中图分类号: X703 文献标识码: A 文章编号: 1007-2284(2011) 02-0001- 03
富营养化是太湖水体污染的重要特征，未经处理就直接排放的农村生活污水是造成太湖水体富营养化的主要原因之一。农村生活污水具有量少、分散、远离排污管网等特点，因此选择一种适宜的技术对太湖周边地区的农村生活污水进行处理是缓解太湖水体富营养化的有效方式。人工湿地作为一种高效、低耗、简易的污水处理技术，适合广大农村的污水处理，具有广阔的应用前景。然而，对于不同地区、不同环境气候条件以及不同的污水性质，需要结合实际情况深入开展研究工作，以取得实用数据。同时，作为一种生态污水处理技术，人工湿地处理效果的稳定性是备受关注的问题。人工湿地一年四季的处理效果是否稳定，是目前备受关心和争议的问题。本研究在中试规模下，以煤渣基质水平潜流人工湿地为例，研究了其对太湖流域农村地区生活污水的净化效果，以探讨用水平潜流人工湿地处理该地区农村生活污水的可行性，从而为防治太湖富营养化提供参考。
1 试验材料与方法
1. 1 试验装置
试验中试系统位于宜兴市大浦镇林庄村，在进行本试验研究前已稳定运行1 年。该系统由厌氧池和水平潜流人工湿地2部分组成，厌氧池有效容积为20 m3，H RT 为2~ 4 d。人工湿地由2 条廊道组成，每条廊道都分为进水区、处理区和出水区3部分，处理区的尺寸为7 m(长)×0.70 m (宽)×0.75 m (高) ,其中一条廊道填充0. 75 m 厚的煤渣，另一条廊道底层为40 cm厚的碎砖(粒径为3~ 5 cm)，中层为30 cm厚的砾石(粒径为1~ 2 cm)，表层为5 cm厚的细沙。2 条廊道的有效水深均为0. 70 m。湿地底面坡度为0. 5%，底面和四周以水泥墙封闭，并进行防渗处理。湿地植物均采用当地天然湿地优势物种芦苇。在进水区和出水区填充废石膏以增强除磷效果。在处理区1. 5m、3 . 5 m 和5. 5 m 处分别设有采样管，采样管高度距离湿地底部55 cm，图1 为人工湿地的平面图。
图1 人工湿地平面图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental constructed wetland
居民生活污水经收集管网自流到厌氧池，然后由1台自吸式水泵将污水从厌氧池提升至高位水箱，水箱中的水经配水管道进入人工湿地，在配水管道上安装了控制阀和液体流量计以控制进水流量，进入人工湿地的污水经湿地处理后排入附近池塘。
1. 2 试验条件
人工湿地进水采用连续流方式，水力负荷控制在0. 5 m3/(m2·d) 。2008 年3 月下旬在人工湿地进水区和出水区添加石膏并开始对湿地进出水各项指标进行监测，至2008 年12 月底结束，历时9个多月，经历了芦苇发芽期、稳定生长期和枯黄期，试验期间采样频率为2~ 4 d/次。本文在研究人工湿地对农村生活污水的净化效果时，以煤渣基质人工湿地为例，采用4-12月每个月5次的各水质指标的进出水浓度及去除率数据进行分析。试验期间人工湿地进水水质见表1。
表1 人工湿地进水水质
Tab. 1 Influent quality of constructed wetland mg/L
1. 3 测定项目及分析方法
水质测定项目包括COD、TN、NH4+-N、TP、DO、pH 值以及温度，其中，COD 采用CTL-12 型COD仪测定，TN、NH4+-N、TP分别采用碱性过硫酸钾消解- 紫外分光光度法、纳氏试剂比色法、钼酸铵分光光度法测定[1]，DO、pH 值和温度采用便携式速测仪测定。
2 试验结果与分析
2. 1 人工湿地对生活污水中氮的去除效果
2. 1. 1 对NH4+-N的去除效果
试验经历9 个月，外界气温变化幅度较大，对各种污染物的去除率有不同程度的影响，因此将整个试验阶段划分为4个季节。每5 d平均气温稳定在22℃以上时为夏季开始，每5 d平均气温稳定在10℃以下时为冬季开始，每5 d 平均气温在10~ 22℃时为春秋季。试验期间4-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月为冬季。
如图2 和图3 所示，试验期间人工湿地进水NH4+-N浓度波动较大(6.33~ 46.73 mg/L)，平均浓度为21. 75 mg/L，其中春季和冬季进水波动尤为明显。人工湿地出水NH4+-N浓度较进水波动小(2.10~ 21.36 mg/L)，平均浓度为8. 29 mg/L。NH4+-N的去除率为38. 6%~89. 2%，平均去除率为62. 9%。季节不同，NH4+-N 的出水浓度和去除率存在差异。夏季和秋季在进水平均浓度分别为16. 79 mg/L 和20. 32 mg/L 的条件下，出水平均浓度分别为4.47 mg/L 和7.26 mg/L,平均去除率分别为71. 9% 和63. 6%; 春季和冬季在进水平均浓度分别为26. 75 mg/L 和30. 89 mg/L 的条件下，出水平均浓度分别为12.07 mg/L 和15. 26 mg/L，平均去除率分别为55. 0%和49. 5%。平均去除率由高到低的顺序为: 夏季> 秋季> 春季> 冬季。
图2 人工湿地进出水NH4+-N浓度及去除率
Fig. 2 Influent and effluent concentration and removal efficiency of NH4+ - N
图3 不同季节人工湿地进出水NH4+-N浓度及去除率比较
Fig. 3 Influent and effluent concentration and removal efficiency of NH4+-N in different seasons
夏季的平均去除率最高，冬季最低，二者差值达到22. 4%。说明温度对人工湿地NH4+-N 的去除影响显著。人工湿地中NH4+-N的去除主要依靠好氧硝化细菌的硝化作用和植物的吸收作用。硝化细菌对温度变化敏感，夏季温度高，硝化细菌数量高、活性强; 同时植物在夏季生长旺盛，通过光合作用产生氧气的能力强，植物通过输送组织输送至根部的氧气量增加,从而有利于硝化反应的进行。此外，夏季植物生长旺盛有利于其对NH4+-N的吸收。冬季温度降低，硝化细菌的增殖速率和活性受到抑制; 同时植物进入枯萎期，对系统的供氧能力减弱，对NH4+-N的吸收量减少，因此去除率下降明显。
试验期间，春季出水NH4+-N浓度为5. 65~ 21. 36 mg/L(平均浓度12. 07 mg/L)，仅有20% 达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) 一级B 标准(以下简称一级B 标准: 进水温度高于12℃时，出水NH4+-N浓度≤8mg/L; 进水温度低于12℃时，出水NH4+-N浓度≤15 mg/L) 。夏季出水NH4+-N 浓度为2. 10~ 6. 67 mg/L(平均浓度4. 47 mg/L)，均达到一级B 标准，其中超过70%达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A 标准(以下简称一级A 标准: 进水温度高于12℃时，出水NH4+-N浓度≤5 mg/L)。秋季出水NH4+-N浓度为4. 07~ 10. 27 mg/L(平均浓度7. 26mg/L)，其中近70%达到一级B 标准。冬季出水NH4+-N浓度为11.25~ 21.17 mg/L(平均浓度15. 26 mg/L)，其中60%达到一级B 标准。
2. 1. 2 对TN 的去除效果
如图4 和图5 所示，试验期间人工湿地进出水TN 浓度及去除率变化趋势与NH4+-N基本一致。这是因为进水中TN的主要成分为NH4+-N，而水平潜流人工湿地中良好的厌氧环境使得NH4+-N被转化为NO3--N后，极易通过反硝化作用还原为气态氮而从系统中脱除，从而使出水TN 浓度降低。人工湿地进水TN 浓度波动较大(8. 84~ 58. 22 mg/L)，平均浓度为26. 18mg/L，其中春季和冬季的进水波动尤为明显。人工湿地出水TN 浓度较进水波动小(4. 46~ 26. 32 mg/L)，平均浓度为10. 85 mg/L。TN 的去除率为37. 9%~77. 7%，平均去除率为59.1% 。季节不同，TN 出水浓度和去除率存在差异。夏季和秋季在进水平均浓度分别为20. 95 mg/L 和24. 82 mg/L的条件下，出水平均浓度分别为6. 69 mg/L 和9. 46 mg/L，平均去除率分别为67. 0%和60. 9%; 春季和冬季在进水平均浓度分别为30. 53 mg/L 和37. 27 mg/L 的条件下，出水平均浓度分别为14. 98 mg/L 和19. 25 mg/L，平均去除率分别为50. 6%和47. 0%。平均去除率由高到低的顺序为: 夏季> 秋季> 春季> 冬季。
图4 人工湿地进出水TN 浓度及去除率
Fig. 4 Influent and effluent concentration and removal efficiency of TN
图5 不同季节人工湿地进出水TN 浓度及去除率比较
Fig. 5 Influent and effluent concentration and removal efficiency of TN in different seasons
季和秋季在进水平均浓度分别为20. 95 mg/L 和24. 82 mg/L的条件下，出水平均浓度分别为6. 69 mg/L 和9. 46 mg/L，平均去除率分别为67. 0%和60. 9%; 春季和冬季在进水平均浓度分别为30. 53 mg/L 和37. 27 mg/L 的条件下，出水平均浓度分别为14. 98 mg/L和19. 25 mg/L，平均去除率分别为50. 6%和47. 0%。平均去除率由高到低的顺序为: 夏季> 秋季> 春季> 冬季。
夏季的平均去除率最高，冬季最低，二者差值达到20. 0%,说明温度对人工湿地TN 的去除影响显著。人工湿地中TN的去除主要依靠硝化/反硝化作用，反硝化细菌对温度的变化虽不如硝化细菌敏感[2]，但低温不利于反硝化细菌的生长和增殖。因此冬季人工湿地中反硝化速率降低，TN 的去除率下降。试验期间，春季出水T N 浓度为8. 01~ 26. 32 mg/L(平均浓度14. 98 mg/L)，其中90%达到一级B 标准(出水TN 浓度≤20 mg/L) 。夏季出水TN 浓度为4. 46~ 9. 60 mg/L(平均浓度6. 69 mg/L)，秋季出水T N 浓度为6. 74~ 13. 82 mg/L(平均浓度9. 46 mg/L)，均达到一级A 标准(出水TN 浓度≤15 mg/L) 。冬季出水TN 浓度为11. 25 ~ 21. 17 mg/L (平均浓度19. 25 mg/L)，其中60%达到一级B 标准。
2. 2 人工湿地对生活污水中COD 的去除效果
试验期间人工湿地进水COD 浓度波动较大(48. 59 ~287. 87 mg/L)，平均浓度为131. 69 mg/L，其中春季和冬季的进水波动较明显。人工湿地出水COD 浓度较进水波动小(15. 57~ 167. 91 mg/L)，平均浓度为47. 49 mg/L。COD 的去除率为41. 7% ~ 82. 3%，平均去除率为65. 1%。季节不同,COD 出水浓度和去除率存在差异。夏季和秋季在进水平均浓度分别为88. 66 mg/L 和132. 80 mg/L 的条件下，出水平均浓度分别为24. 25 mg/L 和41. 74 mg/L，平均去除率分别为71. 0%和68. 1%; 春季和冬季在进水平均浓度分别为160. 65mg/L 和194. 33 mg/L 的条件下，出水平均浓度分别为67. 25mg/L 和94. 94 mg/L，平均去除率分别为57. 8%和53. 1%。平均去除率由高到低的顺序为: 夏季> 秋季> 春季> 冬季。夏季的平均去除率最高，冬季最低，二者差值为17. 9%，说明温度对人工湿地COD 的去除有较大影响。人工湿地对COD的去除主要是依靠附着在基质和植物根系表面的微生物的降解作用，因此微生物的数量及活性直接影响湿地对COD 的去除效果。夏季人工湿地基质中微生物的数量和活性达到最大,同时植物生长旺盛，泌氧能力强，因此COD 的平均去除率高于70%，最高去除率达82. 3%。冬季平均气温低于10℃，抑制了微生物的活性，同时也影响了植物的生长和对系统的供氧，因此COD 去除率显著下降。温度变化对COD 去除率的影响不如对NH4+-N 和TN 影响明显，这是因为去除有机物的好氧分解反应过程的温度系数低于硝化反应和反硝化反应过程的温度系数[3]。
试验期间，春季出水COD 浓度为32. 81~ 105.44 mg/L(平均浓度67. 25 mg/L)，其中40% 达到一级B 标准(出水COD 浓度≤60 mg/L)。夏季出水COD 浓度为15. 57~ 33. 78mg/L(平均浓度24. 25 mg/L)，均达到一级A 标准(出水COD浓度≤50 mg/L)。秋季出水COD 浓度为21. 23~ 70. 31 mg/L(平均浓度41. 74 mg/L) ,其中80%达到一级B 标准。冬季出水COD 浓度为49. 23 ~167. 91 mg/L(平均浓度94. 94 mg/L)，其中60%达到一级B标准。
2. 3 人工湿地对生活污水中TP 的去除效果
试验期间人工湿地进水TP 浓度在0. 97~ 5. 43 mg/L 之间波动，平均浓度为2. 87 mg/L。出水TP 浓度为0. 23~ 1. 72mg/L，平均浓度为0. 64 mg/L。TP 去除率为54. 9% ~90. 8%，平均去除率为76. 0%。季节的变化对T P 去除率的影响不明显，春季的平均去除率最高，为80. 7%; 随着运行时间的延长，湿地对T P 的去除率呈下降趋势，但夏季和秋季下降的趋势较平缓，平均去除率分别为79. 4%和73. 5%; 冬季的平均去除率为63. 5%。这主要是由人工湿地对磷的去除特性决定的。人工湿地对磷的去除主要是通过基质的吸附和化学沉淀作用，但是基质对磷的吸附达到饱和后，基质的吸附和化学沉淀作用甚微[4] 。本人工湿地从2006 年4 月开始运行，至2006年10 月时，TP的平均去除率已下降至32. 6%[5] 。因此，为强化人工湿地对TP 的去除，2007 年3 月在进水区和出水区放置了大量的石膏。运行数据显示，4 月份TP 的平均去除率高达81.2%，这是因为石膏能与溶解态磷反应产生不溶性的羟基磷酸钙[ 6]，可显著强化湿地对T P 的去除，提高TP 的去除率。而TP 的去除率随季节变化不明显，主要是因为石膏的吸附、沉淀作用属于物理化学过程，受温度影响较小; 植物吸收和微生物富集降解对温度的变化比较敏感，但由于植物吸收和微生物降解除磷仅占很小比例，故温度变化对TP 的去除影响不明显。而湿地经过较长时间的运行后，石膏对磷的吸附、沉淀能力降低，加之植物的枯枝落叶在湿地中腐烂并释放出部分磷，导致冬季TP 的平均去除率较秋季有所下降(降幅10%) 。试验期间，春季出水TP 浓度为0. 47~ 1. 03 mg/L(平均浓度0. 75 mg/L)，其中80%达到一级B 标准(出水TP 浓度≤1mg/L) 。夏季出水TP 浓度为0. 25 ~ 1. 06 mg/L (平均浓度0. 42 mg/L)，其中超过90%达到一级B 标准。秋季出水TP 浓度为0. 24~ 0. 96 mg/L(平均浓度0. 59 mg/L)，均达到一级B标准。冬季出水TP 浓度为0.91~ 1.72 mg/L(平均浓度1.24mg/L)，其中60%达到一级B 标准。
3结论
主要研究了煤渣基质水平潜流人工湿地对农村生活污水的处理效果，得出如下结论:
(1) 煤渣基质水平潜流人工湿地对农村生活污水有显著的净化效果。在水力负荷为0. 5 m3/(m2·d) 的条件下，人工湿地对生活污水中NH4+-N、TN、COD 和T P 的平均去除率分别为62.9%、59.1%、65.1%和76.0%。出水基本可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) 一级B 标准。因此，煤渣基质水平潜流人工湿地适合在农村地区推广应用。
(2) 人工湿地对污染物的去除效果受季节和温度的影响。NH4+-N、TN 和COD 的去除率受季节变化影响显著，去除率由高到低的顺序均为: 夏季> 秋季> 春季> 冬季; 而TP的去除率受季节变化影响不明显。以石膏作为人工湿地的添加剂可有效弥补因基质净化能力降低而导致TP 去除率下降的缺陷，强化人工湿地对T P 的去除效果。
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作者简介: 连小莹(1981-)，女，硕士，主要从事水污染控制与水处理技术研究。
