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复合垂直流人工湿地植物与填料优化组合研究 刘志伟宋俊玲郭志伟 郑州大学综合设计研究院有限公司， 郑州 450002 摘要 为探究植物和填料不同组合对复合垂直流人工湿地污染物去除效果的影响， 采用复合垂直流人工湿地系统净化 二级生活污水， 且考察了冬夏两季湿地系统中总氮 TN 、 总磷 TP 、 化学需氧量 COD 、 氨氮 NH 4 －N 、 溶解氧 DO 以及 pH 的沿程变化。结果表明 湿地系统中污染物浓度沿程逐渐降低， 当污水流经湿地系统时， 大部分污染物 得到去除， 出水水质理想。通过填料与植物的不同优化组合， 对比 A、 B 两组湿地各级处理效果， 得出最佳湿地三级优 化组合模式为 第 1 级为风车草 钢渣， 第 2 级为美人蕉 钢渣 石灰石， 第 3 级为菖蒲 石灰石。 关键词 人工湿地; 生活污水; 植物; 填料 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409008 OPTIMUM COMBINATION OF DIFFEＲENT PLANTS AND FILLEＲ IN VEＲTICAL- FLOW CONSTＲUCTED WETLAND Liu ZhiweiSong JunlingGuo Zhiwei Zhengzhou University Multi- Functional Design and Ｒesearch Academy，Zhengzhou 450002，China AbstractIn order to explore the effect of plants and filler on pollutant removal in vertical- flow constructed wetland，the changes of TN，TP，COD，NH 4－N and DO concentrations and pH of different layers in integrated vertical- flow constructed wetland IVCWtreating domestic sewage were measured in summer and winter． The results indicated thatthe concentration of pollutants in the wetland system gradually decreased along the process when the sewage flowed through the wetland，most of the pollutants had been removed and the effluent quality was good． Through different combinations of fillers and plants， comparative analysis of A，B levels of wetland sewage treatment，the best three level wetland optimum combination model was found outthe first reaction pool was filled with the windmill grass slag B1 ， the second reaction pool was filled with canna slag limestone B2and the third reaction pool was filled with calamus limestone A3 ． Keywordsconstructed wetland;domestic sewage;vegetation;filler 收稿日期 2013 －11 －28 0引言 人工湿地是一种人为的将基质、 微生物和植物按 一定方式配置而成的复合生态系统［1 ］。Sidel 与 Kickuth 于 1972 年提出根区理论 ［2 ］， 从此人工湿地技 术成为一种新型的污水处理技术， 该技术具有运行费 用低、 管理简单、 出水水质好等优点［3 ］， 国内外已广 泛应用。植物与填料是人工湿地的基本组成部 分 ［4 ］， 植物不但可以吸收污水中的营养物质、 吸附污 水中有毒有害物质， 而且还能输送氧气到根区， 为微 生物生长、 繁殖和降解提供氧气 ［5 ］。而对于填料， 一 方面可为微生物附着、 植物生长提供适宜条件， 另一 方面还可通过吸附、 沉降、 络合等作用去除污染 物 ［6 ］。因此， 选择适当的植物与填料搭配对湿地系 统功能的发挥显得尤为重要。但国内对这方面的研 究较少， 仅关于植物和填料分别对人工湿地的影响研 究。例如刘育等研究了人工湿地中不同植物对水中 氮的去除效果 ［7 ］; 周遗品、 刘雯等以狼尾草、 海芋、 春 砂仁等为植物， 以煤渣、 麻石、 陶粒为填料构造人工湿 地系统， 研究了对生活污水的处理效果［8 ］; 王琴、 瞿 贤等考察了人工湿地中水葱、 芦苇和香蒲对高盐废水 中 COD 的去除作用 ［9 ］; 张荣社等研究了潜流湿地中 芦苇、 茭草对氮磷吸收量变化情况［10 ］。丁建彤、 高磊 等研究了 4 种陶粒组合和一种石灰石碎石复合垂直 流人工湿地不同季节对生活污水的处理效果［11 ］。李 23 环境工程 Environmental Engineering 亚治研究了水葫芦 － 水草人工湿地系统对再生浆造 纸废水的处理效果［12 ］。本文对植物和填料不同搭配 组合对污水的处理效果进行了相关试验， 以 3 级人工 湿地模型为试验装置， 菖蒲、 风车草和美人蕉为湿地 植物， 陶粒、 钢渣、 石灰石为填料， 通过组合并测试 TN、 TP、 COD 和 NH 4 －N 的去除效果， 以希找出人工 湿地植物与填料的最优组合模式。 1试验部分 1. 1试验装置 人工湿地模型如图 1、 图 2 所示， 试验装置主要 由 3 级湿地床和集水堰构成， 各床体内分别放置填 料， 填料上部种植植物， 植株密度为 16 株/m2; 各湿 地床上方安装穿孔布水管， 床底设穿孔集水管。各级 填料和植物搭配见表 1， 各单元构建参数见表 2。 图 1 A 组人工湿地模型 Fig．1Constructed wetland system of model A 图 2 B 组人工湿地模型 Fig．2Constructed wetland system of model B 表 1人工湿地各级植物与填料组合 Table 1Different combinations of fillers and plants of constructed wetlands system 第一级第二级第三级 A陶粒 风车草陶粒 美人蕉石灰石 菖蒲 B钢渣 风车草石灰石 钢渣 美人蕉 石灰石 陶粒 菖蒲 1. 2样品的采集 试验开始时， 人工湿地运行 1 年， 主要采集 2010 年 1112 月和 2011 年 3、 7 月试验数据进行冬夏季 处理效果研究。平均进水水质如表 3 所示。 表 2人工湿地系统设计参数 Table 2Design parameters of pilot scale constructed wetlands system 第一级第二级第三级 结构尺寸1. 0 m 1. 0 m 1. 2 m 1. 5 m 1. 0 m 1. 5 m 2. 0 m 1. 0 m 1. 0 m 基质厚度/m0. 8 1. 00. 5 粗砂厚度/m 0. 20. 2 植株密度/ 株 m －2 161616 表 3人工湿地平均进水水质 Table 3Average inflow water quality of the constructed wetland 项目 温度/ ℃ pH 浊度/ NTU ρ COD / mg L －1 ρ 氨氮 / mg L －1 ρ 总氮 / mg L －1 ρ 总磷 / mg L －1 冬季11. 87. 8157. 65170. 0050. 2054. 003. 60 夏季24. 57. 8969. 65169. 6052. 5058. 204. 00 2结果与讨论 2. 1主要污染物浓度及溶解氧、 酸碱度的沿程变化 主要 研 究 了 湿 地 系 统 中 ρ TN 、ρ TP 、 ρ COD 、 ρ NH 4 －N 、 ρ DO 以及 pH 的沿程变化情 况， 结果如图 3图 8 所示。 图 3总氮沿程平均变化情况 Fig． 3The average change of TN along the process 图 4总磷沿程平均变化情况 Fig．4The average change of TP along the process 由图 3图 6 可知 湿地系统中污染物浓度沿程 逐渐降低， 当污水流经湿地系统时， 大部分污染物得 到去除， 出水水质较好。TN、 TP、 COD、 NH 4 －N 冬季 的平均去除率分别为 24.0、 55.3、 72.8、 48.65， 夏季去除率分别为 54.3、 66.5、 79.4、 70.9。有 33 水污染防治 Water Pollution Control 图 5 COD 沿程平均变化情况 Fig．5The average change of COD along the process 图 6氨氮沿程平均变化情况 Fig．6The average change of ammonia along the process 图 7 DO 沿程平均变化情况 Fig．7The average change of DO along the process 图 8 pH 沿程平均变化情况 Fig．8The average change of pH along the process 机物通过好氧、 兼氧以及厌氧微生物的作用被降解， 去除率高达 70。TN 和 NH 4 －N 主要通过硝化反硝 化、 植物吸收以及基质吸附作用去除［13 ］， 通过试验发 现冬季 A、 B 组人工湿地对总氮、 氨氮去除率分别为 24. 0和 48. 65， 去除效果不理想， 原因可能是冬 季低温使植物和微生物的新陈代谢减弱， 进而导致氨 氮的吸收和转化减慢 ［14 ］。而到了夏季气温升高， 细 菌微生物代谢活跃， 硝化菌和反硝化菌的活性增强， 促进了氨氮的硝化和反硝化去除， 去除率分别为 54. 3和 70. 9。TP 主要通过植物吸收、 基质吸附 过滤和微生物转化三者共同作用而去除， 去除率高于 50， 去除效果理想。 由图 7 可以看出 由于微生物的生理活动 如硝 化作用、 异养代谢等 消耗了 DO， ρ DO 沿程逐渐降 低， 但在系统末端出现一定的回升。这可能是污染物 浓度降低， 好氧降解减慢， DO 消耗减少， 并且由于植 物根系释氧以及表层大气复氧作用［13 ］， 使得 ρ DO 出现了一定的升高， 这与文献［ 15］ 的结论相一致。 由图8 可知 pH 基本维持在7. 72 ～8. 04， 略偏碱 性， 可有效维持微生物生活环境酸碱度的相对稳定， 适宜大多数微生物生长［16 ］。 2. 2冬、 夏季 A、 B 组三级湿地处理效果的优化组合 在现有的组合模式下， 根据各级湿地对污染物的 最终去除效果， 对比分析， 得到最佳湿地组合模式。 冬 夏 季各级人工湿地污染物平均去除率如表 4、 表 5 所示。 表 4冬季各级人工湿地污染物平均去除率 Table 4The average removal rate of pollutants in constructed wetland system in winter 项目 第一级湿地第二级湿地第三级湿地每组总去除率 A1B1A2B2A3B3A 组B 组 COD0. 435 0. 524－0. 123 0. 3910. 445 0. 337 0. 644 0. 810 氨氮0. 139 0. 208－0. 195 0. 2730. 413 0. 267 0. 394 0. 563 总氮0. 200 0. 261－0. 079 0. 164－0. 050 0. 010 0. 087 0. 385 总磷0. 224 0. 3130. 120. 2340. 314 0. 174 0. 545 0. 565 表 5夏季各级人工湿地污染物平均去除率 Table 5The average removal rate of pollutants in constructed wetland system in summer 项目 第一级湿地第二级湿地第三级湿地每组总去除率 A1B1A2B2A3B3A 组B 组 COD0. 4190. 5370. 3550. 4210. 3500. 3720. 7550. 834 氨氮0. 1460. 2970. 1780. 4160. 4900. 4490. 6220. 776 总氮0. 1930. 2460. 0970. 2710. 3190. 2400. 5960. 590 总磷0. 2020. 3060. 1900. 3410. 4850. 2700. 6750. 672 根据表 4 对比分析可知 第一级湿地 B1 对污染 物去除效果均明显好于 A1， 所以 B1 的搭配模式优于 A1 的搭配模式。即风车草和钢渣的组合作为第一级 湿地的组合模式。第二级湿地 A2 对 COD、 氨氮和 总氮的去除率均为负值， 去除效果不佳， 而 B2 对 COD、 氨氮和总氮的去除效果较好， 为 15 ～ 40。 而且对于总磷来说， B2 也优于 A2。因此 B2 搭配模 式即湿美人蕉 钢渣 石灰石作为第二级湿地的组 合模式。第三级湿地 A3 对 COD、 氨氮和总磷的去 43 环境工程 Environmental Engineering 除率均高于 B3 10， 而对于总氮 B3 略高于 A3。但 从总体去除效果来看， A3 优于 B3， 故 A3 湿地可作为 第三级湿地， 即菖蒲和石灰石。 综上所述， 在现有的组合模式下， 冬季若采用三 级湿地处理生活污水时， 最佳植物填料组合搭配方式 为 B1、 B2 和 A3。 由表 5 对比分析可得 对 COD、 氨氮、 总氮、 总磷 来说， 第一级湿地 B1 ＞ A1， 第二级湿地B2 ＞ A2。对 比表 4， 夏季时 A2 去除效果明显好转， 去除率由负转 正， 但去除效果仍不及 B2。第三级湿地 A3 去除效果 优于 B3， 虽然 B3 对 COD 去除率高于 A3， 但对氨氮、 总氮和总磷的去除效果均低于 A3， 所以夏季选择 A3 作为第三级湿地。综上所述， 夏季时最佳三级组合模 式为 B1、 B2、 A3。 综合对比分析冬、 夏两季各级湿地对 COD、 氨 氮、 总氮和总磷的去除效果， 最优三级湿地组合模式 为 B1、 B2 和 A3。 3结论 1在复合垂直流人工湿地中， 污染物、 pH 和 DO 沿程逐渐降低， 但 DO 在末端略有回升。 2植物对水体污染物的变化具有季节性影响， 引种植物可以改善水体水质， 但因季节不同， 取得的 效果也会有所不同。 3填料是人工湿地的基质与载体， 考虑到与植 物的组合， 最佳三级湿地植物与填料组合模式为 一 级为风车草 钢渣， 二级为美人蕉 钢渣 石灰石， 三级为菖蒲 石灰石。 参考文献 ［1］栗德祥， 王富平． 绿色建筑植物生态补偿技术策略［J］． 建设科 技， 2007 21 67- 68. ［2］Brix H． Use of constructed wetland in water pollution control Historical development，present status，and future perspectives ［J］． Wat Sci Tech， 1994， 30 8 209- 223. ［3］Inamori Ｒ，Gui P，Dass P，et al． Investigating CH4and N2O emissions from eco- engineering wastewater treatment processes using constructed wetland microcosms［J］ ． Process Biochemistry， 2007， 42 3 363- 373. ［4］成水平，吴振斌． 人工湿地植物研究［J］． 湖泊科学， 2002， 14 2 179- 184. ［5］张洪刚， 洪剑明． 人工湿地中植物的作用［ J］ ． 湿地科学， 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