheng B, Hu CW, Zhao YJ. Effects of plants development and pollutant loading on performance of vertical subsurface flow constructed wetlands.InternationalJournalofEnvironmentalScienceTechnology, 2011, 8: 177-186。

[20]Vymazal J. Horizontal sub-surface flow and hybrid constructed wetlands systems for wastewater treatment.EcologicalEngineering, 2005, 25: 478-490。

[21]Trang NTH, Konnerup D, Schierupb HHetal. Kinetics of pollutant removal from domestic wastewater in a tropical horizontal subsurface flow constructed wetland system: Effects of hydraulic loading rate.EcologicalEngineering, 2010, 36(4): 527-535。

[22]凌禎, 楊具瑞, 于國榮等. 不同植物與水力負(fù)荷對人工濕地脫氮除磷的影響. 中國環(huán)境科學(xué), 2011, 31(11): 1815-1820。

[23]Suwasa K, Wanida D. Domestic wastewater treatment by a constructed wetland system planted with rice.WaterScienceandTechnology, 2011, 64(12): 2376-2380。

[24]Jing SH, Lin YF, Wang TWetal. Microcosm wetlands for wastewater treatment with different hydraulic loading rates and macrophytes.JournalofEnvironmentalQuality, 2002, 31(2): 690-696。

[25]Njenga M, Sylvie MT, Diederik PLRetal. Performance evaluation of horizontal subsurface flow-constructed wetlands for the treatment of domestic wastewater in the tropics.JournalofEnvironmentalEngineering, 2013, 139(3): 358-367。

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(1)： 114-123

?2016 byJournalofLakeSciences

Purification ability of tail water and optimal hydraulic loading rates in vertical flow constructed wetland

LIANG Kang1，3， CHANG Junjun2， WANG Feihua1， LIU Shuangyuan1,3& LIANG Wei1**

(1：StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology，InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China)

(2：ResearchInstituteofEngineeringandTechnology，YunnanUniversity，Kunming650091，P.R.China)

(3：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

Abstract：Four vertical flow constructed wetlands were employed to evaluate the purification effects within tail water in different seasons under four hydraulic loading rates (125， 250， 375 and 500 mm/d). The results showed that the highest removal efficiency of total nitrogen was achieved in autumn while decreased significantly in winter. The key points of temperature and dissolved oxygen for denitrification were 10℃ and 1.1 mg/L， respectively. The wetland system was more effective for phosphorus removal in winter than in other seasons. Removal efficiency of CODCrunder 125 mm/d was significantly higher than that of other hydraulic loading rates, the lowest treatment performance of CODCrwas achieved in winter，and with no significant variation in other hydraulic loading rates and other seasons. To obtain a full pollutant-removal efficiency of the wetland system， the optimal hydraulic loading rate is at 125 mm/d. To reach the V class of surface water environment quality standard， the optimal hydraulic loading rate is at 375 mm/d. To receive the amount of pollutant removal， the optimal hydraulic loading rate is 500 mm/d. Based on full consideration， the optimal hydraulic loading rate should be at 375 mm/d。

Keywords：Vertical flow constructed wetland； tail water； hydraulic loading rates； seasonal variation； treatment performance

通信作者*；E-mail：wliang@ihb.ac.cn。

DOI10.18307/2016.0113