复合人工湿地污水处理技术研究进展

--803复合人工湿地污水处理技术研究进展*崔理华1,2,3陈茵1朱夕珍1（1.华南农业大学资源环境学院环境科学与工程系；2.华南农业大学农业部生态农业重点开放实验室；3．广东省高等学校农业生态与农村环境重点实验室；广东广州510642联系电话[phone]）摘要复合人工湿地是目前人工湿地污水处理技术发展重要方向之一。本文概括了由表面流、水平流、垂直流串联组合而成的二级或多级复合人工湿地以及与其他处理系统结合的复合系统的构建特点以及对有机物、氮磷的去除效果。复合型人工湿地是对单一式人工湿地的发展，具有更高的去除效率和更广泛的适应范围，对水体水质的改善和水生态系统的恢复具有重要意义。关键词复合人工湿地二级系统多级系统表面流水平流垂直流前言人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水处理新技术。因其具有投资少、建设和运行费用低、运行维护方便、适应范围广、处理效果好、氮磷去除率高、出水水质优良、改善和美化生态环境、操作简单、能耗少等特点，越来越受到世界各国的重视。人工湿地技术兼顾了经济效益、生态效益和社会效益，因此具有较大的应用前景。人工湿地处理技术的原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的协同作用，充分利用湿地环境中发生的物理、化学和生物学作用的综合效应来净化污水，它们包括沉淀、吸附、过滤、溶解、气化、固定化、离子交换、络合反应、硝化与反硝化、营养元素的摄取、生物转化和细菌、真菌的异化作用等具体过程[1]，从而降低水体中氮磷及有机物的含量。人工湿地根据不同的水流方式可分为：表面流、水平潜流和垂直流，基质一般采用砂砾、炉渣、煤渣等，水生植物一般选择挺水植物。不同水流方式、基质和水生植物的搭配会产生不同的效果，而不同类型人工湿地的复合更可提高处理效率。1二级复合人工湿地1.1水平流-垂直流复合人工湿地水平流——垂直流复合人工湿地是利用水平流人工湿地与垂直流人工湿地串联组成的复合人工湿地。污水首先经过水平流人工湿地去除大部分的SS、COD、BOD5和部分氨氮，再向垂直流人工湿地布水，完成对耗氧有机物的去除和将剩余的氨氮完全硝化，并将垂直流人工湿地的硝化处理出水按50％~100％的回流比回流至水平流人工湿地进行反硝化脱氮处理。--804水平流人工湿地填充富含钙的大理石或白云石和石灰石，垂直流湿地填充富含铁、钙、硅和铝等氧化物的高炉渣或其与草炭和土壤混合配制的人工基质。该复合系统增加了回流装置，使垂直流人工湿地硝化处理后的出水重新回流到水平流人工湿地中，再次进行反硝化处理，从而大大提高TN的去除率。当HRT为3d，进水TN浓度为93.99mg/L，回流硝化处理出水后TN的去除率平均可达51.5%，昀高可达63.5%，TN去除率是不回流的两倍以上（ZL200310111813.X）[2]。刘雯等[3]剖析了水平流-垂直流复合人工湿地的昀佳工艺参数，发现在同一停留时间，同一回流比前提下NH4+-N的去除效率要高于TN的去除效率，其在5d停留时间50%回流比时，平均去除率可达到88.49%。季节变化是影响复合人工湿地系统净化功能的因素之一，在冬季，NH4+-N、NO3—N、TN的去除效果都会显著变差。在同一季节*国家自然科学基金（40571074，40871110，30828005）内，复合系统对TN、NH4+-N的去除效率随着停留时间的延长及回流比的增加都有所提高。其中，回流比对N的去除效果影响较大，50%回流比的去除率要高于100%和没有回流的去除率。帖靖玺等[4]采用潜流式人工湿地与上行垂直流湿地相串联的复合人工湿地，对氮磷的去除效果进行研究。在处理量为30L/d，HRT为4.8d时，模拟废水中的NH4+-N、NO3--N、TN、TP的平均去除率分别达到95%、52%、79%和81%。在复合系统中，出水NO3--N会出现积累，将上行流湿地的出水回流进入潜流湿地可提高系统对NO3--N的去除效果。闫健等[5]对不同湿地组合工艺处理小规模生活污水效果进行研究。水平流-下行垂直流复合人工湿地对COD、BOD5、TN、TP、SS的去除率分别为85.37%、87.63%、37.76%、90.03%、59.45%；COD、BOD5、TP的去除情况理想，而TN的去除率并不高。为了提高净化效果，节省占地面积，对上述系统进行部分改良，在垂直流湿地下方延伸一个水平流湿地，形成水平流-垂直水平复合流的新型湿地结构。从第一个水平流湿地直接取水至垂直流、水平流湿地的交界处，可补充反硝化所需碳源。该复合系统对生活污水净化效果很好，COD、BOD5、TN、TP、SS的去除率分别为89.32%、90.45%、50.66%、91.16%、86.59%。1.2垂直流-水平流复合人工湿地垂直流——水平流复合人工湿地是利用垂直流人工湿地与水平流人工湿地串联组成的复合系统。垂直流人工湿地采用干湿交替方式运行，水平流人工湿地采用连续运行方式，部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地补充碳源，提高水平流人工湿地对氮的去除效果。垂直流人工湿地填充富含铁、钙、硅和铝等氧化物的高炉渣，水平流人工湿地填充富含钙的大理石或石灰石和煤渣（ZL200410027422.4）[6]。垂直流-水平流复合系统有很好的磷去除能力，在污水浓度为12.96mg/L时，TP去除率平均可达89.12%。该系统将一部分未经处理的污--805水直接进入水平流人工湿地中补充碳源，从而提高TN的去除效率，TN去除率平均可达70.22%，昀高为78.21%。孙和和[7]等采用垂直流—水平流复合人工湿地对电镀废水进行深度处理。结果表明，复合人工湿地能有效调节废水的酸碱度，电镀废水的pH稳定在6.2~6.8之间；对Zn、Cu、Cr、Mn四种重金属和COD具有很高的去除率，处理后Zn、Cu、Cr、Mn和COD的质量分数分别为15.9%、12.4%、15.2%、28.5%和32.9%。另外，水力负荷对COD的去除效果影响较大，对Zn、Cu、Cr、Mn的影响较小；在高水力负荷条件下，复合人工湿地对Zn、Cu、Cr、Mn四种重金属仍然具有很高的去除率，其质量分数分别降到32.3%、27.7%、30.8%、43.2%。尹炜[8]等研究了一种复合潜流人工湿地，处理城市地表径流。复合潜流人工湿地由一个垂直流湿地单元和3个并联的水平潜流湿地单元串联组成，4个单元面积相等，湿地植物选择了美人蕉。复合潜流人工湿地除污效果良好，对COD、TP、TN、SS的去除率分别为69.0%~73.1%、82.6%~86.6%、89.0%~90.4%、64.7%~69.2%。1.3垂直流与水平流一体化复合人工湿地它是利用垂直流人工湿地与两个串联的水平流人工湿地上下并联起来组成的复合系统，处理城市污水。污水先经过垂直流人工湿地处理，然后再经过水平流人工湿地处理，垂直流人工湿地与水平流人工湿地分别填充高炉渣/草炭混合基质和砾石/煤渣混合基质，垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下，水平流人工湿地分为前后两个湿地，两个湿地之间有连通孔相通，垂直流人工湿地直接建造在前一个水平流人工湿地之上；污水先经过垂直流人工湿地处理，再进入前一个水平流人工湿地处理，然后通过连通孔流进后一个水平流人工湿地处理（ZL200620022790.4）[9]。这种污水处理方法，占地面积小，去除磷氮效果好。当水力负荷为40cm/d，该系统的COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的去除率分别为88.47%、91.66%、68.37%、63.93%、90.35%；当水力负荷为120cm/d，其去除率则分别为81.13%、81.87%、71.71%、58.28%、81.66%。1.4垂直流-表面流复合人工湿地垂直流——表面流复合人工湿地是按垂直流人工湿地在前，表面流人工湿地在后的顺序串联起来的。生活污水先经沉淀池去除砂粒和较大颗粒的悬浮物后，接着自流进入垂直流人工湿地经过渗滤处理，然后再经表面流人工湿地进行处理；在垂直流人工湿地中填充人工混合基质，并种植观赏性植物，在表面流人工湿地中种植水生植物、花卉植物、蔬菜或养殖鱼类。其中，人工混合基质是以煤灰渣、高炉渣和中粗砂为主料，以草炭为配料，主料和配料按体积比9~19∶1配制而成。沉淀池的部分出水直接流入表面流湿地作为碳源，完成垂直流硝化处理出水在表面流湿地中的反硝化过程，污水与硝化处理出水的体积比为1∶4~1∶6（ZL200510011497.8）[10]。这种复合型人工湿地结合了两种类型人工湿地的优点，具有去污效率--806高，净水效果好等特点。高海鹰[11]等在抚仙湖湖滨带采用复合型人工湿地去除氮磷。复合型人工湿地由3个串联起来的生物强化沉淀池、潜流湿地和表流湿地组成。潜流湿地内填料基质为鹅卵石，主要种植美人蕉，水流形态为垂直上行流。沉淀池和表流区主要种植水芹菜。整个复合型湿地对氨氮、硝氮和总氮均有较理想的去除效果，平均去除率分别为60.3%、50.4%和58.4%，其降解主要发生在有植物系统的潜流区和表流区，尤其是表流区的效果昀为显著。潜流和表面流区除磷效果欠佳，除磷效果受水力负荷影响较大[12]。1.5水平流-表面流人工湿地水平流-表面流人工湿地是水平潜流在前，表面流在后串联而成的复合人工湿地。沈阳满堂河生态污水处理示范厂是东北第一座采用人工湿地进行污水生态处理的示范工程。其处理对象是严重污染的满堂河水及沿岸的重点生活污染源排水，日处理污水3万m3，厂区由污水预处理区、潜流湿地处理区和表流湿地景观区三部分组成[13]。该工程把污水处理与生态景观建设有机地结合起来，实现污水处理、利用和生态建设的统一。张成禄等[14]研究了一种潜流、表流一体化人工湿地，包括床体、进水池、配水池、布水装置、填料、溢流堰、集水池水生植物，潜流湿地与表流湿地串联，潜流湿地的出水端设有出水档板（200720021971.X）。该人工湿地结合了潜流湿地与表流湿地的优点，具有去污效率高，净化效果好等特点。另外，张建等[15]还发明了一种潜-表流复合型人工湿地。该复合型人工湿地包括床体、潜流层储水池、表流层储水池、表流层集水池和潜流层集水池；床体一侧设有潜流层储水池和表流层储水池，床体另一侧设有潜流层集水池和表流层集水池，床体内的下层填充有砾石层，上层覆盖田园土层，砾石层和田园土层的填充深度比为3∶2；床体上层的田园土层内种植有挺水植物、漂浮植物和沉水植物；潜流层集水池通过输水管与表流层储水池连通，输水管中设置有阀门（200710015996.3）。1.6表面流-水平流人工湿地表面流—水平流复合人工湿地是由表面流人工湿地和潜流湿地串联而成的，表面流湿地在前，水平潜流湿地在后。白峰青等[16]利用复合人工湿地对邯郸市多元污水进行中试研究。该系统是由表层流和潜流湿地串联而成的复合人工湿地系统，第一级4个子系统为表层流湿地，第二级6个子系统为水平潜流湿地。该系统常年对污水都具有一定的净化效果，对BOD、TN、TP去除率分别在25~65%、27~84%、30~80%之间。--8071.7复合垂直流人工湿地垂直流人工湿地可分为上行流和下行流。复合垂直潜流人工湿地一般分为上行流-下行流、下行流-上行流两种方式。它是一种有效的水处理技术，能有效降低废水中有机物和富营养物质的含量。从整体上看，其净化效果具有明显的季节性，与冬季相比较，在春、夏、秋3个季节运行人工湿地，其整体净化效果相对更好，体现在TN、TP、COD、BOD5的高去除率及去除有效性上[17]。王翠兰等[18]研究了两级逆向垂直潜流人工湿地去除营养物的效能，一级湿地为垂直上行流，水从湿地底面呈推流式上升，二级湿地为垂直下行流，水从湿地表面下行。一级人工湿地以连续流方式进水来处理生活污水，NH4+-N平均去除率为30%，TN平均去除率为10%，TP平均去除率为62%，硝化和反硝化作用不明显。二级人工湿地NH4+-N去除率为98.6%，TN平均去除率为6%左右，TP平均去除率为100%。硝酸盐氮平均含量为19.52mg/L。崔玉波[19]等研究发现，上行流-下行流复合人工湿地在低温下可以有效去除污水中氮