复合人工湿地系统对生活污水净化效果的研究刘雯

第五章环境污染防治技术研究与开发·1077·复合人工湿地系统对生活污水净化效果的研究刘雯崔理华（华南农业大学资源环境学院）摘要本文研究了在不同季节、不同停留时间下水平流-垂直流复合人工湿地系统对生活污水TN、TP、COD、BOD5的净化效率。结果表明，在夏、秋、冬、春四个季节本复合系统对COD的去除率分别可达到89%,87%,83%,86%以上，对BOD5的去除率也分别可达到88%,85%,73%,74%以上，而对TP的去除率甚至可达到97%,98%,95%,98%以上。关键词水平流人工湿地垂直流人工湿地复合系统污水净化效果人工湿地可分为表面流湿地，地下潜流湿地和垂直流湿地三种类型[1]。因为其具有出水水质好，运行管理方便、投资及运行费用低等优点比较适合于管理水平不很高，水处理量及水质变化不很大的城郊或乡村[2-3]。近几年来，国内外对水平潜流系统、垂直流系统以及垂直流与水平流复合系统的研究比较多[4]，但有关水平流-垂直流复合人工湿地的研究报道较少。本研究将水平潜流与垂直流人工湿地组合起来形成复合人工湿地系统，探讨了不同水力停留时间(HRT)、不同季节以及种植植物与否对污水TN、TP、COD、BOD5去除效果的影响。一、材料与方法（一）试验设计1.试验设计方案见表1。表1复合湿地系统运行方案复合湿地系统植物HRT1灌水时间HF1-VF1风车草-茳花1d,3d,5d12h/dHF2-VF2水葱-美人蕉1d,3d,5d12h/dHF0-VF0无1d,3d,5d12h/d注：表中1指系统理论水力停留时间，表中HF0代表空白水平流床，HF1代表种风车草的水平流池床，HF2代表种水葱的水平流池床，VF0代表空白垂直流床，VF1代表种茳花的垂直流床，VF2代表种美人蕉的垂直流池床。2.湿地结构本试验采用六个处理池，其中3个池为2×1×0.8m3水平潜流湿地，另外3个处理池为1×1×1.2m3的下行垂直流湿地，两组串联起来组成复合式人工湿地系统。另外，水平流出水口设一个集水池，用作投加碳源；垂直流出水口设一个集水池作为取样和回流水之用。每个进水口都设有一个进水开关和水表用来控水和记录水量，而水平流出水口装有一根PVC管，上部开关用来控制出水流速，中部开关用来控制水位高度以便于植物根系向下伸长。在水平流湿地上采用大理石砾石、花岗石砾石、砂、碎石作为填料，而垂直流湿地采用碎石及高炉渣人工土为填料，并在两套系统上分别种植不同的植物。3.植物的栽种在系统运行一段时间后开始种植物，其中水平流系统HF1上种风车草，HF2上种水葱，HF0为未种任何植物的对照；而垂直流系统VF1上种茳花，VF2上种美人蕉，另外VF0设为对照。(其中将HF1+VF1组合简称为HV1，HF2+VF2组合简称HV2，HF0+VF0组合简称HV0)。中国环境保护优秀论文集（2005）·1078·（二）供试污水特性供试污水：取自华南农业大学五号楼公厕三级化粪池出水，其主要特征见表2。（三）试验测试方法COD用重铬酸钾法，BOD5用五日培养碘量法，TN用过硫酸钾氧—紫外分光光度法，TP用过硫酸钾氧化—钼蓝比色法。表2供试污水水质状况(mg·L-1)季节CODBOD5SSNH4+-NTNTPpH春季228-55594-14615-67102-10853-1876-187.71-7.99夏季74-14135-14718-3943-9728-1044-147.21-7.66秋季111-21558-25416-6045-11181-1165-157.12-7.82冬季194-38749-13315-25924-143117-1466-187.37-8.23二、结果与分析（一）复合系统对COD净化效果湿地系统的处理效果与HRT关系密切。进水浓度和HRT可以作为调控湿地运行的重要措施[3]。由图1可以看出COD在四个季节中的平均去除率随HRT的减小而逐渐降低。比较三个不同的处理(HV1、HV2、HV0)其在不同的HRT下对COD的处理效果由高到低分别为5d3d1d。这可能是因为湿地系统中大部分有机物首先被植物根际、填料表面的生物膜吸附，继而被微生物逐步降解。随着HRT的缩短，部分吸附在生物膜表面的有机物没来得及被降解，便随出水流出，使出水中COD浓度升高，故使COD去除率下降。另外，HRT为1d、3d及5d时有植物系统的COD去除率都要高于无植物系统的对照，种水葱-美人蕉的HV2系统COD去除效果又要好于种风车草-茳花的HV1系统，其去除率在5dHRT时达到90%以上。季节变化引起的植物生长状态的变化也在一定程度上影响着系统的处理效果。由图2可知(以5dHRT为例)，夏、秋、春季COD的去除率要好于冬季，这可能是因为夏、秋季及春季气温相对较高，充足的营养有利于微生物的增殖及活性的提高，也有利于植物的生长，因而对有机物去除率较高；而进入冬季后温度的降低抑制着微生物的增殖活性，也影响着植物的生长和对系统的供氧，因而对有机物的去除率明显降低。0204060801001d3d5dHRT(d)COD去除率（%）HV1HV2HV0020406080100夏季秋季冬季春季季节COD去除率（%）HV1HV2HV0图1不同HRT对COD去除效果的影响图25dHRT季节变化对COD净化效果的影响（二）复合系统对BOD5的净化效果BOD5的去除与HRT密切相关，HRT不同，BOD5的净化效果也不同。如图3所示，当HRT为1d时，BOD5去除效果昀差，HV1、HV2和HV0的去除率分别只有58.55%、70.83%和52.83%。第五章环境污染防治技术研究与开发·1079·而当HRT为5d时，BOD5去除率昀好，种植物的两系统其去除率都在85%以上，而不种植物的对照，其去除率也达到70%以上。由图4可知，季节变化对BOD5去除效果影响比较大。春、夏、秋、冬四个季节中(以5dHRT为例)，夏季BOD5的去除效果昀好，平均可达到88.41%以上，其次为秋季和春季，BOD5去除效果较差的是冬季，这可能是因为冬季(试验在3月份进行，温度仍比较低)气温降低，植物生长缓慢，因而影响了BOD5的去除效果。由多重比较可知，不管在哪个季节种植物的系统净化效果都高于不种植物的对照，差异极显著(p0.01)这说明植物的种植有利于系统对BOD5的净化，而且随着季节的变化，植物生长也受到影响，从而影响到BOD5的去除效果。0204060801001d3d5dHRT(d)BOD5去除率（%）HV1HV2HV0020406080100夏季秋季冬季春季季节BOD5去除率（%）HV1HV2HV0图3不同HRT对BOD5去除效果的影响图45dHRT下季节变化对BOD5去除效果的影响（三）对TP净化效果的影响人工湿地系统对TP的去除作用主要包括填料的物理作用、化学作用和微生物的同化作用以及植物的摄取作用[4]。HRT对TP的去除有比较大的影响。HRT过长，易造成湿地系统的厌氧，微生物原先在好氧环境下过量吸收的P又重新释放，致使TP去除率下降。而HRT过短时，污水的流速过大，对填料的冲击也使原先被吸附在填料或植物根茎表面的P冲出系统，造成TP去除率下降。如图5所示，当HRT为1d时，HV1、HV2、HV0三个系统的的平均去除率分别达到93.94%、97.38%、88.1%以上，而当HRT为3d、5d时其TP去除率分别比1dHRT的TP去除率提高了1.72%、0.36%、5.68%及2.99%、0.59%、7.63%，增幅不是很明显。这可能因为垂直流系统中的高炉渣人工土填料是一种高磷吸附基质，系统运行之初，填料对TP的吸附起了主导作用，HRT和植物对TP去除作用的影响还没有明显表现出来所致。0204060801001d3d5dHRT(d)TP去除率（%）HV1HV2HV0707580859095100夏季秋季冬季春季季节TP去除率（%）HV1HV2HV0图5不同HRT下各系统对TP的净化效果图65天HRT季节变化对TP去除率的影响季节变化对TP的去除也有一定的影响。夏季，在相同的HRT下(以5d为例)，HV1，HV2，HV0三系统对TP的平均去除率高于97.97%，而系统HV1、HV2的去除率均达到98.48%以上(如图6中国环境保护优秀论文集（2005）·1080·所示)，春、秋两个季节，系统进水浓度有所升高，TP去除率与夏季相比有所回落，但HV1、HV2、HV0三个系统对TP仍然保持较高的去除率。冬季，TP的去除效果与夏季、秋季、春季相比有所降低，但其平均去除率仍保持在94%以上。这说明只要有合理的设计与操作，人工湿地在冬季仍然可以取得较理想的TP去除效果。（四）对TN净化效果的影响由图7可以看出，各系统对TN的去除率随着HRT的延长而增高，HRT为5d时出水TN浓度非常稳定，基本不受进水浓度变化的影响，能够保持较高的TN去除效率。HRT为3d时，出水TN浓度开始出现波动，但去除效果没有明显减低(与5dHRT去除效果相当)，而且种植物的HV1、HV2系统对TN的去除率均高于HV0系统(如图8)。而当HRT为1d时，TN的去除效果很差，HV1、HV2、HV0分别只有29.87%、34.52%、24.13%。另外，有研究结果表明，HRT越长微生物硝化-反硝化进行得越完全，脱氮效果就越好，但是本试验的研究结果表明并不是HRT越长就越好，它也有一个临界点。因此，虽然本试验中HRT为5d时，系统能够保持较高的TN去除率。但在实际运用中考虑到占地面积，处理水量等问题，建议HRT采用3d。夏、秋、春季HV1、HV2、HV0系统对TN的去除效果昀好，可达到42%以上，而冬季TN的去除率却急剧下降，其平均去除率只有20%左右。这可能是因为在冬季，温度降低，影响了植物和水体微生物的净化作用，同时系统中反硝化作用也变弱了，因此TN的去除率较低。在研究N的去除上，本复合系统虽然取得了一定的效果，但是如何构建或调控N的去除，仍是今后湿地研究的重点。0204060801001d3d5dHRT(d)TN去除率（%）HV1HV2HV0020406080100夏季秋季冬季春季季节TN的去除率（%）HV1HV2HV0图7不同HRT对TN去除率的影响图85天HRT下季节变化对TN去除效果的影响三、结论1.本研究结果表明，在同一季节中，随着HRT的延长，复合系统对水中COD、BOD5、SS、TP及TN等的去除率明显提高，3天去除率明显高于1d，而且差异极显著，5dHRT系统对污染物的去除比3d虽有提高，但增幅不是很明显。因此，在系统的实际运行中，考虑到处理水量、占地面积、投资、运行费用等问题，设计HRT时笔者认为采用3d较为合适。2.水平流-垂直流复合人工湿地系统对水中COD、BOD5、SS及TP等具有较好的去除效果。在夏、秋、冬、春四个季节本复合系统对COD的去除率分别可达到89%,87%,83%,86%以上，对BOD5的去除率也分别可达到88%,85%,73%,74%以上，而对TP的去除率甚至可达到97%,98%,95%,98%以上，但本系统对TN的去除率不高，所以N的去除应该是以后研究的重点。3.本试验中有植物的复合系统去除效果要明显高于无植物的对照，说明植物的种植对污水的净化有一定的作用。第五章环境污染防治技术研究与开发·1081·主要参考文献[1]吴晓磊.人工湿地废水处理机理[J].环境科学，1995，16(3)：83～86[2]沈耀良，王宝贞.人工湿地污水处理技术[C].废水生物处理新技术理论与应用.1996(6)：265～267[3]朱彤等，人工湿地污水处理系统应用研究.环境科学研究.1991，4(5)：17～22[4]Cooper,P.1999.AreviewofthedesignandPerformanceofvertical-flowandhybridreedbedtreatmentsystems,WaterScienceandTechnology,40(3):1～9