劉超翔，胡洪營(yíng)，張健，黃霞，施漢昌，錢(qián)易
(清華大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京　100084)

　　摘　要： 采用表面流和潛流式兩種人工復(fù)合生態(tài)床對(duì)滇池地區(qū)低濃度農(nóng)村污水進(jìn)行的處理試驗(yàn)結(jié)果表明，在高水力負(fù)荷(30 cm/d)條件下，潛流式床體對(duì)COD、TN、NH₄⁺-N和TP的去除率分別為70.6%、60.6%、80.9%和66.0%，表面流床體則分別為63.1%、61.2%、90.2%和60.2%；表面流床體中蘆葦、茭白等植物對(duì)氮、磷的吸收量要大于潛流式床體；潛流式床體依靠植物吸收去除的氮、磷量為1625kgN/(hm²·a)和148 kgP/(hm²·a)，表面流床體則為1999kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。
　　關(guān)鍵詞：人工復(fù)合生態(tài)床；面源污染；農(nóng)村污水；水生植物
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)11-0005-04

Comparison Between the Free Water and Subsurface Flow Type Constructed Wetlands for Rural Sewage Treatment
LIU Chao-xiang,HU Hong-ying,ZHANG Jian,HUANG Xia,?SHI Han-chang,QIAN Yi
(State Key Joint Lab of Environmental Simulation & Pollution Control,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

　　Abstract：In a pilot study,free water and subsurface flow type constructed wetlands were used for treatment of low strength rural sewage in the area of Dian-chi Lake.The test result showed that under high hydraulic loading rate (30cm/d),the removal rate of COD,TN,NH₄⁺-N and TP is respectively 70.6%,60.6%,80.9%,66.0% in the subsurface flow wetland and is 63.1%,61.2%,90.2%,and 60.2% in the free water wetland.It was also showed that the amount of nitrogen and phosphorus abs orbed by hydrophyte in free water artificial wetland is greater than that in sub surface flow type wetland;in the latter the amount of nitrogen and phosphorus absorbed is respectively 1625 kgN/(hm²·a)and 148kgP/(hm²·a) ,and in the former is 1999 kgN/(hm²·a) and 223kgP/(hm²·a) respectively.
　　Keywords: constructed wetland;non-point source pollution;rural sewage;hydrophyte

　　面源污染是造成滇池流域水體污染的主要原因之一，根據(jù)對(duì)某示范控制區(qū)的調(diào)查結(jié)果，暴雨徑流、臺(tái)地水土流失、村鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)業(yè)廢水是構(gòu)成面源污染的主要來(lái)源，而河道和溝渠則是污染物的最終入湖途徑，因此有效地控制村鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活所帶來(lái)的氮、磷等污染物量，對(duì)于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要的意義。
　　人工復(fù)合生態(tài)床污水處理技術(shù)被認(rèn)為是控制面源污染的一種費(fèi)用低廉、實(shí)用有效的方法^[1、2]，為此針對(duì)滇池地區(qū)農(nóng)村生活污水與流域村莊農(nóng)田排灌水混合后具有污染物濃度低但流量大的特點(diǎn)，采用高水力負(fù)荷下表面流和潛流式兩種生態(tài)床進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并分析比較了水生植物對(duì)氮、磷的去除作用。

1　試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)在滇池流域某一示范控制區(qū)進(jìn)行，共設(shè)3個(gè)單元床體，即對(duì)照床、潛流式床和表面流床。對(duì)照床為無(wú)植物床體，而在潛流式床和表面流床的前1/3段種植蘆葦(16株/m²)，后2/3段種植茭白(12株/m²)。每個(gè)床體寬為1m,長(zhǎng)為6m，床深為0.7m，坡度為1%。在對(duì)照床和潛流式床體的底部鋪設(shè)10cm厚的碎石(直徑為2～4cm)層，中部為40cm的爐渣層，上部為10cm的土壤，污水在床體內(nèi)部水平流動(dòng)。布水區(qū)和集水區(qū)分別填充直徑為2～5cm的卵石，寬度為40cm。在集水區(qū)底部安裝有多孔集水管并與外部一出水高度可調(diào)的豎管相聯(lián)接，水深保持在50cm左右。表面流床體內(nèi)部均勻填充一定配比的爐渣和土壤混合物，深度為40cm。床體表面維持20cm深的自由水面，其深度由出口溢流堰調(diào)節(jié)。
1.2　植物栽培
　　試驗(yàn)選用滇池流域常見(jiàn)的水生植物蘆葦和茭白。2001年2月底在滇池附近的沼澤地選擇壯實(shí)的植物芽尖，取20cm×20cm×40cm(長(zhǎng)×寬×高)的帶土芽尖移植到各單元床體。栽完后立即充水，保持根部浸泡在水中，半個(gè)月后開(kāi)始進(jìn)污水^[3]。
1.3　試驗(yàn)條件
　　試驗(yàn)系統(tǒng)自2001年2月底開(kāi)始建設(shè)，3月底開(kāi)始運(yùn)行，共運(yùn)行5個(gè)月。原水來(lái)自該示范控制區(qū)的某溝渠下游(該溝渠經(jīng)過(guò)農(nóng)田和村鎮(zhèn)，最后進(jìn)入滇池)，以生活污水為主，混有一部分農(nóng)田排灌水和雨水。試驗(yàn)期間原水水質(zhì)見(jiàn)表1，運(yùn)行條件如表2所示。主要分析項(xiàng)目有COD、TN、NH₄⁺-N和TP等，分析頻次為每周1～2次，采用國(guó)家環(huán)保局推薦的方法。

表1　原水水質(zhì) COD(mg/L) TN(mg/L) NH₄⁺-N(mg/L) TP(mg/L) DO(mg/L) pH 50～80 2～8 2～4 0.5～1.0 0.5～1.0 7.0～8.0

表2　運(yùn)行條件 水力負(fù)荷(cm/d) COD負(fù)荷[g/(m³·d)] 總氮負(fù)荷[gN/(m³·d)] 總磷負(fù)荷[gP/(m³·d)] 30 21.6 1.97 0.21

2　結(jié)果與討論

2.1　生態(tài)床對(duì)污染物的去除效果
　　三種生態(tài)床對(duì)污染物的去除效果見(jiàn)表3。

表3　三種生態(tài)床對(duì)污染物的去除效果(2001年3月—2001年7月) 項(xiàng)目 COD TN NH₄⁺-N TP 進(jìn)水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進(jìn)水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進(jìn)水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進(jìn)水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 對(duì)照床 61～72 23～30 55.6～62.6 4.9～7.8 3.0～4.8 38.5～6 0.0 1.9～2.8 0.4～1.1 62.7～82.8 0.58～0.97 0.24～0.32 54.0～58.7 潛流式 61～72 15～23 67.1～75.4 4.9～7.8 1.8～3.2 57.0 ～64.0 1.9～2.8 0.3～0.8 72.5～86.4 0.58～0.97 0.19～0.28 62.2～67.2 表面流 61～72 20～31 57～69.0 4.9～7.8 1.6～3.2 5 9.4～ 65.3 1.9～2.8 0.1～0.4 80.1～95.2 0.58～0.97 0.20～0.29 59.7～64.2

　　從表3可以看出，有植物的床體對(duì)污染物的去除效果優(yōu)于無(wú)植物床體。植物能夠提高處理效果的主要原因可歸納為：一是植物的生長(zhǎng)改變了生態(tài)床的流態(tài)，如生長(zhǎng)的植物根系和植物莖桿對(duì)水流的阻礙作用(表面流床體)有利于均勻布水，延長(zhǎng)了系統(tǒng)實(shí)際的水力停留時(shí)間；二是植物的根系和殘枝敗葉為水中微生物的生長(zhǎng)提供了棲息場(chǎng)所^[4]，根系會(huì)創(chuàng)造有利于各種微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境，植物根莖的延伸會(huì)在植物根系附近形成有利硝化作用的好氧微區(qū)，同時(shí)在遠(yuǎn)離根系的厭氧區(qū)里含有大量可利用的碳源，這又提供了反硝化條件^[5]；三是植物生長(zhǎng)對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)物尤其是硝酸鹽氮具有吸收作用。
2.2　不同流態(tài)床體的除污效果比較
　　在潛流式床體中，由于污水在填料內(nèi)部滲流，因此可充分利用填料表面及植物根系上的微生物及其他各種作用來(lái)處理污水^[6]；而在表面流床體中污染物主要是在自由水面進(jìn)行分解的，植物的水下莖桿和殘枝敗葉可能起最主要的作用，它們?yōu)樗形⑸锏纳L(zhǎng)提供了棲息場(chǎng)所。
　　從表3可以看出，潛流式床體對(duì)COD的去除率要高于表面流床體，另外潛流式床體的出水很清澈，而表面流床體出水中可見(jiàn)到明顯的懸浮物。這是因?yàn)樵跐摿魇缴鷳B(tài)床系統(tǒng)中可沉降的那部分有機(jī)物可由沉積和過(guò)濾作用快速去除，而溶解的那部分有機(jī)物的去除主要是依靠填料和根系表面附著生長(zhǎng)微生物的作用；在表面流生態(tài)床系統(tǒng)中有機(jī)物的去除主要依靠水面近乎靜止沉淀的條件和表面莖桿附著的微生物的作用。由于前者具有良好的過(guò)濾作用，且微生物反應(yīng)區(qū)面積較大，故對(duì)有機(jī)物的去除效果要明顯高于后者。
　　表面流床體對(duì)TN的去除效果與潛流式床體相近，但對(duì)NH₄⁺-N的去除效率明顯好于潛流式床體。生態(tài)床系統(tǒng)的除氮機(jī)理主要包括水生植物的吸收和微生物的硝化/反硝化。試驗(yàn)中表面流床體中所種植的水生植物長(zhǎng)勢(shì)要明顯好于潛流式床體，特別是茭白，其枝葉粗大繁密，在4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)由0.4m長(zhǎng)高到3.0m(潛流式床體中茭白的高度為2.5m)，其生長(zhǎng)量大于潛流式床體中的植物(見(jiàn)表4)，這與茭白嗜水的習(xí)性有著密切的關(guān)系。水生植物的茁壯生長(zhǎng)會(huì)使根系有更強(qiáng)的輸氧作用，對(duì)硝化反應(yīng)有促進(jìn)作用。另外，表面流床體的水面長(zhǎng)有一層浮萍，長(zhǎng)勢(shì)非常迅速，其對(duì)NH4+-N的去除也起到了一定的作用。許多濕地植物可直接利用氨氮作為氮源，從而在生長(zhǎng)過(guò)程中能去除大量氮素，盡管表面流系統(tǒng)中污水與微生物接觸的面積要小于潛流式，但依靠水生植物的直接作用(見(jiàn)表5)仍可使其對(duì)氨氮的去除好于潛流式床體。

表4　各床體植物的收割量(濕重)kg 床體 蘆葦 茭白 浮萍 潛流式 7.9 16.7 　 表面流式 7 22.1 3.6

表5　3種水生植物的氮、磷含量和含水率　　% 項(xiàng)目 蘆葦 茭白 浮萍 氮 2.90 2.34 4.45 磷 0.30 0.25 1.26 含水率 61.25 53.81 92.3 注：氮、磷含量均按干物質(zhì)含量計(jì)算求得。

　　生態(tài)床系統(tǒng)中磷的去除主要靠形成不溶性的鈣、鐵、鋁等化合物的沉淀和介質(zhì)的吸附，此外磷也是生態(tài)床植物必需的養(yǎng)分。表面流系統(tǒng)由于與污水接觸有限，故除磷效果較差。
　　從以上分析可知，潛流式床體為較適宜的床體型式，其對(duì)各污染物的綜合去除效果較好，但表面流床體對(duì)氨氮的去除效果很好。若表面流床體與潛流式床體進(jìn)行工藝組合，則可進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)污染物的綜合去除效果。
2.3　植物在氮、磷去除中的作用
　　生活污水中的氮通常以有機(jī)氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在。在土壤—植物系統(tǒng)中有機(jī)氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，由于土壤顆粒帶有負(fù)電荷，銨離子很容易被吸附，土壤微生物通過(guò)硝化作用將銨離子轉(zhuǎn)化為NO₃-，土壤又可恢復(fù)對(duì)銨離子的吸附功能。土壤對(duì)帶負(fù)電荷的NO3-沒(méi)有吸附截留能力，NO₃-可以被植物根系吸收而成為植物營(yíng)養(yǎng)成分或通過(guò)反硝化過(guò)程最終轉(zhuǎn)化為N₂或者N₂O而揮發(fā)掉。由于本次試驗(yàn)進(jìn)、出水的pH值均在中性左右，因此氨態(tài)氮的揮發(fā)是可以忽略的。同樣，植物的生長(zhǎng)也需要吸收磷作為營(yíng)養(yǎng)源。
　　在試驗(yàn)進(jìn)行的第120天，對(duì)系統(tǒng)中植物的一些指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定(見(jiàn)表4、5)。由表4、5可以計(jì) 算出運(yùn)行期間通過(guò)植物吸收所去除的總氮量(Nplant)和總磷量(Pplant)。由進(jìn)、出水總氮和總磷濃度和進(jìn)、出水流量可以得到120d內(nèi)投配的總氮總量(Nin)和排放總量(Nout)、總磷的投配總量(Pin)和排放總量(Pout)。通過(guò)下式可得到系統(tǒng)運(yùn)行期間通過(guò)生物脫氮而去除的氮量(Nb)以及通過(guò)沉淀和介質(zhì)吸附去除的磷量(Pa)，計(jì)算結(jié)果如圖1、2所示。

　　　　　　?Nb＝Nin-N_plant-Nout　　　(1)
?　　　　　　Pa＝Pin-Pplant-Pout?　　(2)
　　由植物氮、磷含量和生長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果可知，潛流式床體依靠植物吸收去除的氮、磷量為1625kgN/(hm²·a)和148kgP/(hm²·a)，表面流床體則為1999 kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。鑒于水生植物對(duì)污水中的氮、磷具有一定的吸收能力，故定期收割生態(tài)床系統(tǒng)中的植物也能促進(jìn)系統(tǒng)對(duì)氮、磷的去除。

　　

3　結(jié)論

　?、僭诟咚ω?fù)荷(30cm/d)的條件下，兩種生態(tài)床系統(tǒng)的出水水質(zhì)較好，滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。對(duì)COD、TN、NH₄⁺-N和TP的平均去除率，潛流式床體分別為70.6%、60.6%、80.9%和66.0%，表面流床體則分別為63.1%、61.2%、90.2%和60.2%。
　　②表面流床體中植物對(duì)氮、磷的吸收量要大于潛流式床體。潛流式床體依靠植物吸收帶走的氮、磷量為1625kgN/(hm²·a)和148 kgP/(hm²·a)，表面流床體則為1999kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。

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　　作者簡(jiǎn)介：劉超翔(1974-)，男，湖北鄂洲人，清華大學(xué)在讀博士研究生，研究方向?yàn)樗廴究刂啤?
　　電　　話：(010)62778943(O)
　　E-mail:liucx99g@mails.tsinghua.edu.cn
　　收稿日期：2002-07-24