组合式垂直流人工湿地装置对生活污水处理效果研究*

麦榆敏，周伟民，赖侥鹏，黄鑫峰，肖 涵，杨俊华，黄锦伟，陈 露，刘小燕

(东莞理工学院城市学院城建与环境学院，广东 东莞 523000)

目前，随着生活水平的普遍提高，产生大量的生活污水，不仅仅给现有的污水处理厂带来更大的处理负荷，还已经严重污染了水体环境，为使污水达标排放、回用污水安全和保护受纳水体，对未达标排放的污水进行深度处理显得尤其重要，如何深度处理生活污水已经成为社会研究的重点。人工湿地[1]作为污水处理技术起源于20世纪70年代，由基质、植物和微生物三者共同作用，可达到高效净化去除污染物的作用[2]。人工湿地生态系统具有投资低、抗冲击力强、操作简单、维护和运行费用低廉、增加绿地面积、改善和美化生态环境等优点，对富营养化元素、有机物、无机物、重金属和致病微生物等污染物起到有效的净化作用[3]，是得到广泛应用和发展的污水处理新技术，主要由填料、植物和微生物组成，利用人工湿地自然生态系统的物理、化学和生物三者协同作用形成的最佳组合进行净化污染物[4]，对污染物的净化机理包括沉淀、过滤、吸附、离子交换配位平衡、微生物降解和植物吸收等作用[5]。现在人工湿地已被广泛地应用于生活污水[6]、暴雨径流、工业废水、农业径流、酸性采矿废水和垃圾渗滤液等各种废水的处理，作为一种污水处理系统不仅具有重要的污水处理能力，而且具有资源恢复利用的功能[7]。

目前，大多数人工湿地被运用到大型的环境工程项目中，这些人工湿地系统不仅基建建设周期长、施工技术较难，还不便于维修、更换和迁移。因此，为了提高人工湿地的适用范围，国内衍生出一些人工湿地装置，但是，这些装置存在体积大、不便于维修和更换、功能单一等缺陷，给人工湿地装置的运用与推广带来了一定的局限性[8]。因此，录求一种处理方式灵活多样、制造成本较低，便于维修与更换，操作简单易行和出水达标的人工湿地技术，一直是人工湿地处理技术研究的重点。

1 实 验

1.1 材料与仪器

试剂主要有：重铬酸钾、硫酸汞、硫酸银、邻菲罗啉、硫酸亚铁铵、四水合酒石酸钾钠、氢氧化钠、碘化汞、碘化钾、氯化铵、硫酸(1+9)、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、磷酸二氢钾和盐酸等，所用药剂均为分析纯。

仪器主要有：电子天平JE203G/02，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；上海元析V-5000可见光分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司等。

实验装置为垂直流人工湿地装置(自制)设计图见图1。

图1 垂直流人工湿地装置设计图

1.2 试验污水

试验水样以校园湖水为基础，并加入碳元素、N元素与P元素模拟配备生活污水。模拟生活污水由校园湖水、葡萄糖、磷酸二氢钾、氯化铵、盐酸和氢氧化钠调配形成[9]。湿地系统中各种进水水质指标最值浓度、温度和pH值详见表1。

表1 试验模拟废水指标以及检测方法

1.3 试验方法

1.3.1 垂直流人工湿地装置的构造

使用陶粒和砾石组合的人工湿地基质固定风车草和美人蕉等湿地植物，堆叠成基质篮，使用改性纤维球以及黑色聚乙烯填料(见图2)构成生物填料篮，采用篮子叠加结构，组成垂直流人工湿地装置。

图2 改性纤维球和黑色聚乙烯填料

1.3.2 垂直流人工湿地装置的预培养

在人工湿地装置内连续通入生活污水浸泡1个月，并加入少许活性污泥(来自寮步镇污水处理厂的二沉池)于人工湿地系统内，1个月后逐渐观察到基质上生长的生物膜，通过显微镜观察到微生物大量繁殖；湿地植物长出新芽，长势达到良好，说明生物膜培养成功。

1.3.3 不同方案下垂直流人工湿地净化效果

(1)采用纯垂直流人工湿地法，其停留时间为1天，采取底部进水，顶部出水，底部不曝气的方式。其结构如下：从底往上依次是砾石篮、陶粒篮、砾石篮和水生植物区。

(2)采用垂直流人工湿地+生物接触氧化法，其停留时间为1天，采取底部进水，顶部出水，底部曝气的方式。其结构如下：从底往上依次是生物床、陶粒篮、砾石篮和水生植物区。

实验室内气温约为15～25 ℃，平均水温为20 ℃。采集人工湿地处理单位进出水样后，带置实验室进行检测分析，对COD、NH3-N与TP三种污染指标进行检测。出水取样口在人工湿地上部塑料软管管口。

2 结果与讨论

2.1 纯垂直流人工湿地法对生活污水的净化效果研究

纯垂直流人工湿地系统在水力负荷为1.4 dm3/dm2·d下运行，进出水COD、NH3-N、TP浓度变化如图3所示。

图3a为纯垂直流人工湿地的进出水COD浓度的6次实验结果，进水COD的浓度变化在77.35～83.12 mg/L之间，出水COD浓度的变化趋势随着进水浓度的波动而变化，与进水浓度基本上保持正相关系，出水浓度变化在17.48～21.320 mg/L之间，达到污水处理厂污染物排放一级A标准(50 mg/L)，表明纯垂直流人工湿地装置对COD有较好的去除效果。

图3b为纯垂直流人工湿地的进出水NH3-N浓度的6次实验结果及其变化趋势比较。进水NH3-N的浓度变化在15.85～19.63 mg/L之间，虽然进水NH3-N浓度有所波动，但出水浓度相对平稳，即对NH3-N的去除效果基本保持稳定，出水浓度变化在5.57～6.98 mg/L之间，但未能达到污水处理厂污染物排放一级A标准(5 mg/L)。

图3c为纯垂直流人工湿地的进出水TP浓度的6次实验结果及其变化趋势比较，进水TP浓度变化在2.18～2.76 mg/L之间，进水浓度相对平稳，出水浓度波动稳定，变化在0.66～1.17 mg/L之间，相比NH3-N和COD去除效果较差，未能达到污水处理厂污染物排放一级A标准(0.5 mg/L)。

图3 纯垂直流人工湿地系统污染物的进出水浓度及去除率

平均进出水COD、NH3-N、TP浓度如表2所示，可见COD有较好的去除效果，达到污水处理厂污染物排放一级A标准，而NH3-N与TP的净化效果相对欠缺，且排放浓度均未能达到污水处理厂污染物排放一级A标准。

表2 纯垂直流人工湿地系统各项污染物平均进出水浓度

综合图3和表2表明，COD、TP的去除效果较佳，在纯垂直流人工湿地系统中，污水经过好氧区、兼氧区、缺氧区、厌氧区，通过氨化、硝化、反硝化作用进行脱氮，在厌氧条件下释磷，好氧超量吸磷进行除磷，同时微生物将可生物降解碳源等营养物质进行自身同化吸收等作用共同净化污水。从各种污染物的检测指标可知，COD的平均去除率最高，达到76.23%的去除率，NH3-N达到64.43%，TP为65.56%。

2.2 垂直流人工湿地+生物接触氧化法对生活污水的净化效果研究

复合垂直流人工湿地生物系统在水力负荷为1.4 dm3/dm2·d条件下，进出水COD、NH3-N、TP浓度如图4所示。

图4a为垂直流人工湿地+生物接触氧化法的进出水COD浓度6次实验结果，进水COD的浓度变化在77.35～83.12 mg/L之间，出水COD浓度的变化趋势随着进水浓度的波动而变化，与进水浓度基本上保持正相关系，出水浓度变化在12.13～14.32 mg/L之间，明显达到污水处理厂污水A级排放标准，表明纯垂直流人工湿地+生物接触氧化法对COD有更好的去除效果。

图4b为纯垂直流人工湿地+生物接触氧化法的进出水NH3-N浓度的6次实验结果及其变化趋势比较。进水NH3-N的浓度变化在15.85～19.63 mg/L之间，虽然进水NH3-N浓度有所波动，但出水浓度相对平稳，即对NH3-N的去除效果基本保持稳定，出水浓度变化在2.25～3.13 mg/L之间，均达到污水处理厂污水A级排放标准，这是由植物、微生物和基质吸收转化共同作用，加强NH3-N去除效果。

图4c为纯垂直流人工湿地+生物接触氧化法的进出水TP浓度6次实验结果及其变化趋势比较，进水TP浓度变化在2.18～2.76 mg/L之间，进水浓度相对平稳，出水浓度波动平稳，变化在0.35～0.46 mg/L之间，加入生物接触氧化法后去除效果大幅度提升，出水TP浓度达到污水处理厂污染物排放一级A标准。平均进出水COD、NH3-N、TP浓度如表3所示，可见COD、NH3-N、TP去除率均有所提高，同时都达到了污水处理厂污染物排放一级A标准。

图4 复合垂直流人工湿地系统污染物的进出水浓度及去除率

表3 复合垂直流人工湿地系统各项污染物平均进出水浓度

综合图4和表3可知，在相同条件下，垂直流人工湿地+生物接触氧化法的COD、NH3-N和TP的去除效果同比纯垂直流人工湿地法有所加强，不仅污水经过好氧区、兼氧区、缺氧区、厌氧区，在底部的生物床加强了微生物(硝化细菌、反硝化细菌、释磷菌和聚磷俊等)的富集，进而加强微生物的降解与同化作用，通过氨化、硝化、反硝化作用进行脱氮，在厌氧条件下释磷，好氧超量吸磷进行除磷，同时微生物将可生物降解碳源等营养物质进行自身同化吸收等作用共同净化污水，使去除效果达到最佳。从图4各种污染物的检测指标可知，COD的平均去除率最高，达到90.72%的去除率，NH3-N高达到84.46%，TP为82.99%。

3 结 论

该装置能够通过变换“基质篮”和“生物篮”实现人工湿地、人工湿地+生物接触氧化法、人工湿地+生物滤池等不同处理方式，具有处理方式灵活多样、制造成本较低，便于维修与更换和出水好等优点，适合于家庭式他小流量生活污水处理或高校环境类专业实验教学。从市场需求的角度分析，由于环保产业发展的带动，市场对污水处理的需求量将越来越大，而人工湿地污水处理装置符合国家发展循环经济和节约型社会发展要求，具有产业化的技术，其市场前景将十分广阔。可达到的技术指标如下：

(1)出水水质可达《城镇污水处理厂污染物排放》GB18918-2002一级A或B、城市污水再生利用景观环境用水水质标准。

(2)COD、氨氮和总磷的去除率高，实验证明其去除率分别为90.72%、84.46%和82.99%。