，，

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

我國(guó)越來越重視環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，積極開展微污染河流、湖泊的水質(zhì)治理。其源頭的污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的尾水也屬于微污染水[1]，人工濕地（constructed wetland，CW）是治理微污染水的生態(tài)技術(shù)之一，特別適用于面源污染治理，凈化水體、改善水質(zhì)。人工濕地技術(shù)屬于生態(tài)水處理技術(shù)[2-3]，其模擬自然濕地的生態(tài)結(jié)構(gòu)，人工設(shè)計(jì)建造污水處理系統(tǒng)，由基質(zhì)組成填料床，在其表面種植高等水生植物，形成特殊的污水處理系統(tǒng)。這種生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)手段在工程應(yīng)用[4-7]上具有可操控性，可行且實(shí)用。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，不同人工濕地的脫氮效果差異較大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者其改良、強(qiáng)化工藝投入了較多研究。其中，強(qiáng)化措施有很多，如工程上一般會(huì)將不同類型的濕地進(jìn)行組合形成復(fù)合濕地，聯(lián)合其它性質(zhì)污水處理工藝形成組合工藝，研發(fā)配制更優(yōu)的基質(zhì)填料組合，優(yōu)化植物的選擇，進(jìn)行高強(qiáng)度曝氣，投加針對(duì)性的微生物等[8-10]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)主要裝置設(shè)置在湖南工業(yè)大學(xué)土木樓308水處理實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)裝置主要包括預(yù)處理系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、集水系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)包括基質(zhì)、植物和曝氣系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置的剖面圖如圖1所示。整個(gè)主實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)格為（長(zhǎng)×寬×高）100 cm×50 cm×100 cm，總?cè)莘e為0.5 m3，側(cè)面每隔20 cm設(shè)置1個(gè)取樣口，安裝閥門。排水口設(shè)置在試驗(yàn)裝置底部，用DN20 PVC 管連接下水道，超過實(shí)驗(yàn)裝置的水由上部的閥門排出。進(jìn)水管與支水管垂直連接，支水管置于基質(zhì)上方，即濕地表面水平均勻分布多個(gè)支水管，支水管上均勻設(shè)置多個(gè)配水孔，孔徑為10 mm，起到均勻布水的效果。實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)水口設(shè)置在下行流濕地系統(tǒng)的上部，水流依靠重力向下流動(dòng)至下行流濕地底部，再通過基質(zhì)填料擴(kuò)散至上行流濕地底部，最后向上緩慢流動(dòng)，直至達(dá)到標(biāo)記的水位線，超出的部分可利用側(cè)面的取樣口排除。增氧氣泵的空氣通過曝氣主管和流量計(jì)輸送至分流器，經(jīng)過分流后分別連接4個(gè)曝氣分管，曝氣分管末端有馬蹄形氣石，可以在水中產(chǎn)生微型氣泡。在實(shí)驗(yàn)裝置中預(yù)埋DN40的PVC 立管，垂直安裝在基質(zhì)填料中，下行流和上行流濕地中各2 根。立管上有間距相同的圓孔，曝氣支管可在立管中上下調(diào)整位置，且不會(huì)被基質(zhì)填料擠壓而變形。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置剖面圖（CW1）Fig.1 Section drawing of test equipment（CW1）

1.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為株洲市龍泉污水處理廠一期工程二沉池邊緣出水的模擬廢水，水質(zhì)情況如表1所示。模擬污水廠出水的試驗(yàn)水質(zhì)低于地表水環(huán)境質(zhì)量V標(biāo)準(zhǔn)，屬于微污染水。

表1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)對(duì)比Table1 Comparison of inlet water quality

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組和空白組，與實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)組與空白對(duì)照組的試驗(yàn)參數(shù)Table2 Test parameters of the experimental group and the blank control group

實(shí)驗(yàn)前先在株洲市龍泉污水處理廠一期工程二沉池邊緣取水樣并測(cè)定其主要水質(zhì)指標(biāo)，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用自來水添加葡萄糖、硫酸銨、磷酸二氫鉀等配置成模擬污水放置在高位水箱中作為原水使用。

選用10～20 mm、30～50 mm 紅火山石作為基質(zhì)填料。紅火山石的比表面積較大，表面有較多的孔隙，且質(zhì)地較硬，適合用作水處理填料[13]。將30～50 mm 紅火山石均勻鋪到實(shí)驗(yàn)裝置的底部，高度約為40 cm，再在上方鋪滿10～20 mm 紅火山石，高度約為40 cm。即將實(shí)驗(yàn)裝置分為兩層，上層為小粒徑的紅火山石，下層為大粒徑的紅火山石，上層紅火山石內(nèi)設(shè)置一塊亞克力材質(zhì)的隔板形成復(fù)合流，最后在上層種植水生植物美人蕉和黃菖蒲。

當(dāng)空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷在50%以下時(shí)，隨著空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷的升高，運(yùn)行費(fèi)用下降的速度超過投資年值增長(zhǎng)的速度，費(fèi)用年值降低.這一階段空氣源熱泵制熱量增速較快，占整個(gè)采暖季的制熱量從0%增長(zhǎng)到86.30%，平均空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷每增加1%，空氣源熱泵制熱量在整個(gè)采暖季的制熱量占比增加1.726%.當(dāng)空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷50%以上時(shí)，費(fèi)用年值隨空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷的增加而增加，空氣源熱泵制熱量在整個(gè)采暖季制熱量的占比增速較慢，平均空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷每增加1%，空氣源熱泵制熱量在整個(gè)采暖季的制熱量占比增加0.189%，增速為上一階段的10.9%.

運(yùn)用單因素實(shí)驗(yàn)法，對(duì)曝氣位置、曝氣時(shí)間、曝氣量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)果：

1）在上行流底部曝氣時(shí)，出水的TN 去除率略微提高，但NH4+-N 去除率下降較大；在兩池底部同時(shí)曝氣時(shí)，TN去除率下降較大。在下行流底部曝氣時(shí)，出水的NH4+-N、TN 去除率均較高。故得知較好的曝氣位置為下行流濕地60 cm 處。

2）單獨(dú)改變曝氣時(shí)間，對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)有明顯影響。隨著曝氣時(shí)間增加，NH4+-N 去除率不斷增大，TN 去除率在0.5～2.0 h 逐漸增大，在2.0～8.0 h 逐漸減小。綜合考慮，確定較好的曝氣時(shí)間為3.5 h。

3）單獨(dú)改變曝氣量對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)有明顯的影響。隨著曝氣量的增加，NH4+-N 去除率先增大后減小直至穩(wěn)定，TN 去除率在200～600 mL/min 逐漸增大，600～1 200 mL/min 逐漸減小。故得出較好的曝氣量為600 mL/min。

通過以上單因素分析結(jié)果，再運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)分析和綜合考慮，確定微動(dòng)力曝氣的最佳運(yùn)行條件如下：曝氣位置為下行流濕地60 cm 處，曝氣時(shí)間為3.5 h，曝氣量為600 mL/min，曝氣方式為連續(xù)曝氣0.5 h，再停機(jī)1.0 h。然后根據(jù)上述得到的最佳運(yùn)行條件進(jìn)行復(fù)合垂直流人工濕地的運(yùn)行效果研究。

1.4 檢測(cè)內(nèi)容及方法

實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)后，進(jìn)行定期采樣，每隔3 d 進(jìn)行1次采樣，測(cè)定進(jìn)水和出水的水質(zhì)指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版和相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

水質(zhì)檢測(cè)試驗(yàn)相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)、方法及儀器，如表3所示。

表3 水質(zhì)檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)及方法Table3 Nutrient salt indicators and methods for water quality testing

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)沿程DO 濃度的影響

DO（dissolved oxygen）對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)裝置在微動(dòng)力曝氣最佳運(yùn)行條件和未曝氣情況下，沿程取樣點(diǎn)的DO 濃度變化如圖2所示。兩種運(yùn)行情況下的DO 濃度差值如圖3所示。

由圖2和圖3可以得知，實(shí)驗(yàn)裝置在未曝氣情況下，沿水流方向，DO 質(zhì)量濃度先增大，后減少，再增大，最后減小至穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)裝置在曝氣最佳運(yùn)行條件下，沿水流方向，DO 質(zhì)量濃度是先增大，后減小，再增大。

1）實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過曝氣后，各沿程取樣點(diǎn)的DO質(zhì)量濃度值均大于5 mg/L，且取樣點(diǎn)2和取樣點(diǎn)8的DO 質(zhì)量濃度值高于7 mg/L；沿水流方向，濕地前端DO 質(zhì)量濃度的增幅較高，這是因?yàn)槠貧馕恢檬窃谙滦辛鞯撞?，微型氣泡受浮力向上擴(kuò)散，并溶解于水中。

2）對(duì)比兩種運(yùn)行條件下的DO 濃度差值，可以發(fā)現(xiàn)最佳運(yùn)行條件下樣的DO 質(zhì)量濃度平均提高了2.52 mg/L。這表明實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的氧環(huán)境條件得到了改善，濕地系統(tǒng)在該曝氣條件下，內(nèi)部呈現(xiàn)出不斷交替的好氧/缺氧環(huán)境。

3）曝氣最佳運(yùn)行條件下，取樣點(diǎn)1～3、7、8的DO 質(zhì)量濃度比取樣點(diǎn)4～6的DO 濃度高。表明取樣點(diǎn)1～3、7、8 在試驗(yàn)裝置的中上部，靠近植物的根系部分，處于好氧區(qū)；而取樣點(diǎn)4～6 在裝置的底部，離植物較遠(yuǎn)，故DO 質(zhì)量濃度相對(duì)較低。

圖2 兩種運(yùn)行條件下沿程取樣點(diǎn)的DO 質(zhì)量濃度變化Fig.2 DO mass concentration changes along the sampling points under two operating conditions

圖3 兩種運(yùn)行情況下的DO 質(zhì)量濃度差值Fig.3 DO mass concentration difference comparison under two operating conditions

2.2 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)沿程pH值的影響

pH值對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的影響主要體現(xiàn)在對(duì)微生物的影響。大多數(shù)微生物生存的適宜pH值范圍均較小，若處于適宜pH值范圍之外，則微生物的生命活動(dòng)會(huì)變慢甚至導(dǎo)致其死亡。實(shí)驗(yàn)裝置在微動(dòng)力曝氣最佳運(yùn)行條件和未曝氣情況下沿程取樣點(diǎn)的pH值變化情況如圖4所示。在兩種運(yùn)行情況下的pH值差值如圖5所示。

圖4 兩種運(yùn)行條件下沿程取樣點(diǎn)的pH值變化Fig.4 pH changes of sampling points along the path under two operating conditions

由圖4和圖5可以得知，實(shí)驗(yàn)裝置在曝氣最佳運(yùn)行條件和未曝氣情況下的pH值變化存在差異，但變化趨勢(shì)類似。

1）未曝氣情況下，pH值的平均值為7.26。取樣點(diǎn)1～4的pH值變化較大，變化范圍為6.92～7.63；取樣點(diǎn)5～8的pH值變化不大，變化范圍為7.04～7.35。曝氣最佳運(yùn)行條件下，pH值的平均值為7.08。取樣點(diǎn)5～8的pH值變化較大，變化范圍為6.86～7.26；取樣點(diǎn)1～4的pH值變化不大，變化范圍為6.62～6.75。

2）對(duì)比兩種運(yùn)行條件下的pH值變化，發(fā)現(xiàn)沿水流方向pH值變化較大，但出水的pH值變化很小，即曝氣對(duì)出水pH值的影響較小。

3）曝氣最佳運(yùn)行條件下的pH值均低于未曝氣情況下的。分析其原因，是曝氣使?jié)竦叵到y(tǒng)內(nèi)硝化作用增強(qiáng)，硝態(tài)氮不斷積累，同時(shí)水中有機(jī)物降解過程中產(chǎn)生了酸性物質(zhì)等，使得溶液的pH值較低。

4）曝氣最佳運(yùn)行條件下的pH值均減小了，且取樣點(diǎn)1的pH值降幅最大。分析原因是曝氣在下行流濕地的底部進(jìn)行，曝氣產(chǎn)生的微量氣泡使得上部的有機(jī)物不斷分解，產(chǎn)生各類酸性物質(zhì)，使得上部pH值呈弱酸性，說明微動(dòng)力曝氣對(duì)下行流濕地上部的pH值影響較大。

2.3 對(duì)垂直流人工濕地中TN的去除效果

各濕地系統(tǒng)的TN 進(jìn)出水質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示，各濕地系統(tǒng)的TN 去除率隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖6 各濕地系統(tǒng)TN 進(jìn)出水質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 TN in and out mass concentration of each wetland system over time

圖7 各濕地系統(tǒng)TN 去除率隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 TN removal rate of each wetland system over time

由圖6中曲線可以得知，各個(gè)濕地系統(tǒng)的進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度為7.02～8.67 mg/L，平均TN的質(zhì)量濃度為7.68 mg/L。經(jīng)過各濕地系統(tǒng)的凈化作用后，TN質(zhì)量濃度均降低，微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW1 后，TN的質(zhì)量濃度為0.37 mg/L；微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW2 后，TN的質(zhì)量濃度為2.49 mg/L；微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW3 后，TN 質(zhì)量濃度為6.20 mg/L。

由圖7可以得知，濕地系統(tǒng)CW1 對(duì)TN的去除率為95.18%，濕地系統(tǒng)CW2 對(duì)TN的去除率為67.58%，CW3 對(duì)TN的去除率為19.27%。可見濕地系統(tǒng)CW1 對(duì)微污染水TN的去除效果最優(yōu)。在不同的濕地處理單元中，CW1 對(duì)水質(zhì)中TN的凈化效果要好于CW2和CW3。

2.4 對(duì)垂直流人工濕地中NH4+-N的去除效果

各濕地系統(tǒng)的NH4+-N 進(jìn)出水質(zhì)量濃度隨著時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖8 各濕地系統(tǒng)NH4+-N 進(jìn)出水質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線 Fig.8 NH4+-N in and out water mass concentration of each wetland system over time

由圖8可以得知，濕地系統(tǒng)的進(jìn)水NH4+-N 質(zhì)量濃度為6.21～6.78 mg/L，平均NH4+-N 質(zhì)量濃度為6.49 mg/L。經(jīng)過各濕地系統(tǒng)的凈化作用后，NH4+-N的質(zhì)量濃度均降低。微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW1 后，NH4+-N的質(zhì)量濃度降為0.23 mg/L；微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW2 后，NH4+-N的質(zhì)量濃度降為2.14 mg/L，微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW3 后，NH4+-N的質(zhì)量濃度降為4.23 mg/L。

各濕地系統(tǒng)的NH4+-N 去除率隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

圖9 各濕地系統(tǒng)NH4+-N 去除率隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 NH4+-N removal rate of each wetland system over time

由圖9可知，濕地系統(tǒng)CW1的NH4+-N 去除率為96.46%，濕地系統(tǒng)CW2的去除率為67.03%，CW3的NH4+-N 去除率為34.82%?？梢?，濕地系統(tǒng)CW1 對(duì)微污染水NH4+-N的去除效果最優(yōu)。在不同的濕地處理單元中，CW1 對(duì)水質(zhì)中NH4+-N的凈化效果要好于CW2和CW3。

2.5 對(duì)垂直流人工濕地中CODCr的去除效果

各濕地系統(tǒng)的CODCr進(jìn)出水濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。

圖10 各濕地系統(tǒng)CODCr 進(jìn)出水質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.10 CODCr in and out water mass concentration of each wetland system over time

由圖10中的曲線可知，濕地系統(tǒng)的進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為33.86～37.50 mg/L，平均CODCr質(zhì)量濃度為35.71 mg/L。經(jīng)過各濕地系統(tǒng)的凈化作用后，水中CODCr質(zhì)量濃度均降低：微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW1 后，CODCr的質(zhì)量濃度為2.09 mg/L；微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW2 后，CODCr的質(zhì)量濃度為5.52 mg/L；微污染水經(jīng)過濕地系統(tǒng)CW3 后，CODCr的質(zhì)量濃度為29.20 mg/L。

各濕地系統(tǒng)的CODCr去除率隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。

圖11 各濕地系統(tǒng)CODCr 去除率隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 CODCr removal rate of each wetland system over time

由圖11可知，濕地系統(tǒng)CW1的CODCr去除率為94.15%，濕地系統(tǒng)CW2的去除率84.54%，CW3的CODCr去除率為18.23%。這一結(jié)果表明濕地系統(tǒng)CW1 對(duì)微污染水CODCr的去除效果最優(yōu)?？偨Y(jié)，在不同的濕地處理單元中，CW1 對(duì)水質(zhì)中CODCr的凈化效果要好于CW1和CW2。

2.6 微動(dòng)力曝氣對(duì)垂直流人工濕地中脫氮機(jī)理分析

有研究表明，含氮化合物的去除主要依靠濕地生物系統(tǒng)中微生物與植物等通過物理、化學(xué)及生物協(xié)同作用的綜合結(jié)果[14]。植物與微生物對(duì)含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化主要通過氨化作用，其將可溶性的含氮有機(jī)物（dissolved organic nitrogen，DON）轉(zhuǎn)化成NH4+-N，再經(jīng)過耦合硝化和反硝化作用去除氨氮[15]。通過對(duì)CW1、CW2與CW3的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)結(jié)果圖的分析，可得知TN與NH4+-N的去除主要通過生長(zhǎng)期植物和微生物的吸收與轉(zhuǎn)化來進(jìn)行，通過增加微動(dòng)力曝氣，能夠增加裝置內(nèi)植物根系與微生物的活性，從而促進(jìn)硝化與反硝化作用的進(jìn)行，使TN與NH4+-N的去除率得到提升。

3 結(jié)論

通過單因素、多因素等試驗(yàn)分析和綜合考慮，確定微動(dòng)力曝氣最佳運(yùn)行條件如下：曝氣位置為下行流濕地60 cm，曝氣時(shí)間為3.5 h，曝氣量為600 mL/min，曝氣方式為連續(xù)曝氣0.5 h，停機(jī)1.0 h。在此運(yùn)行條件下，出水的DO質(zhì)量濃度為7.89 mg/L，pH值為7.26，COD、NH4+-N和TN的去除率均達(dá)到了90%以上；NH4+-N 出水濃度達(dá)到了地表水I標(biāo)準(zhǔn)，TN 出水濃度達(dá)到了地表水II標(biāo)準(zhǔn)。通過微動(dòng)力曝氣，復(fù)合垂直流人工濕地的脫氮效果明顯。

1）曝氣最佳運(yùn)行條件下，試驗(yàn)裝置內(nèi)的DO 質(zhì)量濃度平均提高了2.52 mg/L，表明試驗(yàn)裝置內(nèi)的氧環(huán)境條件得到了改善，濕地系統(tǒng)在該曝氣條件下，內(nèi)部呈現(xiàn)不斷交替的好氧/缺氧環(huán)境。

2）未曝氣情況下出水的平均pH值為7.26；曝氣最佳運(yùn)行條件下出水的平均pH值為7.08，相比前者，后者的平均pH值減小了。對(duì)比兩種運(yùn)行條件下的pH值變化發(fā)現(xiàn)，沿水流方向的pH值變化較大，但出水的pH值變化很小，即曝氣對(duì)出水pH值的影響較小。

3）曝氣最佳運(yùn)行條件下，試驗(yàn)裝置的出水COD、NH4+-N和TN 濃度均減小，相比未曝氣下條件下，COD、NH4+-N和TN 去除效果均得到了提高。