复合人工湿地对大连地区污染河水的净化效果贾艾晨

第３５卷第１２期２　０　１　７年１　２月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３５Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２　０　１　７文章编号：１０００－７７０９（２０１７）１２－００２６－０４复合人工湿地对大连地区污染河水的净化效果贾艾晨，王海阳，许士国（大连理工大学水利工程学院，辽宁大连１１６０２４）摘要：为研究大连地区复合人工湿地对污染河水的净化效果，在大连复州河河滩上构建了４种不同组合的复合人工湿地。一年多的试验结果表明，组合１对ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＰ的去除效果优于其他组合，对应平均去除率分别为４６％、３５％、２８％；４种组合对ＴＮ去除效率差别不大，平均去除率为１８％～２０％；温度与ＴＮ和ＮＨ＋４－Ｎ去除率之间呈正相关，其变化对两者去除效果影响较大；水力负荷对人工湿地的ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＰ去除效果有较大影响，适当的水力负荷能保证人工湿地系统好的处理效果。关键词：复合人工湿地；大连地区；污染河水；净化效果中图分类号：Ｘ５２２文献标志码：Ａ收稿日期：２０１７－０３－１３，修回日期：２０１７－０４－１０作者简介：贾艾晨（１９６２－），女，教授、硕导，研究方向为水环境生态保护与综合治理，Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]１　引言人工湿地是近３０年来发展较快的污水处理技术，具有污染物去除能力强、投资少、运行费低、景观性好、维护管理简便等优点［１］，已成功应用于净化污染河水。不同类型的人工湿地具有各自的优劣特点及适宜的应用条件［２］。而复合人工湿地是由不同类型的人工湿地组合而成，能够有效地平衡单一湿地类型的优缺点［３］，从而提高人工湿地的处理效果及其稳定性。复合人工湿地在我国南方地区已有较多应用［４，５］，但由于气候地理等条件差异，目前应用于大连地区复合人工湿地的研究还较少［６］，缺乏足够的理论基础与实践经验。复州河是大连地区第二大河流，其接纳了瓦房店市大量生活污水和工业废水，加之流域周围农田、化肥、农药及人畜粪便等随地面径流注入，造成复州河蔡房身村区域水质长期处于劣Ⅴ类，严重影响当地居民用水安全和周边生态环境。鉴此，本文以大连复州河为背景，建设人工湿地系统处理污染河水，研究大连地区复合人工湿地对污染河水的净化效果及影响因素，旨在为大连地区人工湿地大规模生产性工程的构建和运行提供技术支撑和理论指导。２　试验方法２．１　人工湿地构建复合人工湿地实验场地选择在大连市瓦房店境内复州河蔡房身村段右侧汊流及相连河滩，蔡房身大桥下游２００ｍ处。人工湿地实验方案流程见图１，根据实验场地的地理条件及试验要求，设计并建造人工湿地，使系统各级之间形成一定的高度差，保证系统进出水完全依靠水体重力自由顺畅流动，从而形成一个无能耗的污染河水处理系统。系统运行时，河水利用高度差在重力作用下自动流入调节池，随后调节池向各组合系列湿地进行配水，河水在流过复合人工湿地后汇聚到出水池，然后自流回到复州河。图１　实验方案流程图Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｐｒｏｊｅｃｔ该工程设计建造１２个湿地单元，构成４种不同组合的复合人工湿地（图１）。４种组合方式为：①组合１。水平流—表流—垂直流湿地；②组合２。垂直流—水平流—表流湿地；③组合３。同组合２，二者区别在于垂向填料不同，水平流植物不同；④方式４。表流—垂直流—水平流湿地。复合人工湿地系统于２０１５年９月建成，试验用地长４５ｍ，宽２０ｍ，占地约１　０００ｍ２。每个湿地单元尺寸为１５ｍ×５ｍ，水平流填料采用０．６５ｍ厚粒径１０～３０ｍｍ碎石，表面流为０．３０ｍ厚种植土；组第３５卷第１２期贾艾晨等：复合人工湿地对大连地区污染河水的净化效果合３垂直流填料采用０．８５ｍ厚粒径１０～３０ｍｍ砾石＋０．２０ｍ厚粒径２０～４０ｍｍ砾石，其余垂直流单元填料为０．８５ｍ厚粒径１０～３０ｍｍ碎石＋０．２０ｍ厚粒径２０～４０ｍｍ碎石；组合３水平流植物配置为黄菖蒲，其余湿地单元为芦苇。组合１～４实际进水量分别为１００、２００、２００、１５０ｍ３／ｄ，对应水力负荷分别为０．４５、０．８９、０．８９、０．６７ｍ３／（ｍ２·ｄ），水力停留时间分别为０．７１、０．３５、０．３５、０．４７ｄ。从２０１５年９月１５日开始至２０１６年１１月，试验系统已持续运行１５个月，该时段内共取２３次水样。２．２　进水水质系统运行期间进水水质见表１。进水ｐＨ值为６．９４～８．７７，ＤＯ含量为４．８～１４．２ｍｇ／Ｌ；冬季水温０．１～３．８℃，夏季水温处于２３℃以上。表１　复州河蔡房身村河段水质Ｔａｂ．１　Ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｆｕｚｈｏｕ　Ｒｉｖｅｒ　ｉｎＣａｉｆａｎｇｓｈｅｎ　Ｖｉｌｌａｇｅ　ｍｇ／Ｌ　水质指标变化范围平均值ＳＳ　３．３～２３．５　１２．８±６．２ＴＮ　９．１３～１８．４９　１３．２７±２．４９ＮＨ＋４－Ｎ　３．３０～１１．１０　７．８５±２．０５ＴＰ　０．４９～１．６６　１．２１±０．６１ＣＯＤＣｒ１８．８～５２．０　２６．３±７．１２．３　水质指标分析用取样瓶从人工湿地各取样点取样后在实验室进行化学分析。分析指标主要包括ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＰ、ＣＯＤ，按照《水和废水监测分析方法》［７］和国家标准进行分析监测，其中ＴＮ采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，ＮＨ＋４－Ｎ采用纳氏试剂分光光度法，ＴＰ采用钼酸铵分光光度法，ＣＯＤＣｒ采用重铬酸钾法。３　试验结果与分析３．１　人工湿地对河水的净化效果３．１．１　　ＣＯＤ的去除效果人工湿地各组合系列对ＣＯＤ的去除效果见图２。湿地连续运行一年多来，组合１～４的ＣＯＤ平均去除率分别为４６％、３３％、３２％、４０％。从２０１５年９月中旬系统开始运行，各组合对ＣＯＤ的去除率在２０１６年１月达到峰值，去除率均达到图２　人工湿地对ＣＯＤ的去除效果Ｆｉｇ．２　ＣＯＤ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄｓ８０％。在运行初期，各组合对ＣＯＤ去除率整体上大致呈上升趋势。原因在于系统运行初期，填料具有较大吸附容量，且季节原因导致植物和微生物起到的作用很小，所以系统对ＣＯＤ去除主要依赖于填料的吸附作用［８］。２０１６年５～１１月，组合１～４对ＣＯＤ平均去除率分别为４５％、２８％、２６％、４０％，ＣＯＤ去除率在一定幅度的波动状态下有缓慢上升趋势。原因在于湿地运行时间增长使湿地系统的填料对ＣＯＤ的吸附能力趋向于饱和状态，５月后植物的快速生长去除了少部分有机物，并且该时段内湿地进水溶解氧浓度为５．３～１２．８ｍｇ／Ｌ，气温、水温升高，好氧异养微生物具有活跃的新陈代谢活动，其在生长代谢中以有机物为碳源，对ＣＯＤ进行有效去除。而水力停留时间短，处理水量大，导致组合２、３的ＣＯＤ去除率相对低于组合１、４。３．１．２　ＴＮ的去除效果人工湿地中ＴＮ去除主要途径是微生物的硝化反硝化作用［９］。其原理是好氧条件下氨氮被硝化细菌氧化为硝氮，然后在缺氧厌氧条件下硝氮通过反硝化细菌还原成氮气排出。人工湿地各组合系列对ＴＮ的去除效果见图３。从整体来看，在工程运行的一年多时间内，各组合对ＴＮ去除率曲线趋势大体类似，去除效果差别不大，各组合ＴＮ平均去除率分别为１８％、１８％、１９％、２０％，９月上旬达到峰值，此时ＴＮ去除率都在５７％以上。图３　人工湿地对ＴＮ的去除效果Ｆｉｇ．３　ＴＮ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄｓ从试验初到２０１６年３月这一时段内，各组合对ＴＮ去除效果较弱，各组合的ＴＮ去除率基本处于２０％以下。原因在于运行初期人工湿地未形成一定规模的微生物群落，并且随后冬季较低的水温（０．１～３．８℃）抑制微生物活性，导致微生物硝化反硝化能力较低。２０１６年７月至９月上旬，各组合ＴＮ去除率大幅增长，９月上旬达到最高，此时组合１的ＴＮ去除率为６５％，组合２、４的ＴＮ去除率为７４％，组合３的ＴＮ去除率为５７％。原因在于该时段处于高温季节，水温高（２６．０～２７．７℃），植物生长繁茂，根系发达，植物根区供氧充足，微生物活性·７２·强，湿地内部易形成好氧—厌氧环境，好氧和厌氧细菌能很好地进行硝化反硝化反应，从而提高脱氮效果。２０１６年９月下旬之后，ＴＮ去除率下降。反硝化作用是湿地脱氮的最后关键，其受温度和氧浓度影响较大。人工湿地运行期间进水ＤＯ含量较高（４．８～１４．２ｍｇ／Ｌ），水力停留时间短，人工湿地系统处于好氧状态，在秋冬季节，植物枯萎，水温气温低，而湿地中较高的ＤＯ更加抑制反硝化细菌的活性，所以秋冬季湿地脱氮能力较差。而４个组合对ＴＮ的去除率并无明显差距，可能是由于水力停留时间较短并且ＤＯ含量较高所致。３．１．３　ＮＨ＋４－Ｎ的去除效果人工湿地各组合对ＮＨ＋４－Ｎ的去除效果见图４。各组合对ＮＨ＋４－Ｎ去除率曲线趋势类似。一年多来组合１～４的ＮＨ＋４－Ｎ平均去除率分别为３５％、２０％、１８％、２５％。２０１６年８～１１月，各组合的ＮＨ＋４－Ｎ去除效果较好，此段时间内组合１～４的ＮＨ＋４－Ｎ平均去除率分别为７８％、４８％、４５％、６０％。图４　人工湿地对ＮＨ＋４－Ｎ的去除效果Ｆｉｇ．４　ＮＨ＋４－Ｎ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄｓ微生物的硝化作用是人工湿地去除ＮＨ＋４－Ｎ的重要途径，而硝化过程是好氧过程，所以水中较高的溶解氧浓度有利于ＮＨ＋４－Ｎ的转化。组合１的去除效果较明显，原因在于组合１中进水经过水平流湿地时硝化反应使溶解氧降低，随后表面流湿地的开放水域通过自然再复氧提高了水中的溶解氧浓度，实测表面流湿地进水ＤＯ含量为０．５～７．６ｍｇ／Ｌ，平均值２．５ｍｇ／Ｌ，出水ＤＯ含量为１．８～１０．９ｍｇ／Ｌ，平均值５．２ｍｇ／Ｌ，溶解氧浓度的增加使得下一级垂直流中硝化作用仍然较强，一定程度上增加了对ＮＨ＋４－Ｎ的去除。而且较长的水力停留时间促进硝化反应的进行，提高了组合１的ＮＨ＋４－Ｎ的去除率。３．１．４　ＴＰ的去除效果人工湿地各组合对ＴＰ的去除效果见图５。在人工湿地运行的一年多时间内，组合１～４的ＴＰ平均去除率分别为２８％、１７％、１７％、２２％。２０１５年９月至２０１６年７月，各组合对ＴＰ去除效果不佳，人工湿地各组合的ＴＰ去除率多数低于２０％。２０１６年８～１１月各组合ＴＰ去除率相对较图５　人工湿地对ＴＰ的去除效果Ｆｉｇ．５　ＴＰ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｅｔｌａｎｄｓ高，去除效果较稳定；该时段组合１～４的ＴＰ平均去除率分别为５４％、３６％、３８％、４５％，各组合ＴＰ去除率在１１月达到最大值，分别为６５％、４４％、４４％、５０％。人工湿地对磷的去除主要是通过微生物同化、植物吸收和填料吸附作用协同完成［１０］。其中植物吸收的磷元素量最小，微生物生长活动吸收的磷在其死亡后大部分又会被重新释放到湿地内，因此微生物作用和植物对磷酸盐的吸收可以去除少量磷，但效果不大。而基质吸附作用对湿地除磷效果贡献最大，是湿地系统除磷的主要途径。水力停留时间越长，基质吸附越充分，因此组合１的ＴＰ去除效果最好，组合４次之，组合２和３相似。３．２　温度对人工湿地净化效果的影响为研究温度对人工湿地净化效果的影响，选取组合１为研究对象。图６为温度与ＴＮ和ＮＨ＋４－Ｎ去除率之间的线性关系。由图６可知，ＴＮ和ＮＨ＋４－Ｎ去除率随温度的升高而增大。这说明在一定范围内，温度与ＴＮ和ＮＨ＋４－Ｎ去除率之间呈正相关关系。温度与ＣＯＤ去除率之间的相关关系较差，说明温度对ＣＯＤ去除率的影响不大。结合图５中组合１的ＴＰ去除率在２０１６年８月之后呈现较高水平，于２０１６年１１月达到最高６５％。而图６中温度变化与ＴＰ去除率之间的线性关系，两者之间的相关性很差，说明温度变化对ＴＰ去除率的影响较小。图６　温度与去除率的关系Ｆｉｇ．６　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ３．３　水力负荷对人工湿地净化效果的影响组合１～４水力负荷分别为０．４５、０．８９、·８２·