裴 亮， 孫莉英， 梁 晶， 麥榮幸

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室， 北京 100101; 2.新華水力發(fā)電有限公司, 北京 100070)

1 研究背景

近20年來，人工濕地廣泛應(yīng)用于國內(nèi)新興污水處理技術(shù)領(lǐng)域，新型的濕地技術(shù)也大量涌現(xiàn)，該技術(shù)適用于處理水量不大、水質(zhì)變化較小、管理水平不高的污廢水降解[1-4]。人工濕地技術(shù)屬于生態(tài)處理方式，可對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的污廢水進(jìn)行有效的降解，尤其針對農(nóng)業(yè)廢水的降解效果更為顯著，是農(nóng)業(yè)面源污染控制中途截留的主要方法之一[5-9]。

人工濕地用于農(nóng)業(yè)廢水降解中的關(guān)鍵要素是植物和填料的選擇[10]，其中，填料可通過沉淀、過濾、吸附作用截留污水中的污染物質(zhì)，也是人工濕地其他有效元素(植物和微生物)生存的介質(zhì)。因此，填料的選擇對人工濕地發(fā)揮水質(zhì)凈化效果起到了關(guān)鍵性的作用。目前已有報道的人工濕地填料主要有沸石、草木灰、礫石粒、石灰渣、煤粉灰、礦石粒、黏土礦渣和個別工業(yè)副產(chǎn)品顆粒等[11-15]。

本試驗針對人工濕地填料對農(nóng)業(yè)廢水污染物降解效果不穩(wěn)定的問題，采用階梯式人工濕地方法對農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解。在其他參數(shù)及條件相同情況下，選擇了4種不同填料來構(gòu)建階梯式人工濕地體系，對農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解研究，考查其對污染物的降解效果。

2 試驗部分

2.1 試驗裝置與方法

試驗采用階梯式人工濕地，該人工濕地類型屬于垂直復(fù)合上行流潛流濕地，濕地構(gòu)造見圖1。濕地的基本參數(shù)及運行情況見課題組以前的研究成果，即參考文獻(xiàn)[8]。梯形水泥池高度160 cm、上邊緣長3 m、底部邊緣長1.7 m，填料層厚度共80 cm，填料層上面有40 cm的土壤覆蓋層。進(jìn)水蓄水池隔板高度140 cm、進(jìn)水污水一級沉淀池的隔板長為120 cm，進(jìn)水污水一級沉淀池隔擋板下方立于大礫石層上，且大礫石層的一部分與進(jìn)水通道貫通，出水沉淀池隔擋板高度為100 cm、出水蓄水池隔擋板高度為80 cm[3，5]。

裝置工作的原理：農(nóng)村廢水通過進(jìn)水管進(jìn)入混凝土池后先進(jìn)入污水一級沉淀池沉淀，后從進(jìn)水蓄水池隔擋板溢出通過進(jìn)水通道滲透進(jìn)入填料層，即從進(jìn)水污水一級沉淀池隔擋板下面滲入填料[3]，自下而上依次經(jīng)過基質(zhì)填料層、土壤層過濾處理后，溢出出水沉積池?fù)醢搴罅魅氤鏊练e池，蓄滿后再溢入出水蓄水池。濕地土壤層上種水生植物。在床體中間沿程豎向設(shè)置了小孔樣本管，以收集水樣和測定濕地內(nèi)的溫度、溶解氧、pH值等數(shù)據(jù)。裝置經(jīng)過2012年4月-2012年8月的運行，運行情況良好[3,8-9]。

試驗中，保持其他影響因素恒定，設(shè)定水力停留時間(HRT)7d為1個周期，連續(xù)7次檢測進(jìn)水和出水的COD、濁度、NH3—N、TN、TP，隨后計算出降解率。

2.2 測試項目與方法

該試驗用水采用農(nóng)村廢水，其分析方法和水質(zhì)情況見表1。

表1 分析方法和水質(zhì)情況[8]

圖1 階梯式人工濕地結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同填料對農(nóng)業(yè)廢水COD的影響

圖2為COD降解率隨水力停留時間HRT的變化情況。

圖2 COD降解率隨水力停留時間的變化

研究表明[8]，不同填料對COD的降解有一定的作用，因為填料本身能吸收部分無機(jī)污染物質(zhì)，而且填料具有較大的比表面積，可為微生物的繁殖和發(fā)生作用提供有利的生存條件，使得微生物對農(nóng)業(yè)廢水中污染物能進(jìn)行有效地吸附和吸收降解[9]。

由圖2可以看出，4種填料中麥飯石和鋼渣降解COD的效果都較好，且麥飯石系統(tǒng)降解效果好于鋼渣系統(tǒng)，隨著HRT的增加，降解率逐漸增長，到一定階段會漸趨平緩; 石灰石系統(tǒng)的降解率較低，隨HRT增加，COD降解率變化不大，當(dāng)HRT在4d以后，降解率基本保持不變，當(dāng)HRT為5d時，4種填料降解COD效果達(dá)到穩(wěn)定。取HRT=7d時，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對COD的降解率分別為79.7%、73.0%、81.3%和67.6%，最終出水平均COD濃度為: 51.2、61.3、53.2和93.4mg/L。4種填料中，麥飯石和鋼渣比表面積大，麥飯石比較松軟，對污染物的攔截、吸附及吸收效果較好，微生物的生長環(huán)境更優(yōu)越[13,16]，因此在對COD的降解效果方面麥飯石和鋼渣較石灰石和竹炭粒要好。

3.2 不同填料對農(nóng)業(yè)廢水濁度的影響

對不同填料情況下，濁度降解率隨水力停留時間的變化情況進(jìn)行了研究，具體見圖3。

圖3 濁度解降率隨水力停留時間的變化

從圖3可以看出，鋼渣、麥飯石和竹炭填料對濁度的降解率曲線趨勢很接近。隨HRT增加，濁度降解率也增加。當(dāng)HRT在4d時，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對濁度的降解率分別為80.3%、66.7%、80.6%和77.6%，HRT繼續(xù)增加，濁度降解率增高就不明顯了。填料對濁度的降解作用主要是靠填料的比表面積吸附和固著大量的微生物，從而形成大片的生物膜起到過濾作用，因此粒徑小、形狀不規(guī)則的填料對濁度的降解率會更高[12,15]。鋼渣、麥飯石和竹炭粒3種填料粒徑都小、形狀不規(guī)則，而且麥飯石和竹炭粒材質(zhì)偏軟，更易于吸附污染物，故對濁度的降解效果更好。當(dāng)HRT到5d時，4種填料的出水濁度平均值達(dá)到16.4、26.3、11.5和13.3NTU。

采用4種填料的階梯式人工濕地處理農(nóng)業(yè)廢水，出水濁度指標(biāo)達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)[11]的一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 不同填料對農(nóng)業(yè)廢水TP的影響

人工濕地對TP[13]的降解主要靠人工濕地的填料層填料、水生植物和微生物以及三者之間的聯(lián)合作用，人工濕地中填料層對TP去除作用最大，水生植物與微生物的結(jié)合及耦合作用降解TP的作用僅次于填料層填料的作用。在4種填料系統(tǒng)中，微生物對含磷化合物的轉(zhuǎn)化在TP的凈化過程中是一個限制性因子，濕地中填料穩(wěn)定性也強(qiáng)化了微生物對TP的吸附和吸收積累[13]。鋼渣填料對磷的降解能力要比其他填料強(qiáng)，隨著水力停留時間的延長，鋼渣系統(tǒng)對磷的降解率保持在一個較高的水平，石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)降解效果較差。對不同填料條件下，TP降解率隨水力停留時間的變化情況進(jìn)行了研究，具體見圖4。

圖4 TP降解率隨水力停留時間的變化

從圖4可以看出，當(dāng)HRT到5d的時候，石灰石系統(tǒng)對TP的降解率開始趨于平穩(wěn)，這可能是因為石灰石比表面積小，填料吸附達(dá)到飽和，TP的降解單靠吸附降解。當(dāng)HRT超過6d時，鋼渣和竹炭粒填料對TP的降解效果也有所下降，同時麥飯石系統(tǒng)的降解能力也逐漸平穩(wěn)趨于飽和，表明HRT在6d左右時對污水中TP的降解來說是較合理的水力停留時間。因此HRT取6d，此時，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對TP的降解率可分別達(dá)到83.5%、55.2%、78.6%和69.2%。最終出水TP平均指標(biāo)為: 0.21、0.59、0.38和0.40mg/L。

3.4 不同填料對農(nóng)業(yè)廢水TN的影響

TN是農(nóng)業(yè)廢水中最重要且最難降解的污染物，對TN的降解，是通過填料及土壤中微生物的硝化和反硝化作用進(jìn)行。圖5為TN降解率隨水力停留時間變化的情況。

從圖5可看出，水力停留時間增加過程中，4種填料對TN的降解率一直保持增長，當(dāng)HRT大于5d時，4種填料對TN的降解達(dá)到穩(wěn)定。除了填料和植物吸收外，TN的降解還受其他因素的影響，如氨的揮發(fā)、填料的吸附與過濾、硝化與反硝化反應(yīng)等，其中TN降解主要是靠微生物的硝化反硝化作用[13]，根系越發(fā)達(dá)的水生植物和穩(wěn)定性越強(qiáng)、比表面越大的填料，越能為硝化細(xì)菌提供一個良好的環(huán)境，即一個好的好氧微環(huán)境，更利于TN硝化充分，因此鋼渣和麥飯石的降解效果要好于石灰石和竹炭粒[14]。當(dāng)HRT到7d時，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對TN的降解率分別可達(dá)74.4%、50.1%、79.2%和69.2%。最終出水TN平均指標(biāo)為: 6.92、13.71、8.87和11.40mg/L。

圖5 TN解降率隨水力停留時間的變化

3.5 不同填料對農(nóng)業(yè)廢水NH3—N的影響

研究發(fā)現(xiàn)[3]，濕地整體系統(tǒng)的污廢水降解效果與濕地的填料之間存在顯著關(guān)系。濕地系統(tǒng)中微生物量越多，污廢水中污染物降解效率越高；硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量影響NH3—N的降解率，硝化和反硝化作用是濕地系統(tǒng)主要除TP和TN的方式，而填料與水生植物共同提供的微生物溫床決定了微生物的生長狀況。但是，NH3—N的降解率還會受到其他因素的影響，使得人工濕地填料系統(tǒng)對NH3—N的降解率不穩(wěn)定[14]。

圖6 NH3—N降解率隨水力停留時間的變化

從圖6可以看出，隨HRT延長，4種填料的NH3—N降解率都在增加。HRT在1～3d內(nèi)，降解率不高，HRT到4d時，降解率有了較大幅度的增加，HRT大于4d后，鋼渣和麥飯石的氨氮降解率都在80%左右，竹炭粒系統(tǒng)的降解率也達(dá)到75%左右，所以這3種填料系統(tǒng)對NH3—N的降解效果都比較好。當(dāng)系統(tǒng)HRT大于4d時，4種填料系統(tǒng)對NH3—N的降解率達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)HRT到6d時，最終出水NH3—N濃度平均指標(biāo)為: 2.9、6.3、3.6和4.7mg/L。

4 結(jié) 論

階梯式人工濕地方法對農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解研究結(jié)果表明：在其他參數(shù)及條件相同情況下，選擇4種不同填料來構(gòu)建階梯式人工濕地體系，對農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解，4種填料在農(nóng)業(yè)廢水處理中均具有較好的效果，4種填料濕地系統(tǒng)都能有效地降解農(nóng)業(yè)廢水中的COD、濁度、TP、TN和NH3—N。當(dāng)污水停留時間(HRT)為7d時，對污水中COD、濁度、TN、TP和NH3—N的降解率，鋼渣分別為79.7%、88.7%、83.5%、74.4%和81.2%，石灰石分別為73.6%、70.7%、55.2%、50.1%和56.9%，麥飯石分別為81.3%、89.7%、78.6%、79.2%和81.5%，竹炭粒分別為67.6%、88.5%、68.3%、69.2%和73.2%，出水水質(zhì)基本達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。麥飯石濕地系統(tǒng)的降解效果最佳，石灰石濕地系統(tǒng)降解效果略差，但可以推測，石灰石系統(tǒng)的出水再經(jīng)過一級濕地處理也可達(dá)標(biāo)。說明4種填料應(yīng)用于處理農(nóng)業(yè)廢水是可行的。

[1] 孫永明,李蒙英,成中芹. 濱河濕地在城市河道治理中的價值探索[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2016(9):9-11+15.

[2]KONNERUPD,KOOTTATEPT,BRIXH.Treatmentofdomesticwastewaterintropical,subsurfaceflowconstructedwetlandsplantedwithCannaandHeliconia[J].EcologicalEngineering,2009,35(2):248-257.

[3] 裴 亮,孫莉英.水生植物在人工濕地處理農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2014(10):26-29.[4] 胡小兵，周 俊.三種濕地植物處理餐飲廢水試驗[J].環(huán)保科技,2011,17(1):44-48.

[5] 裴 亮,梁 晶,劉慧明,等.新型階梯式人工濕地處理生活污水的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2013,7(1):86-90.

[6] 倪 盈,邵海波,韓子乾,等.浮動濕地對再生水受納的景觀水體水質(zhì)凈化作用研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(7):55-57+79.

[7] 李建波.汾河太原城區(qū)濕地水環(huán)境治理探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2015(7):1-2+7.

[8] 裴 亮,劉慧明,顏 明,等.潛流人工濕地對農(nóng)村生活污水處理特性試驗研究[J].水處理技術(shù),2012,38(3):84-86+90.

[9] 裴 亮,梁 晶,周 翀.土壤過濾系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水過程中污染物的變化規(guī)律[J].水資源與水工程學(xué)報,2014，25(2):54-56.

[10] 王 偉.汾河流域生態(tài)修復(fù)濕地工程對水生態(tài)的影響分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(9):31-35.

[11] 李洪利.石佛寺平原水庫人工濕地核心區(qū)生態(tài)治理措施研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2015 (5):73-75+121.

[12] 國家環(huán)境保護(hù)總局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境出版社，2003.

[13] 盧少勇,金相燦,余 剛.人工濕地的氮去除機(jī)理[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(8):2670-2677.

[14] 李曉東,孫鐵珩,李海波.人工濕地除磷研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報,2007,27(3):1226-1230.

[15] 鄭潔敏,黃國寧,牛天新.不同人工濕地填料對水體中銨氮吸附能力的比較[J].杭州農(nóng)業(yè)與科技,2011(1):30-32.

[16]ZHANGYS,WANGJ,QIUJQ.Effectivenessofasubsurfaceconstructedwetlandonthetreatmentofsalinewastewater[J].JournalofEnvironmentalScienceandEngineering,2010,4(1) :9-13.