垂直流人工湿地处理农村生活污水性能研究

李 奕，王宗丽，宋墩福

(1. 萍乡学院 材料与化学工程学院，江西 萍乡，337055；2.江西环境工程职业学院 林业学院，江西 赣州，341000)

随着我国农村经济的不断发展，生活污水对周围环境水体的负面影响越来愈严重，而在大部分地区，生活污水并没有配套处理设施，只能直接排放[1-2].由于居民居住分散，管网设施不完善，技术手段运行管理成本高等缺陷，导致农村生活污水处理的推广有一定的难度[3-4].近年来，人工湿地在农村生活污水的应用越来越受关注，它具有运行费用低、无二次污染、景观效果良好等优点[5-6].人工湿地的核心技术为潜流式湿地，按水流形式分水平流和垂直流[7].垂直流人工湿地主要优点为占地面积小、处理效率高等，在农村生活污水处理中具有一定的竞争力.本研究针对江西省地区农村生活污水处理不完善问题，建立垂直流人工湿地选定合适的植物体系，并考察其对生活污水的处理效果.

1 实验材料和方法

1.1 废水来源

实验废水为江西省某农村生活污水，生活污水中混入了养殖废水，具体分析指标如表1所示.该村落地址南高北低，污水可顺势自流进行收集.收集后的生活污水经格栅预处理后进入人工湿地系统，污水量为80 m3/d.

表1 生活污水水质

1.2 模拟湿地实验

设计筒式生态湿地模拟实验以选择最合适的植物种类，实验植物种类选择常见的凤眼莲、芦苇和伞草三种.实验采用4个滚筒，每个滚筒总容积为200 L，高90 cm，每个单元按表2一级湿地方式充满砾石层，作为过滤层，底物连接穿孔管进行通风.其中一个滚筒未种植任何植物作为对照组，另外三个滚筒分别单一种植凤眼莲、芦苇和伞草.滚筒在第一个月内以稀释过的污水作为底物，以建立功能良好的植物体系.在后续运行的一个月内，改为以原污水作为底物，水力负荷设计为0.15 m·d-1.

表2 湿地填充介质参数

1.3 中试湿地实验

通过模拟湿地实验确定最适的植物种类后，建立两级垂直流人工湿地进行现场中试实验.人工湿地为钢砼结构，并做防渗处理.一级人工湿地表面积为20 m2，二级人工湿地表面积为10 m2.人工湿地内部按表2的方式填充河流砾石，河流砾石具有很高的导水率，为生物膜的形成提供了较好的基础.系统在第一个月内处理稀释后的污水以形成良好的植物体系，在以后的运行中处理仅经格栅预处理的生活污水.一级人工湿地设置2个平行组，依次运行，水力负荷为0.15 m·d-1，处理后的水自流进入二级人工湿地，二级人工湿地设置2组，依次运行，水力负荷为0.15 m·d-1.运行4个月后，提高水力负荷为0.22 m·d-1，以考察系统运行性能.

1.4 分析方法

水中TDS指标按称量法[8]进行测定，COD、BOD、TKN、NH3—N、TP和SS等指标按国家标准[9]进行分析.微生物分析采用文献[10]中所述的DNA提取、PCR扩增及焦磷酸测序法完成.

2 实验结果与讨论

2.1 模拟实验性能

表3为各组模拟实验在第2个月内的运行性能总结.从表3中可以看出，与对照组相比，凤眼莲组、芦苇组和伞草组对各项污染物均有不同程度提高的去除效果.对照组、凤眼莲组、芦苇组和伞草组对COD的平均去除率分别为19.4%、40.5%、39.5%和48.7%，较对照组，凤眼莲组、芦苇组和伞草组的COD平均去除率分别提高了108.8%、103.6%和151.3%.对照组对TKN和NH3—N的去除率很低，分别仅为9.4%和8.7%，凤眼莲组和芦苇组对TKN和NH3—N的去除率也处于较低水平，且基本相当，在33.2%～36.9%之间变化.伞草组对TKN和NH3—N的去除率最高，分别达到59.5%和67.5%.本研究人工湿地对TKN和NH3—N的去除率低于其他类似研究，主要原因在于本研究模拟人工湿地运行时间较短，植物根系不足以驯化出稳定的硝化菌群.就TP去除而言，可以看出，各组系统对TP的去除率均很低，对照组、凤眼莲组、芦苇组和伞草组出水TP的质量浓度分别为(6.2±0.3)、(5.7±0.4)、(5.5±0.5) mg·L-1和(4.9±0.3) mg·L-1，对应的TP去除率分别为3.1%、10.9%、14.1%和23.4%，伞草组对TP的去除率高于凤眼莲组和芦苇组.人工湿地对TP的去除率较低是因为人工湿地对TP的去除主要通过根系吸收、菌群增殖代谢需求及生物矿化方式来实现，对TP的去除能力有限，在其他的类似研究中，人工湿地对TP的去除率同样不高.因此，在本模拟实验中，伞草组对COD、TKN、NH3—N和TP的去除率均最高，可以确定伞草为本人工湿地系统最适合的植物体系.

表3 模拟实验稳定运行性能

图1 三组人工湿地在运行末期基质

2.2 中试实验性能

基于模拟实验结果，采用伞草植物建立两级垂直流人工湿地，并考察0.15 m·d-1和0.22 m·d-1水力负荷对系统运行性能的影响.图2为不同水力负荷下两级人工湿地出水有机物污染质量浓度变化情况，图3为不同水力负荷下两级人工湿地对有机物污染物的去除情况.第1～11周为系统启动期，从图3中可以看出，人工湿地出水中各项污染物质量浓度随着运行时间的推进逐渐降低，出水COD和BOD质量浓度在运行的第5周基本稳定，而TKN和NH3—N出水质量浓度稳定时间较长，在第11周达到稳定状态，这表明硝化细菌培养驯化较异氧菌需要更长的时间.系统运行稳定后，当人工湿地在0.15 m·d-1的水力负荷下运行时(第12～27周)，一级人工湿地对 COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分别为70.8%、71.2%、53.3%、65.4%、21.1%和55.2%，二级人工湿地对COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分别为65.7%、69.4%、51%、60.8%、38.2%和75%，除TDS和SS指标外，其余指标的去除率均比一级人工湿地低，一级人工湿地承担了有机污染物的大部分去除.整个系统对上述各项指标的平均去除率分别达到了90%、90.9%、77.1%、86.4%、51.2%和88.8%，各项指标出水质量浓度分别为(69.9±3.3)、(28.6±1.5)、(8.6±0.7)、(4.2±0.3)、(585.5±104.5) mg·L-1和27.2±3.6 mg·L-1.当水力负荷提高到0.22 m·d-1时(第28～35周)，各项污染物出水质量浓度和去除率均有一定的变化.从图3中可以看出，两级人工湿地对COD和BOD的去除率略有小幅度的下降，本研究水力负荷的提高对COD和BOD的去除影响很小，有小幅度下降，分别由90%和90.9%下降至88.6%和89.1%.TKN的去除率也随水力负荷的提高而小幅度下降，由77.1%下降至67.9%.但NH3—N的去除率却随水力负荷的提高而呈升高趋势，这可能与植物根系吸收作用有关，一级人工湿地对NH3—N的去除率由65.4%提高到69%，二级人工湿地对NH3—N的去除率基本没变化，Xu et al[15]曾以人工湿地处理农村生活污水，得到了类似的变化趋势.随着水力负荷的提高，出水TDS和SS质量浓度呈升高趋势，这表明上升流速的提高的对根系盐分吸收效果和砾石悬浮物截留效果有一定的负面影响.

图2 不同水力负荷下有机物污染质量浓度变化情况(单位：周)

图3 不同水力负荷下系统对有机物污染的去除情况

3 结 论

1)两级伞草垂直流人工湿地应用于农村生活污水处理中具有一定的可行性，系统对COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分别达90%、90.9%、77.1%、86.4%、51.2%和88.8%.

2)提高的水力负荷对系统运行性能有一定的负面影响，较低的水力负荷更适合于人工湿地的运行.