人工濕地一般由人工基質(zhì)和生長(zhǎng)在其上的水生植物組成，通過(guò)過(guò)濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水 的高效凈化，是一個(gè)獨(dú)特的基質(zhì)—植物—微生物生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地以其高效低耗和易于維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)不同水體的水質(zhì)凈化，包括城鎮(zhèn)生活污水〔1-2〕、工業(yè)廢水〔3-4〕、農(nóng)業(yè)污水〔5-6〕等。近20 年來(lái)，人工濕地還被引入處理富營(yíng)養(yǎng)化水體，如美國(guó)大型淺水湖Apopka 湖〔7-8〕、英國(guó)Thames River〔9〕等均采用了人工濕地技術(shù)，但國(guó)外大多采用表面流人工濕地。國(guó)內(nèi)在人工濕地技術(shù)應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體治理方面也做了一些研究工作，如張榮社等〔10〕開(kāi)展了潛流濕地中植物對(duì)脫氮除磷效果的影響中試研究，萬(wàn)明輝等〔11〕運(yùn)用復(fù)合型人工生態(tài)濕地處理羅時(shí)江水和永安江水。生物繩填料是一種新型水處理材料，其以醛化纖綸為基本材料，模擬天然水草形態(tài)加工而成，近年來(lái)在污水處理中得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)洱海支流水質(zhì)情況以及大理的地域性質(zhì)，筆者研究了PP+K-45 型立體彈性填料結(jié)合挺水植物組成的折流式人工濕地對(duì)污水的處理效果。

1 材料與方法

1.1 進(jìn)水情況及分析方法

用氮肥、磷肥、工業(yè)葡萄糖、燒堿、淀粉等來(lái)模擬洱海支流羅時(shí)江的水質(zhì)，總氨（TN）、總磷（TP）、CODMn、總可溶性磷酸鹽（TDP）分別為1.8~2.2、0.18~0.22、15~20、0.17~0.19 mg/L。試驗(yàn)過(guò)程中控制水力停留時(shí)間（HRT）為24 h，水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）。試驗(yàn)起止時(shí)間為2011-03-18—2011-08-24，期間進(jìn)水的水溫為14~27 ℃，pH 為6.73～8.24。定期采集2個(gè)裝置的進(jìn)出水水樣，按文獻(xiàn)〔12〕中規(guī)定的方法測(cè)定TN、TP、TDP、CODMn。

1.2 生物繩填料

試驗(yàn)所用填料來(lái)自上海TBR 株式會(huì)社生產(chǎn)的PP+K-45 型立體彈性填料，其外徑45 mm、比表面積1.6 m2/m3、空隙率99%。PP+K-45 型立體彈性填料呈環(huán)狀，由細(xì)纖維加工而成，具有優(yōu)異的耐久性，使用時(shí)可以持續(xù)保持大量微生物在其上，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有不易堵塞的特性；可以保持99%以上的空隙率，使得多種微生物能夠同時(shí)生存，得到高標(biāo)準(zhǔn)處理出水的同時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)食物鏈降低污泥的產(chǎn)生率；由于污泥既容易附著也容易剝離，因此可以加速微生物的更新。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在洱海項(xiàng)目沙坪工作站進(jìn)行，采用圖1 所示裝置模擬人工濕地進(jìn)行試驗(yàn)。圖1 中折流裝置A、B 尺寸均為1.2 m×0.5 m×0.8 m，每個(gè)裝置設(shè)3 個(gè)上下折流板，均分成4 個(gè)槽，以生物填料為基質(zhì)，每個(gè)槽中均勻垂直懸掛彈性填料20 根，其中裝置A 中每根填料周?chē)�種有3 株水蔥，與裝置B 進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。裝置供水是通過(guò)1 個(gè)2 m3的配水箱經(jīng)過(guò)水泵輸送到裝置A 和裝置B 中，其中水力負(fù)荷通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行控制。

圖1 人工濕地試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裝置對(duì)CODMn的去除效果

裝置A、B 中進(jìn)出水CODMn變化趨勢(shì)以及去除率的比較見(jiàn)圖2。

由圖2 可以看出，同樣進(jìn)水條件下，兩個(gè)裝置的出水CODMn相對(duì)穩(wěn)定，變化一致，CODMn的去除率相差不是很大，均在75%左右。

 
圖2 CODMn去除效果對(duì)比

人工濕地對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力，廢水中的不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地沉淀、過(guò)濾作用從廢水中截留下來(lái)而被微生物利用；可溶性有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過(guò)程被去除。由圖2 可知，裝置A 和裝置B 對(duì)CODMn的平均去除率分別為76.2%、74.3%，可見(jiàn)，對(duì)于洱海支流這類(lèi)低有機(jī)污染的水體，構(gòu)造這種生態(tài)填料的人工濕地去除其中的有機(jī)污染物效果會(huì)比較理想。兩個(gè)裝置的出水CODMn均在5~6 mg/L，已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。其中種有水蔥的裝置A 對(duì)有機(jī)物的去除效果略?xún)?yōu)于無(wú)水蔥的裝置B。

2.2 裝置對(duì)TP 的去除效果

裝置A、B 中進(jìn)出水TP 變化趨勢(shì)以及去除率的比較見(jiàn)圖3。

圖3 TP 去除效果對(duì)比

由圖3 可以看出，裝置A、B 對(duì)TP 的去除效果理想，分別為64.8％、59.6%。當(dāng)進(jìn)水TP 的平均質(zhì)量濃度為0.21 mg/L 時(shí)，裝置A、B 出水的TP 均小于0.1 mg/L，已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

人工濕地對(duì)磷的去除作用包括基質(zhì)的吸收和過(guò)濾、植物吸收、微生物去除及物理化學(xué)作用。成熟的人工濕地中植物、微生物、填料三者之間處于一種動(dòng)力學(xué)平衡狀態(tài)，使得三者之間交換吸附磷的能力不斷得到恢復(fù)，因而除磷效果較好，其中微生物起主要作用，其次是植物的吸收作用。本試驗(yàn)選用正處于生長(zhǎng)季節(jié)的水蔥作為濕地植物，水蔥由于有發(fā)達(dá)的根和莖等通氣組織的存在，能夠運(yùn)輸氧到根部，這些氧除了滿(mǎn)足根部的有氧呼吸之外，還有一部分在運(yùn)輸過(guò)程中通過(guò)根軸徑向釋放到根際水中〔13〕，并在根際還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境，為好氧微生物的生長(zhǎng)提供適宜的小環(huán)境，有利于對(duì)TP 等污染物的吸收降解。因此有植物的人工濕地系統(tǒng)比無(wú)植物的人工濕地系統(tǒng)有著更好的除磷效果。

圖中TP 去除率曲線(xiàn)變化波動(dòng)較大，分析原因應(yīng)該是進(jìn)出水濃度較低，取值時(shí)易造成誤差所致。

2.3 裝置對(duì)TDP 的去除效果

裝置A、B 中進(jìn)出水TDP 變化趨勢(shì)以及去除率的比較見(jiàn)圖4。

 
圖4 TDP 去除效果對(duì)比

由圖4 可以看出，當(dāng)進(jìn)水TDP 的平均質(zhì)量濃度為0.19 mg/L，裝置A、B 出水的TDP 均小于0.1 mg/L，種有水蔥的裝置A 去除TDP 的效果要比裝置B好。

由圖4 可知，裝置A 和裝置B 對(duì)TDP 的去除效果前期波動(dòng)性較大，這可能與裝置內(nèi)藻類(lèi)的生長(zhǎng)有關(guān)〔14-15〕；后期裝置對(duì)TDP 的去除效果相對(duì)平穩(wěn)，去除率在48%~56%范圍內(nèi)變化。

由出水濃度曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，TDP 和TP 存在相同問(wèn)題，即在出水相對(duì)穩(wěn)定的情況下，由于濃度差別不大，計(jì)算誤差引起去除率曲線(xiàn)變化較大。

2.4 裝置對(duì)TN 的去除效果

裝置A、B 中進(jìn)出水TN 變化趨勢(shì)以及去除率的比較見(jiàn)圖5。

 
圖5 TN 去除效果對(duì)比

由圖5 可知，系統(tǒng)TN 濃度總體變化趨勢(shì)除前期有小波動(dòng)外，后期一直相對(duì)穩(wěn)定，平均質(zhì)量濃度為1.8 mg/L，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）湖、庫(kù)Ⅴ類(lèi)水平，裝置A、B 出水TN 平均為0.98~1.03 mg/L，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）湖、庫(kù)Ⅲ類(lèi)水平。

由圖5 可知，裝置A、B 進(jìn)出水TN 變化趨勢(shì)基本一致，TN 主要是通過(guò)硝化和反硝化作用得以去除，微生物是此過(guò)程的主要承擔(dān)者，進(jìn)水中的無(wú)機(jī)氮包括NH3-N 和NO3--N，均可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質(zhì)，最后通過(guò)植物的收割形式從人工濕地的廢水中去除；一部分NH3-N 轉(zhuǎn)化成NH3后，以氣態(tài)的形式揮發(fā)到大氣中。裝置A、B 對(duì)TN 的平均去除率分別為48.3%、42.3%，可見(jiàn)，裝置A 對(duì)TN 的去除效果要優(yōu)于裝置B。這是因?yàn)楸驹囼?yàn)裝置是折流式潛流，水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣通過(guò)根部釋放至格室的上部空間的水中，使得格室上部空間的水為好氧狀態(tài)，然而上部空間微生物分解有機(jī)物消耗了溶解氧，上部空間的水潛流至下部空間時(shí)，溶解氧濃度降低，使得下部空間處于厭氧狀態(tài)，從而在裝置A 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了硝化反硝化作用，強(qiáng)化了對(duì)TN 的去除。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)裝置自2011 年3 月運(yùn)行起至2011 年8月，在掛膜穩(wěn)定后，比較了不同水力停留時(shí)間下種有水蔥的裝置A 和無(wú)水蔥的裝置B 構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)對(duì)低污染水源水的處理效果，其中在水力停留時(shí)間HRT 為24 h，水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）情況下，裝置A、B 對(duì)低污染水源水的凈化均效果良好，說(shuō)明PP+K-45 型生物填料與水蔥構(gòu)成的人工濕地可用于對(duì)低污染水源水的凈化處理。

（1）裝置A 和裝置B 對(duì)TN 的平均去除率分別為48.3％和40.2％；對(duì)TP 的平均去除率分別為65.8％和55.9％；對(duì)CODMn的平均去除率分別為75.2％和74.8%；對(duì)TDP 的平均去除率分別為55.9％和50.3％。

（2）本試驗(yàn)所用的生物繩填料對(duì)微污染水具有較好的凈化作用。填料絲條不僅能使微生物較好生長(zhǎng)，而且對(duì)水體中的懸浮物具有一定的吸附作用，使水體濁度降低，觀(guān)賞度得到改善。

（3）試驗(yàn)是在春夏季進(jìn)行，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，秋冬季的低溫可能會(huì)限制微生物的生長(zhǎng)活性。所以將在后續(xù)的研究中繼續(xù)觀(guān)察摸索人工濕地對(duì)低溫低污染水的處理情況。并將進(jìn)行人工濕地系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有關(guān)最佳運(yùn)行條件的摸索、運(yùn)行參數(shù)的控制、濕地植物的篩選的研究，以進(jìn)一步提高人工濕地系統(tǒng)對(duì)低污染廢水的處理效果。