劉利，邢芳芳，趙文博，王儉*

1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院 2.遼寧省本溪市城市新區(qū)開發(fā)建設(shè)管理辦公室

人工濕地是20世紀70年代后逐漸發(fā)展起來的污水處理工藝，主要依靠基質(zhì)、植物及微生物間發(fā)生的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同效應(yīng)去除污染物[1]。人工濕地對污染物去除效果良好，運行成本低，管理方便，廣泛用于富營養(yǎng)化水體治理、生活污水深度凈化以及農(nóng)業(yè)面源污染控制中[2-4]。人工濕地按照不同的工程設(shè)計和水流方式，分為表面流和潛流型人工濕地，而潛流型人工濕地又包括水平潛流和垂直潛流[2]。復(fù)合垂直流人工濕地于“九五”期間由中國科學(xué)院水生生物研究所聯(lián)合科隆大學(xué)及維也納農(nóng)業(yè)大學(xué)在垂直流人工濕地基礎(chǔ)上設(shè)計得到，主要用于生活污水處理，其由垂直下行池和垂直上行池組成，兩池中分別填充不同粒徑的砂和礫石，并種植不同種類的水生或濕生植物[5-6]。在實際運行過程中，復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)對污染物的去除效果受基質(zhì)種類、植物種類、微生物種類、水力負荷、水力停留時間及濕地內(nèi)部水流方式等[5,7-12]多種因素的影響，其中水力負荷和水流方式對污染物去除效率影響較大[13-16]。復(fù)合垂直流人工濕地由2個池體組成，工程造價稍高。由于淹水時間長，復(fù)合垂直流濕地長時間運行后會出現(xiàn)基質(zhì)堵塞現(xiàn)象，在下行流池表面形成積水層，阻礙空氣中氧氣進入基質(zhì)層，使?jié)竦刂泻醚跷⑸锘钚韵陆礫17]。目前國內(nèi)外已有研究主要針對傳統(tǒng)的復(fù)合垂直流人工濕地，通過改變水力負荷和水流方式探討污染物的最佳處理效果[14-18]，但對改良優(yōu)化的復(fù)合垂直流人工濕地的研究較為鮮見。筆者采用新型復(fù)合垂直流人工濕地模擬系統(tǒng)，通過改變進出水孔的位置，進行垂直下行池與垂直上行池之間的變換和空間疊加，從而改變?nèi)斯竦仡愋?，綜合不同類型人工濕地的優(yōu)點，減少投資，并節(jié)省成本。通過改變新型復(fù)合垂直流人工濕地模擬系統(tǒng)的水力負荷及水流方式，對模擬污水處理廠GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準出水進行強化處理，分析人工濕地模擬系統(tǒng)進、出水污染物濃度變化，探討人工濕地模擬系統(tǒng)的最佳水力負荷與水流方式，以期為復(fù)合垂直流人工濕地深度處理污水處理廠尾水的高效運行提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

新型復(fù)合垂直流人工濕地小試模擬系統(tǒng)(簡稱濕地系統(tǒng))如圖1所示，該濕地系統(tǒng)由厚度為10 mm的有機玻璃板制成，尺寸為2.0 m×1.0 m×1.0 m，在缸體左側(cè)高度為30、60 cm處分別有一個進、出水孔(S1和S2)，在缸體右側(cè)高度為0、40 cm處分別有一個進、出水孔(S3和S4)。該濕地系統(tǒng)可達到3種水流方式：1)垂直下行式(DVCW)，即S1進水、S4出水，其與傳統(tǒng)垂直流人工濕地中的垂直下行池功能相同，利于基質(zhì)吸附和反硝化反應(yīng)；2)垂直上行式(UVCW)，即S4進水、S1出水，其與傳統(tǒng)垂直流人工濕地中的垂直上行池功能相同，利于松動基質(zhì)防止堵塞和硝化反應(yīng)；3)復(fù)合垂直流(IVCW)，即S1、S4分別作為進、出水口且一天一換，其將垂直上行池和垂直下行池疊加在同一缸體內(nèi)，每天改變水流方式，以充分利用垂直流人工濕地的功能。

圖1 不同水流方式的新型復(fù)合垂直流人工濕地模擬系統(tǒng)Fig.1 Innovative integrated vertical flow constructed wetland simulation system with different water flow modes

濕地系統(tǒng)從下至上分別用粒徑為20～40 mm的粗礫石填料和10～15 mm的小石子填料填充，填料層的平均孔隙率為42%。濕地系統(tǒng)的進、出水管均采用公稱直徑(DN)為70的穿孔管，管徑上的開孔處表面覆蓋尼龍網(wǎng)，以防堵塞。將進水口和出水口用內(nèi)徑為10 mm的軟管連接，依靠蠕動泵進行驅(qū)動和控制流量，使其形成一個循環(huán)通路。

通過文獻[19-21]分析、實地調(diào)查、實驗室預(yù)試驗，選擇耐污能力強、根系發(fā)達、本土優(yōu)勢生長的挺水植物蘆葦〔Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud〕和適應(yīng)能力強、生物量大、具備美觀和經(jīng)濟價值的浮水植物水葫蘆〔Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms〕搭配種植在該濕地系統(tǒng)中，參考HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》，蘆葦和水葫蘆的種植密度分別為20和6株m2。蘆葦和水葫蘆先栽種于裝有人工污水的水池中30 d，待生長穩(wěn)定后移栽至濕地系統(tǒng)中。

1.2 試驗進水

表1 人工濕地系統(tǒng)進水水質(zhì)

Table 1 Characteristics of influent water in constructed wetland simulation system mgL

表1 人工濕地系統(tǒng)進水水質(zhì)

項目CODNH+4-N濃度TN濃度TP濃度范圍47.3～51.54.0～6.613.8～15.60.39～0.64平均值50.04.614.90.50

1.3 試驗設(shè)計

濕地系統(tǒng)設(shè)置在遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院實習(xí)實踐基地(123°40′E，41°41′N)室外環(huán)境中，于2019年4月建成，5月進行填料鋪設(shè)、密閉性檢測及試運行。于2019年6月1日—8月30日進行試驗，期間室外溫度為16～29 ℃，相對濕度為64%～72%，降水量為40.7～139.0 mm。為考察濕地系統(tǒng)運行的最佳水力負荷、水流方式及植物種植時的運行效果，共設(shè)3部分試驗：1)濕地系統(tǒng)設(shè)置為UVCW水流方式，分別在0.28、0.36、0.72 m3(m2·d) 3個水力負荷下運行10 d；2)設(shè)置水力負荷為0.36 m3(m2·d)，濕地系統(tǒng)分別在UVCW、DVCW和IVCW 3種水流方式下運行10 d；3)在最佳水力負荷和水流方式下，濕地系統(tǒng)分別在有植物(蘆葦和水葫蘆組合)種植、無植物種植時運行10 d。將每種條件下運行的10 d設(shè)定為1個周期，每個周期一次性向人工濕地系統(tǒng)內(nèi)注入人工污水至缸體的90 cm刻度處，以間歇方式運行，每天連續(xù)運行12 h，每個周期結(jié)束后將水排干，用自來水進行沖洗，空置1 d再進行下一個周期試驗，共進行8個周期。

1.4 指標測定與數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 UVCW水流方式下不同水力負荷對污染物的去除效果

2.1.1對COD的去除效果

圖2 不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水COD變化Fig.2 Variations of COD in wetland effluent under different hydraulic loads

10 d運行周期內(nèi)，不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水COD變化如圖2所示。由圖2可知，濕地系統(tǒng)運行前2 d，出水COD明顯下降，第2～8天波動下降，第8～10天快速下降，第10天達到最大去除率。3個水力負荷下，濕地系統(tǒng)COD去除率為38.10%～61.12%，出水COD為19.44～30.95 mgL。隨水力負荷的升高，COD去除率總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，水力負荷為0.28和0.72 m3(m2·d)時，濕地對COD去除能力均低于水力負荷為0.36 m3(m2·d)時。3個水力負荷下的T檢驗分析表明，不同水力負荷下濕地系統(tǒng)對COD的去除效果存在顯著差異(P<0.05)，水力負荷為0.36 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)對COD去除效果最佳，運行10 d后COD去除率達61.12%。

圖3 不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水濃度變化Fig.3 Variations of concentration in wetland effluent under different hydraulic loads

濕地系統(tǒng)主要依靠基質(zhì)的吸附和微生物的吸收作用過濾截留不溶性有機物和分解代謝可溶性有機物[23]。由于試驗處于濕地系統(tǒng)的啟動期，在試驗開始的前6 d，濕地系統(tǒng)主要通過基質(zhì)的吸附作用去除水中COD，基質(zhì)吸附一段時間后會達到飽和，因此第2～6天COD波動變化；第6～10天，濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物適應(yīng)良好，可穩(wěn)定發(fā)揮較好的吸收分解作用，使COD下降并在第10天達到最高去除率，該結(jié)果與尚興寶[24]的研究結(jié)果相似。褚其英等[25]的研究表明，水力負荷對COD去除有較大影響，水力負荷過小時人工濕地不能充分發(fā)揮作用，隨水力負荷增大COD去除率會提高，但水力負荷過大又會導(dǎo)致水力停留時間較短，污水未經(jīng)微生物充分分解就流出系統(tǒng)，從而不利于COD的去除，該結(jié)果與本試驗結(jié)果一致。

2.1.3對TN的去除效果

不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化如圖4所示。由圖4可知，濕地系統(tǒng)運行前2 d，出水TN濃度快速下降，第2～8天平穩(wěn)下降，第8～10天基本穩(wěn)定。水力負荷為0.28、0.36 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)均在第8天達到最大去除率；而水力負荷為0.72 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)在第10天達到最大去除率。3個水力負荷下，濕地系統(tǒng)的TN去除率達32.19%～56.95%，出水TN濃度為6.46～10.17 mgL。隨著水力負荷的升高，TN的去除率總體呈先升高后下降趨勢，水力負荷為0.28和0.72 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)對TN去除能力均低于水力負荷為0.36 m3(m2·d)時。T檢驗分析表明，不同水力負荷下濕地系統(tǒng)對TN的去除效果存在顯著差異(P<0.05)，水力負荷為0.36 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)對TN去除效果最佳，運行10 d后TN去除率達56.95%。

圖4 不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化Fig.4 Variations of TN concentrations in wetland effluent under different hydraulic loads

2.1.4對TP的去除效果

不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化如圖5所示。由圖5可知，水力負荷為0.28、0.36 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)出水TP濃度在第2～4天基本穩(wěn)定達到最大去除率，第4天之后出水TP濃度則緩慢升高；而水力負荷為0.72 m3(m2·d)時，出水TP在第8天達到最大去除率，第8～10天則有所降低。3個水力負荷下，濕地系統(tǒng)的TP去除率可達46.00%～62.00%，出水TP濃度為0.19 ～0.27 mgL。隨著水力負荷的升高，TP去除率總體呈先升高后下降的趨勢，水力負荷為0.28和0.72 m3(m2·d)時，濕地對TP去除能力均低于水力負荷為0.36 m3(m2·d)時。T檢驗分析表明，不同水力負荷下濕地系統(tǒng)對TP的去除效果存在顯著差異(P<0.05)，水力負荷為0.36 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)對TP去除效果最佳，處理10 d后TP去除率達62.00%。

圖5 不同水力負荷下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化Fig.5 Variations of TP concentration in wetland effluent under different hydraulic loads

人工濕地對磷的去除主要通過填料的吸附及微生物同化吸收作用，填料吸附除磷在TP去除中占據(jù)最重要地位[32]。水力負荷為0.28和0.36 m3(m2·d)時，濕地系統(tǒng)在2～4 d就能達到對TP的最佳去除效果，這與基質(zhì)的吸附作用是除磷的主要方式有關(guān)?？梢?，利用人工濕地除磷時，要選取吸附能力較強、比表面積較大的基質(zhì)材料。第4天后濕地系統(tǒng)出水TP濃度上升可能是由于出現(xiàn)了基質(zhì)的磷解吸現(xiàn)象，或是部分被微生物吸收的磷釋放到系統(tǒng)內(nèi)所致。祝志超等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在垂直流人工濕地上部有氧區(qū)域聚磷菌吸收磷，在下層缺氧區(qū)釋放磷，造成垂直流人工濕地出水中TP濃度先降低后升高。水力負荷對濕地系統(tǒng)中TP去除效果有較大影響，水力負荷過高會減少污水停留時間，使磷未被完全吸附轉(zhuǎn)化就排出系統(tǒng)，還有可能會沖擊基質(zhì)使已吸附的磷再次釋放到系統(tǒng)中[24]，導(dǎo)致TP去除率下降。

2.2 不同水流方式下濕地系統(tǒng)對污染物的去除效果

2.2.1對COD的去除效果

不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水COD變化如圖6所示。由圖6可知，前6 d，濕地系統(tǒng)出水COD呈先下降后升高趨勢，第6天后迅速下降，在第10天達到最大去除率。3種水流方式下，濕地系統(tǒng)COD去除率可達38.10%～63.73%，出水COD可達18.50～34.02 mgL。水流方式為UVCW和IVCW時，濕地系統(tǒng)出水COD變化規(guī)律相似，水流方式為DVCW時，濕地系統(tǒng)對COD的去除能力低于UVCW和IVCW。T檢驗分析表明，不同水流方式下濕地系統(tǒng)對COD的去除效果存在顯著差異(P<0.05)，水流方式為UVCW時，系統(tǒng)對COD去除效果最佳，處理10 d后COD去除率達63.73%。

圖6 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水COD變化Fig.6 Variations of COD in wetland effluent under different water flow modes

濕地系統(tǒng)運行的第2～6天，對污水中COD起主要作用的是基質(zhì)吸附，第6～10天濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物發(fā)揮主要作用，因此在第10天COD達到最高去除率，該研究結(jié)果與尚興寶[24]的研究結(jié)果相似。水流方式為UVCW和IVCW時，濕地系統(tǒng)的水流由下到上，便于松動基質(zhì)，防止堵塞，由于試驗使用的是循環(huán)回流裝置，可以將系統(tǒng)上部水中的溶解氧直接輸送至底部，改善濕地系統(tǒng)整體溶解氧狀態(tài)，有利于好氧微生物對COD的去除。

圖7 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水濃度變化Fig.7 Variations of content in wetland effluent under different water flow modes

2.2.3對TN的去除效果

不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化如圖8所示。由圖8可知，隨濕地系統(tǒng)的運行，出水TN濃度逐漸降低，DVCW、IVCW水流方式濕地系統(tǒng)在第10天達到最高去除率；而UVCW水流方式濕地系統(tǒng)在第8天達到最高去除率，之后TN濃度有所上升。3種水流方式下濕地系統(tǒng)的TN去除率可達26.73%～57.59%，出水TN濃度為6.34～10.99 mgL。水流方式為DVCW和IVCW時，濕地系統(tǒng)對TN的去除能力均低于水流方式為UVCW時。T檢驗分析表明，不同水流方式下濕地系統(tǒng)對TN的去除效果存在顯著差異(P<0.05)，水流方式為UVCW時，系統(tǒng)對TN的去除效果最佳，處理10 d后TN去除率達57.59%。

圖8 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TN濃度變化Fig.8 Variations of TN concentration in wetland effluent under different water flow modes

2.2.4對TP的去除效果

不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化如圖9所示。由圖9可知，UVCW和DVCW水流方式下，濕地系統(tǒng)均在第2～4天達到TP最高去除率；IVCW水流方式下，濕地系統(tǒng)出水TP濃度在第6天基本達到穩(wěn)定。3種水流方式下，濕地系統(tǒng)的TP去除率可達26.00%～65.38%，出水TP濃度為0.18～0.37 mgL。水流方式為DVCW和IVCW時，濕地系統(tǒng)對TP的去除能力均低于水流方式為UVCW時。T檢驗分析表明，不同水流方式下濕地系統(tǒng)對TP的去除效果存在顯著差異(P<0.05)，水流方式為UVCW時，濕地系統(tǒng)對TP的去除效果最佳，處理10 d后TP去除率達65.38%。

圖9 不同水流方式下濕地系統(tǒng)出水TP濃度變化Fig.9 Variations of TP content in wetland effluent under different water flow modes

濕地系統(tǒng)對TP的去除主要依靠基質(zhì)吸附作用，當基質(zhì)吸附能力降低時，TP去除效果會逐漸變差[34]。試驗后期濕地系統(tǒng)出水TP濃度略有增加，可能與基質(zhì)對磷的解吸和微生物在缺氧區(qū)釋放磷有關(guān)，這與祝志超等[33]的研究結(jié)果一致。水流方式為UVCW的濕地系統(tǒng)具有垂直向上循環(huán)回流的水流，能充分利用基質(zhì)的吸附作用，有利于TP的去除，因此去除效果較好。

2.3 種植植物時濕地系統(tǒng)對污染物的去除效果

由2.1節(jié)和2.2節(jié)試驗結(jié)果，將水力負荷設(shè)為0.36 m3(m2·d)，水流方式設(shè)為UVCW，分別考察有、無植物種植時，濕地系統(tǒng)對主要污染物的去除效果，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，與無植物種植時相比較，有植物種植時濕地系統(tǒng)對污染物的凈化效果明顯提高，經(jīng)過10 d運行，濕地系統(tǒng)對去除率分別達72.20%、72.00%、81.13%和75.01%，分別比無植物種植時提高了13.2個、9.5個、26.0個和15.9個百分點，且出水COD與濃度均低于Ⅳ類水質(zhì)標準，TN濃度略高于Ⅴ類水質(zhì)標準。單因素ANOVA分析發(fā)現(xiàn)，有、無植物種植的濕地系統(tǒng)對污染物的去除率差異顯著(P<0.05)。

圖10 有、無植物種植時濕地系統(tǒng)對污染物去除率的比較Fig.10 Comparison of pollutants removal rates of constructed wetlands with and without plant planting

研究發(fā)現(xiàn)，在濕地系統(tǒng)中種植植物對去除污染物具有積極作用，可明顯提高污染物的去除率，這與梁奇奇等[35]的研究結(jié)果一致。植物通過根系輸氧能改善水體中的溶解氧狀態(tài)，有利于微生物的生長繁殖；根系還會分泌出酶、氨基酸等活性物質(zhì)，有利于提高根際微生物活性，從而改善污染物去除效果[36]。陳進軍等[37]研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦、水葫蘆、苦草〔Vallisnerianatans(Lour.) Hara〕的搭配種植，顯著提高了人工濕地對污染物的去除效果，本研究濕地系統(tǒng)中搭配種植蘆葦和水葫蘆不僅顯著提高了污染物去除率，同時還能較好地利用濕地表面積，并結(jié)合挺水植物和浮水植物各自的優(yōu)點，呈現(xiàn)良好的景觀效果。

3 結(jié)論

(1)采用新型復(fù)合垂直流人工濕地對模擬的城鎮(zhèn)污水處理廠一級A標準出水進行強化處理，在水力負荷為0.36 m3(m2·d)，水流方式為UVCW時，對污染物去除效果最好，出水TP濃度、COD均達到Ⅳ類水質(zhì)標準。

(2)在水力負荷為0.36 m3(m2·d)，水流方式為UVCW時，有植物種植的新型復(fù)合垂直流人工濕地出水濃度與COD均達到Ⅳ類水質(zhì)標準，TN濃度略高于Ⅴ類水質(zhì)標準。新型復(fù)合垂直流人工濕地在實際運行時，可考慮種植適宜的植物，既提高對污染物的去除效果，又具有一定的景觀價值。

(3)新型復(fù)合垂直流人工濕地在水力負荷為0.36 m3(m2·d)，水流方式為UVCW,以間歇方式運行時，可以達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，且對污染物去除效果明顯，還能有效防止堵塞現(xiàn)象，應(yīng)用于污水處理廠尾水深度處理可達到減少投資、節(jié)省成本的目的。