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不同组合类型人工湿地污水处理效果比较 * 柳明慧1宋玉丽2吕涛1吴树彪1鞠鑫鑫2常永江3陈理1董仁杰1 1. 中国农业大学工学院， 北京 100083; 2. 中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083; 3. 中国农业大学农学与生物技术学院， 北京 100083 摘要 构建室内潮汐流 － 水平潜流和水平潜流 － 潮汐流 2 种不同组合人工湿地系统， 探讨不同组合人工湿地系统对污 染物的去除效果。研究结果表明 1 当进水总有机碳平均质量浓度为 75. 9 mg/L， 氨氮平均质量浓度为 99. 4 mg/L 时， 潮汐流 － 水平潜流和水平潜流 － 潮汐流人工湿地系统对总有机碳的去除率分别为 90. 2 和 91. 3， 氨氮平均去 除率分别为19. 5和39. 2， 总氮平均去除率分别为10. 3和30. 5。水平潜流 － 潮汐流人工湿地系统对氮素表现 出较好的去除能力。2 在进水氨氮浓度不变， 降低潮汐流 － 水平潜流组合人工湿地进水的总有机碳浓度至 23. 1 mg/ L， 同时， 升高水平潜流 － 潮汐流进水的总有机碳浓度至 105. 0 mg/L 时， 2 组湿地系统对氮素的平均去除率均得到大 幅度提高， 氨氮去除率分别为 78. 9和 80. 6， 总氮平均去除率也分别升高到 45. 4和 51. 8。 关键词 潮汐流; 水平潜流; 组合人工湿地; 处理效果 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402006 TＲEATMENT PEＲFOＲMANCE OF DIFFEＲENT COMBINATIONS OF CONSTＲUCTED WETLANDS SYSTEMS Liu Minghui1Song Yuli2Lv Tao1Wu Shubiao1Ju Xinxin2Chang Yongjiang3Chen Li1Dong Ｒenjie1 1. College of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083，China; 2. College of Water Conservancy ＆ Civil Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083，China; 3. College of Agriculture and Biotechnology， China Agricultural University， Beijing 100083，China AbstractTidal flow- horizontal flow system and horizontal flow- tidal flow system were set up to study the removing effects of pollutants by different combinations of constructed wetland systems． The results showed that at the same influent concentration， the average total organic carbon removal rate was 90. 2 and 91. 3，the average removal of NH 4- N were 19. 5 and 39. 2，and the average total nitrogen removal rate was 10. 3 and 30. 5 in tidal flow- horizontal flow system and horizontal flow- tidal flow system，respectively． However，nitrogen removal rate was highly improved in two systems when reducing organic carbon of influent in tidal flow- horizontal flow system and increasing it in horizontal flow- tidal flow system． The average NH 4- N removal rate was 78. 9 and 80. 6，and total nitrogen removal rate was 45. 4 and 51. 8 in tidal flow- horizontal flow system and horizontal flow- tidal flow system，respectively． Keywordstidal flow;horizontal subsurface flow;hybrid constructed wetlands;treatment effect * 国家自然科学基金项目 51308536 ; 教育部博士点基金 2013008120018 。 收稿日期 2013 －05 －02 0引言 人工湿地技术 20 世纪 70 年代开始在我国推广 应用， 以其投资少、 能耗低、 净化效果好、 运营管理方 便等特点引起众多学者的关注和研究［1- 4 ］。研究表 明， 污水在人工湿地系统中的净化主要以基质、 植物 和微生物通过物理、 化学及生物作用协同完成的。人 工湿地不仅对有机污染物有较强的降解能力， 而且对 传统的二级处理难去除的氮也有较好的去除效 果 ［5 ］。湿地的氧环境是影响人工湿地对污染物中氮 素去除效果的主要因素， 而湿地系统中水的运行方式 是决定氧环境的关键因素之一［6 ］。 水平潜流人工湿地中的基质由于长期处于淹水 状态， 液面扩散复氧和植物根系泌氧能力有限［7 ］ ， 湿 地床体环境趋于厌氧， 不利于有机物和氨氮的去 52 水污染防治 Water Pollution Control 除 ［8 ］， 但床体的厌氧环境和未完全分解的有机物可 以为反硝化作用提供有利条件［9 ］。潮汐流人工湿地 可以利用运行过程中床体饱和浸润面瞬间变化产生 的基质孔隙吸力将大气氧强迫吸入床体， 来大幅度提 高湿地系统的氧传输量和复氧能力［10- 11 ］， 进而提高 有机物和氨氮的好氧降解和去除。研究表明， 潮汐流 人工湿地床的复氧能力高达 350 g/ m2 d ［12 ］， 远高 于水平潜流人工湿地的复氧能力 1 ～ 8 g/ m2 d ［13- 14 ］， 能够满足生活污水中污染物好氧去除的需 氧量， 但是氨氮通过硝化作用生成的大量硝态氮无法 在潮汐流人工湿地中有效降解， 会降低出水水质。为 充分利用潮汐流人工湿地复氧效果好和水平潜流人 工湿地床厌氧的特点， 提高湿地系统对污水中污染物 的去除效果， 将不同类型的人工湿地进行组合应用作 为本文研究方向。 本研究， 将潮汐流人工湿地与水平潜流人工湿地 按照不同的方式进行组合， 构建室内潮汐流 － 水平潜 流 TF- HF 和水平潜流 － 潮汐流 HF- TF 复合人工 湿地系统， 研究不同组合的复合人工湿地对污水中有 机物、氮等污染物的去除效果。同时， 研究不同进水 有机物浓度对人工湿地系统除氮效果的影响， 以期为 潮汐流和水平潜流复合人工湿地污水处理技术的发 展及实际工程应用提供理论依据和参考。 1试验部分 1. 1试验装置 实验室规模人工湿地装置采用透明有机玻璃制 作， 水平潜流人工湿地装置尺寸为 1. 0 m 0. 15 m 0. 5 m 长 宽 高 ， 分为布水区、 处理区和集水区， 布水区和集水区长均为 2 cm， 以穿孔板与处理区分 隔， 装置底部设有集水管， 出水高度设在 40 cm 高度 处。布水区与集水区内填充粒径 40 mm 左右的砾 石， 处理区内部填充 45 cm 高、 粒径 2 ～4 mm 的石英 砂， 孔隙体积为24 L。潮汐流人工湿地装置采用圆柱 体形式， 高度为 70 cm， 横截面圆形直径为 20 cm， 装 置底部填充 10 cm 高、 粒径 40 mm 左右的砾石层， 上 部为粒径 2 ～4 mm 的石英砂层， 高 55 cm， 出水口距 底部高度 5 cm， 孔隙体积为 6 L。 1. 2试验参数 将潮汐流人工湿地和水平潜流人工湿地按照不 同的方式组合成 TF- HF 系统和 HF- TF 系统 图 1 ， 每套系统含有 1 级水平潜流人工湿地和 2 级潮汐流 人工湿地。2 套系统于 2011 年 4 月在中国农业大学 能源工程与低碳技术研究室内同时开始运行， 运行周 期共 225 d， 日处理量均为 6 L/d， 回流比均为 1∶ 1。 每级湿地进水均用蠕动泵控制， 水平潜流人工湿地为 连续流， 理论水力停留时间为 4 d， 水力负荷为 0. 04 m3/ m2 d 。潮汐流人工湿地采用间歇进水和 瞬间排水的运行模式， 淹没排空比为 12 h∶ 12 h， 电子 排水阀采用时间继电器控制其进水、 出水时间及水力 负荷。运行期间室内气温为 10 ～20 ℃。 图 1 TF- HF 和 HF- TF 人工湿地系统 Fig．1Concentration of DO and OＲP in the influent and effluent of the two systems 1. 3污水水质及测试方法 人工湿地系统进水采用实验室人工配置， 配置药 品采用葡萄糖氯化铵和磷酸二氢钾， 试验前期对湿地 系统进行为期 2 个月的微生物挂膜， 试验分为两个阶 段 阶段 A 和阶段 B ， 期间进水中氨氮 NH 4 - N 的 平均质量浓度保持稳定， 约为 99. 4 mg/L。在阶段 A 的条件下， 总有机碳 TOC 的平均质量浓度约为 75. 9 mg/L， 阶段 B 中， TF- HF 系统 TOC 的平均质量 浓度降低至约 23. 1 mg/L， HF- TF 系统 TOC 的平均质 量浓度升高至约 105. 0 mg/L。 试验期间， 每 3 d 取一次水样进行测试。水样采 集后立即测试 pH、 OＲP、 NO － 2 - N 和 NH 4 - N， 剩余水样 保存在冰柜冷冻室－ 18 ℃ 中， 收集后每周进行 TOC 和 NO － 3 - N 的质量浓度测试。 水质测试方法为 pH 采用 Orion 3- Star pH 计测 定; 氧化还原电位 OＲP 采用 Orion 3- Star OＲP 测定 仪测定; TOC 采用 TOC 测定仪测定; NH 4 - N 的质量 浓度采用水杨酸 －次氯酸盐光度法; 亚硝态氮 NO － 2- N 62 环境工程 Environmental Engineering 的质量浓度采用 N 1- 萘基－ 乙二胺光度法测定; 硝 态氮 NO － 3 - N 的质量浓度采用 TＲAACS2000 连续流 动分析仪测试。 2结果与分析 2. 1TF- HF 和 HF- TF 人工湿地系统中 pH 及 OＲP 的动态变化 TF- HF 和 HF- TF 人工湿地系统在 A、 B 两个试验 阶段中系统进水、 潮汐流和水平潜流人工湿地出水中 pH 和 OＲP 随时间的变化情况见图 2。 图 2系统进、 出水中 pH 及 OＲP 随运行时间的动态变化 Fig．2Change in concentration of pH and OＲP in the influent and effluent of the two systems with operating time 两组系统采用相同进水， pH 和 OＲP 分别维持在 7. 2 和210 mV。在阶段 A 的条件下， TF- HF 人工湿地 系统污水经过潮汐流人工湿地后 pH 降低至约 6. 3， 再 经过水平潜流人工湿地出水pH 值基本保持不变; 在试 验阶段 B， 降低进水有机物浓度， TF- HF 湿地系统中潮 汐流和水平潜流湿地出水 pH 分别降低至 4. 1 和 4. 0， 说明进水有机物浓度的降低， 则减少了有机物好氧降 解的微生物与硝化细菌的竞争， 从而使得氨氮得到较 好去除。在这两个试验阶段中， HF- TF 人工湿地系统 中水平潜流人工湿地的出水 pH 均维持在 6. 4 ～7. 7， 在经过潮汐流后， 出水 pH 有了一定降低， 但均保持在 5. 4 ～7. 3。试验结果表明 在两套系统中， 污水经过水 平潜流人工湿地处理后pH 值降低均不明显， 而经过潮 汐流人工湿地处理后， 出水 pH 会出现较大幅度的降 低， 分析原因可能是在潮汐流人工湿地中好氧环境下， 微生物降低氨氮发生硝化反应， 需要消耗氢离子， 进而 使得水体中的 pH 值降低 ［ 14- 15 ］。 TF- HF 人工湿地系统中， 从阶段 A 到阶段 B， 随 着进水有机物浓度的降低， OＲP 大幅度升高， 约为 284 mV， 说明有机物浓度的降低减少了湿地中氧的 消耗， 使湿地床体保持更好的氧环境。在两个试验阶 段中， HF- TF 人工湿地系统中各部分出水 OＲP 并没 有随着有机物浓度的升高出现明显的变化， 系统中 HF 和 TF 部分出水平均值分别维持在 80， 200 mV 左 右， 说明 HF- TF 系统中的有机物主要通过作为碳源 参与反硝化作用消耗; 同时， 污水流经潮汐流人工湿 地后， 出水 OＲP 值明显提高， 说明潮汐流可以通过潮 汐作用提高湿地的氧环境。 2. 2TF- HF 和 HF- TF 人工湿地系统中有机物和氮 的去除效果 TF- HF 和 HF- TF 人工湿地系统在 A、 B 两个阶段 中湿地系统进水、 潮汐流出水和水平潜流出水中 TOC、 NH 4 - N 和 NO － 3 - N 随时间的变化情况见图 3。 2 套系统对各污染物在不同试验阶段的去除效果见 表 1， 其中 NO － 2 - N 的出水浓度均较低＜1 mg/L 。 在试验阶段 A， TF- HF 系统对 TOC 的去处率达 90. 2， 在 试 验 阶 段 B，降 低 进 水 ρ TOC 至 23. 0 mg/L后， 污染物负荷降低， TOC 经过 TF- HF 系 统后去除率可以稳定达 97. 6。在 HF- TF 系统中， 即使在试验阶段 B， 提高进水 ρ TOC 至105. 0 mg/L， 系统及各处理部分对 TOC 去除率也没有发生较大的 波动， 稳定在 96. 6。说明在 HF- TF 人工湿地系统 中， 系统潮汐流湿地发生硝化反应产生的硝酸盐经过 回流至水平潜流湿地， 同时， 水平潜流湿地中的厌氧 环境有利于反硝化作用的进行， 进水中增加的 TOC 可以作为碳源参与反硝化作用， 使硝酸盐得到了大量 的去除。两套人工湿地系统在试验阶段 A 和 B 进水 NH 4 - N 的质量浓度保持在约99. 4 mg/L。试验阶段 A 条件下， 污水经过 TF- HF 潮汐流人工湿地后 NH 4 - N 的平均质量浓度降至80. 9 mg/L; 再经过水平潜流人 工湿地， 出水中 NH 4 - N 的平均质量浓度基本保持不 变约为 79. 2 mg/L， 表明系统后处理单元水平潜流人 工湿地对 NH 4 - N 的去除效果不明显。因为在阶段 A 中氨氮通过硝化作用去除率只达到约 19. 5， 相应 产生的 NO － 3 - N 也较少， 约为 10 mg/L， 此试验阶段中 TN 去除率约 10. 3。而在阶段 B 条件下， 降低了进 72 水污染防治 Water Pollution Control 表 1TF- HF 和 HF- TF 人工湿地系统出水 TOC， NH 4- N 和 TN 的去除情况 Table 1Average removal rate of TOC，NH 4- N and TN in the two systems 水质指标 TF- HFHF- TF TOCNH 4 - NTNTOCNH 4 - NTN 阶段 A 前处理单元89. 7 5. 117. 7 3. 48. 6 3. 584. 3 5. 819. 4 4. 216. 1 3. 7 后处理单元90. 2 7. 819. 5 4. 110. 3 4. 791. 3 8. 339. 2 3. 430. 5 3. 2 阶段 B 前处理单元96. 9 5. 170. 3 8. 541. 0 8. 588. 7 9. 834. 2 9. 232. 9 9. 2 后处理单元97. 6 2. 278. 9 6. 845. 4 6. 896. 6 1. 980. 6 3. 451. 8 10. 8 图 3系统进、 出水中 TOC、 NH 4 - N 和 NO － 3 - N 的 平均质量浓度随运行时间变化 Fig．3Change in concentration of TOC、 NH 4 - N and NO － 3 - N in the influent and effluent of the two systems with operating time 水 TOC 的浓度， 系统对 NH 4 - N 得到明显去除， 污水 经过潮汐流人工湿地后， 平均质量浓度下降到 29. 6 mg/L，后经过水平潜流人工湿地 NH 4 - N 浓度 基本保持不变， 约为 21. 1 mg/L， 系统对 NH 4 - N 去除 率提高至约 78. 9。此阶段中相应 NO － 3 - N 的产生 量也随之提高， 达到约 30 mg/L， 此阶段中 TN 去除率 也升高至 45. 4 左右。表明 在阶段 A 条件下较高 的进水 TOC 浓度对 NH 4 - N 的好氧降解产生了抑制 作用， 而在降低 TOC 进水负荷后， 系统对 NH 4 - N 及 TN 去除率取得明显提高。 HF- TF 系统中， 在阶段 A 条件下， 污水先经过水 平潜流人工湿地后， 污水中 NH 4 - N 质量浓度下降到 79. 0 mg/L， 去除率约为 19. 4， 与 TF- HF 系统出水 中 NH 4 - N 的总去除率基本一致， 分析原因是水体中 的有机物主要是通过反硝化作用去除， 未与 NH 4 - N 的耗氧降解竞争氧气， 从而使得 HF- TF 系统的水平 潜流人工湿地表现出较好的 NH 4 - N 去除率。水平潜 流人工湿地的出水进入复氧条件较好的 2 级潮汐流 人工湿地后， NH 4 - N 得到进一步去除， 去除率达到约 39. 2， 同时出水中 NO － 3 - N 的平均质量浓度仅为 8. 5 mg/L， TN 去除率为 30. 5， 在阶段 A 条件下， 脱 氮能力明显优于 TF- HF 系统。在阶段 B 中， 升高进 水 ρ TOC 至 105. 0 mg/L， 更多的有机物作为碳源参 与水平潜流中的反硝化作用， 使得水平潜流人工湿地 出水中的 NO － 3 - N 的平均质量很低， TN 去除率明显提 高， 从30. 5升高至51. 8 见表1 ， 系统中 NH 4 - N 的去除率也从 34. 2 升高至 80. 6， 试验结果表明 系统对 NH 4 - N 和 TN 的平均去除率均取得大幅度 提高。 研究结果表明 改变进水有机负荷后， 两系统中 NH 4 - N 和 TN 的去除均得到明显提高， 而 HF- TF 人 工湿地系统中， 能更好的利用潮汐流和水平潜流人工 湿地各自的特点， 强化硝化/反硝化作用， 加强对有机 物和氮的去除， 能更充分利用组合人工湿地的特点， 提高组合人工湿地对污水的净化能力。 3结论 本文对室内潮汐流 － 水平潜流 TF- HF 和水平 潜流 － 潮汐流 HF- TF 2 种不同组合人工湿地系统 在 2 种不同运行条件下的污染物去除能力进行研究， 结论如下 1 相对于水平潜流人工湿地， 潮汐流人工湿地 的复氧能力较强， 有利于提高微生物对有机物的好氧 82 环境工程 Environmental Engineering 降解活性和硝化细菌对氨氮的氧化去除。而水平潜 流人工湿地因较差的氧环境， 更加有利于湿地中反硝 化的进行， 增强污水中硝酸盐和有机物的去除。 2 当进水总有机碳平均质量浓度为 75. 9 mg/L， 氨氮平均质量浓度为 99. 4 mg/L 时， 潮汐流 － 水平潜 流和水平潜流 － 潮汐流人工湿地系统对总有机碳的 去除率分别为 90. 2 和 91. 3， 氨氮平均去除率分 别为 19. 5 和 39. 2， 总氮平均去除率分别 为 10. 3和 30. 5。水平潜流 － 潮汐流人工湿地系统 对氮素表现出较好的去除能力。 3 在进水氨氮浓度不变， 降低潮汐流 － 水平潜 流组合人工湿地进水的总有机碳浓度至 23. 1 mg/L， 同时， 升高水平潜流 － 潮汐流进水的总有机碳浓度至 105. 0 mg/L 时， 2 组湿地系统对氮素的平均去除率均 取得大幅度提高， 氨氮去除率分别为 78. 9 和 80. 6， 总氮平均去除率也分别升高到 45. 4 和 51. 8。说明碳氮比是影响湿地系统除氮效果的关 键因素， 湿地系统中氨氮的去除受到有机物好氧去除 的抑制， 而降低碳氮比后可以提高氨氮的去除率， 且 有机物的增加可以显著提高水平潜流人工湿地中反 硝化的进行， 促进湿地系统中总氮的去除。 参考文献 ［1］Verhoeven J T A，Meuleman A F M． Wetlands for wastewater treatment opportunitiesandlimitations［J］ ．Ecological Engineering， 1999， 12 1 5- 12. ［2］于少鹏，王海霞，万忠娟，等． 人工湿地污水处理技术及其在 我国发展的现状与前景［J］ ． 地理科学进展，2004，23 1 22- 29. ［3］Zhang J，Cao X S，Meng X Z． Sustainable urban sewerage system and its application in China ［J］ ． Ｒesources，Conservation and Ｒecycling， 2007， 51 2 284- 293. ［4］吴树彪， 董仁杰． 人工湿地污水处理应用与研究进展［J］． 水处 理技术， 2008， 34 8 5- 9. ［5］熊飞， 李文朝， 潘继征， 等． 人工湿地沿程脱氮除磷的效果与机 理研究［J］． 湿地科学， 2005， 3 3 228- 234. ［6］栾晓丽， 王晓， 赵钰， 等． 复合垂直流与潜流人工湿地沿程脱氮 除磷对比研究［J］． 环境污染与防治， 2009， 31 11 26- 34. ［7］Lin Y F，Jing S Ｒ，Wang T W，et al． Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wet lands ［J］．Environment Pollution，2002，119 3 413- 420. ［8］Job G D，Biddlestone A J，Gray K Ｒ． Treatment of high strength agricultural and industrial effluents using reed bed treatment systems［J］． Chemical Engineering Ｒesearch and Design，1991， 69 3 187- 189. ［9］闫志英， 廖银章， 李旭东， 等． 新型废水生物脱氮的微生物学研 究进展［J］． 应用与环境生物学报， 2006， 12 2 292- 296. ［ 10］Sun G，Gray K Ｒ，Biddlestone A J． Treatment of agricultural wastewater in a polit- scale tidal f low reed bed system ［J］． Environment Technology， 1999， 20 233- 237. ［ 11］Sun G，Zhao Y Q，Allen S． Enhanced removal of organic matter and ammoniacal- nitrogen in a column experiment of tidal flow constructed wetland system［J］． Journal of Biotechnology，2005， 115 189- 197. ［ 12］Wu S B，Zhang D X，Austin D，et al． uation of a lab- scale tidalflowconstructedwetlandperance oxygentransfer capacity，organic matter and ammonia removal ［J］． Ecological Engineering， 2011， 37 1789- 1795. ［ 13］Garcia J，Ｒousseau D P L，Morato J，et al． Contaminant removal processes in subsurface- flow constructed wetlandsA review ［J］． Critical Ｒeviews in Environmental Science and Technology，2010， 40 7 561- 661. ［ 14］Kadlec Ｒ，Wallace S． Treatment wetlands ［M］． 2nd ed． Boca Ｒaton，FloridaCＲC Press， 2009 335- 337. ［ 15］Vymazal J，H Brix，P F Cooper，et al． Ｒemoval mechanisms and types of constructed wetlands for wastewater treatment in Europe ［M］． Leiden，The NetherlandsBackhuys Publisher， 1998. 第一作者 柳明慧 1987 － ， 女， 硕士。wwwlmh0821126． com 通讯作者 吴树彪 1983 － ， 男， 博士， 讲师， 主要从事人工湿地污水处 理研究工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 wushubiao gmail． com 上接第 24 页 ［5］裴烨青， 陈东辉． MBBＲ 工艺中不同曝气方式充氧效率的比较 及工程应用［J］ ． 环境工程， 2011， 29 1 5- 9. ［6］Bao Mutai，Wang Lina，Sun Peiyan． Biodegradation of crude oil using an efficient microbial consortium in a simulated marine environment［J］． Marine Pollution Bulletin， 2012， 64 1177- 1185. ［7］李继宏． 处理聚驱采油废水的 MBＲ 反应器中活性污泥的驯化 ［J］． 安全与环境学报， 2011， 11 2 77- 82. ［8］巫世文． MBＲ 工艺在 PCB 线路板废水处理中的运用［J］． 环境 工程， 2008， 26 5 68- 69. ［9］刘文洪， 王蒙． 曝气生物滤池处理含石油废水的实验研究［J］． 西安理工大学学报， 2010， 26 3 260- 264. ［ 10］娄洪海． MBBＲ 工艺处理化工废水中试研究［J］． 环境工程， 2008， 26 6 61- 62. 第一作者 冯俊生 1963 － ， 男， 教授。fjs cczu． edu． cn 92 水污染防治 Water Pollution Control