利用人工濕地處理重污染河水中試試驗(yàn)研究

王 雪 阮曉紅
（ 河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇省南京市 210098 ）

　　摘 要：本文對(duì)人工濕地處理重污染河水進(jìn)行了中試規(guī)模試驗(yàn)研究，蘇省新沂河作為中試試驗(yàn)場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于重污染的河水，人工濕地對(duì)有機(jī)污染物、NH₄⁺-N及色度均有較好的處理能力，處理效果穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷的能力。特別對(duì)于NH₄⁺-N，去除率近90%。有機(jī)凈化負(fù)荷及NH₄⁺-N凈化負(fù)荷均隨著負(fù)荷的增加而增加，表明系統(tǒng)仍有較大的剩余凈化容量可供利用。
　　關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理；重污染河水

1 引言

　　人工濕地（Constructed Wetland, CW）污水處理技術(shù)是70年代末發(fā)展起來(lái)的一種污水處理新技術(shù)^[1]，它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物之間的三重協(xié)同作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈選擇江化^[2]。它具有處理效果好（其對(duì)BOD₅的去除率可達(dá)85%～95%，COD的去除率可達(dá)80%以上，處理出水的BOD₅可小于10mg/L、SS可小于20mg/L、對(duì)TN和TP的去除率分別可達(dá)60%和90%^[3]）、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、工程基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低（其基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用分別為傳統(tǒng)二級(jí)活性污泥法處理工藝的1/10至1/2）以及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)等主要特點(diǎn)，比較適合技術(shù)管理水平不高、規(guī)模較小的城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村的污水處理^[4]。
　　新沂河西起駱馬湖蟑山閘，向東流經(jīng)宿遷、沭陽(yáng)、新沂、灌云、灌南等市（縣），最后流入黃海，全長(zhǎng)144km，河床寬約2500至2800m左右。是江蘇省典型的束水行洪河道，在非行洪期，新沂河中僅南北中三個(gè)寬不足百米的泓道維持一定的水量。90年代以來(lái)，來(lái)自江蘇新沂市和山東部分地區(qū)的工業(yè)廢水及城市生活污水沿沭河下泄進(jìn)入新沂河，造成淮沭河-沭新河-薔薇河、叮當(dāng)河、鹽河這3條供水河流嚴(yán)重污染，使連云港市成為時(shí)段性水質(zhì)型缺水城市。為解決連云港市供水問(wèn)題，江蘇省政府采用了清污分流方案，新沂河沿線(xiàn)水利工程設(shè)施見(jiàn)圖1。方案應(yīng)急性地解決了供水區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)問(wèn)題，但工程實(shí)施運(yùn)行后，上游污水集中歸入污水專(zhuān)道內(nèi)下泄，沿程沒(méi)有采取任何處理措施，排污專(zhuān)道內(nèi)高濃度的污水對(duì)沿程生態(tài)環(huán)境，特別是入?？诮Ｉ鷳B(tài)環(huán)境的影響顯著，近年曾發(fā)生大面積紫菜和魚(yú)類(lèi)死亡事件，給當(dāng)?shù)氐木用窈宛B(yǎng)殖戶(hù)造成重大損失。新沂河地處江蘇省北部，屬經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，同時(shí)新沂河沿線(xiàn)有大片灘地，按照行洪要求，新沂河灘地每年限種一季（冬小麥）外，其余季節(jié)不允許耕作，并且新沂河下游也有大片閑置荒地可供開(kāi)發(fā)使用。因此，適宜采用占地面積大，但投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、管理水平要求低的人工濕地污水生態(tài)處理工藝處理新沂河污水^[5]。
　　不少學(xué)者已對(duì)人工濕地處理生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行了大量研究，但將人工濕地用于被污染的河水處理仍研究的較少，本研究依托江蘇省環(huán)境保護(hù)廳“新沂河污染河水處理及控制方案研究”重大課題及江蘇省環(huán)境保護(hù)廳及水利廳聯(lián)合資助的“新沂河生態(tài)治理示范工程”，重點(diǎn)研究了人工濕地對(duì)重污染的新沂河水COD_Mn、NH₄⁺-N及色度的去除，研究不同參數(shù)對(duì)處理效果的影響，為新沂河污水處理的總體方案及江蘇省類(lèi)似被重污染的河水治理提供必要的參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)。

圖1 新沂河沿線(xiàn)水利工程設(shè)施示意圖

2 中試試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 中試試驗(yàn)系統(tǒng)
　　 (1) 平面布置
　　推流式人工濕地及復(fù)合流式人工濕地的平面布置見(jiàn)圖2。推流式人工濕地處理面積為450m²，共分為3級(jí)，每級(jí)長(zhǎng)15 m，寬10m，總長(zhǎng)45m，長(zhǎng)寬比為3:1。為防止短流的發(fā)生和保證配水的均勻性，各級(jí)濕地間用0.5m寬由40～80mm粗礫石組成的重布水帶分隔。同時(shí)，在床體底部設(shè)置了1%的底坡，以保證污水在濕地床內(nèi)流動(dòng)的順暢。復(fù)合流式人工濕地處理面積為300m²，系統(tǒng)共分為兩級(jí)——下行池和上行池，兩池的交界處上部用磚墻隔開(kāi)，污水通過(guò)隔水墻下部的礫石縫隙，可以從下行池流入上行池。上行池和下行池的凈尺寸均為15m×10m。濕地床底坡度1%。

圖2 推流和復(fù)合流人工濕地中試工程平面布置圖

　　(2) 剖面布置與基質(zhì)
　　推流式人工濕地剖面如圖3所示，推流人工濕地填料層的總厚度為75cm，其中表層為20cm厚的0～4mm粗砂，下層填料三級(jí)濕地床所選用的各不相同，第一級(jí)為30～50mm大礫石，第二級(jí)為10～30mm粗礫石，第三級(jí)為5～10mm礫石，厚度均為55cm。

圖3 推流式人工濕地剖面圖

　　復(fù)合流人工濕地剖面如圖4所示，復(fù)合流人工濕地床選用的填料主要為0～4mm粗砂，下行池和上行池的粗砂厚度分別為45cm和35cm。為了保證下行池的出水和上行池底部配水的均勻性，在濕地床的底部鋪設(shè)20cm厚的40～80mm的粗礫石。而為了實(shí)現(xiàn)粗砂和粗礫石的過(guò)渡，在粗砂和粗礫石的中間鋪設(shè)了20cm厚的10～30mm大礫石。

圖4 復(fù)合流人工濕地剖面圖

2.2 中試試驗(yàn)工藝流程
　　由于新沂河屬平原河流，自然條件下的流速已較小。位于試驗(yàn)基地上游大約700m處有一大型水利樞紐工程——沭陽(yáng)地涵，在其控制下其上游形成了一個(gè)很大的河道穩(wěn)定塘，大量的懸浮物在這里已得到大量的去除。因此本流程省去了人工濕地一般都必須設(shè)置的預(yù)沉淀處理設(shè)施。
　　人工濕地的中試試驗(yàn)的工藝流程如圖5所示，污水用潛污泵從新沂河岸邊的水塘抽至配水池，由配水池向各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行配水。污水經(jīng)人工濕地處理并匯集到出水池后，自流回到新沂河。

圖5 人工濕地中試實(shí)驗(yàn)工程工藝

2.3 中試試驗(yàn)運(yùn)行條件
　　中試工程的位置位于江蘇沭陽(yáng)沂河大橋北側(cè)、沭陽(yáng)排污地涵南側(cè)。試驗(yàn)期間，除了對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)出水流量進(jìn)行適當(dāng)控制外，整個(gè)系統(tǒng)完全在自然條件下運(yùn)行。兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷如表1所示。

表1 人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷表

濕地類(lèi)型 水力負(fù)荷m³/(m²·d)

COD_Mn負(fù)荷g/(m²·d)

NH₄^＋-N負(fù)荷g/(m²·d) 推流式人工濕地 0.06～0.16 0.65～18.24 0.08～3.84 復(fù)合流人工濕地 0.09～0.23 0.98～25.41 0.13～5.77

2.4 試驗(yàn)水質(zhì)
　　試驗(yàn)采用的污水均是新沂河北泓沭陽(yáng)地涵下游的污染河水，該河水主要受上游的新沂造紙廠(chǎng)、化肥廠(chǎng)、農(nóng)藥廠(chǎng)、酒廠(chǎng)和電化廠(chǎng)等企業(yè)排放的工業(yè)廢水及新沂市生活污水的污染。受王莊閘和沭陽(yáng)地涵的開(kāi)關(guān)閘影響，該污水的水量水質(zhì)變化都很大，試驗(yàn)期間的污染河水濃度變化范圍如表2所示。

表2 中試試驗(yàn)進(jìn)水濃度表（mg/L）

pH 溫度(℃) 色度(度) COD_Mn NH₄^＋-N 6.4～8.2 4.0～27.0 100～500 7.35～117.28 1.30～24.71

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 COD_Mn的去除效果

　　試驗(yàn)過(guò)程中，推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕地進(jìn)出、水水質(zhì)COD_Mn濃度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

　　

圖6 人工濕地進(jìn)、出水COD_Mn濃度對(duì)比分析圖

　　由圖6可知，人工濕地對(duì)COD_Mn仍然有較好的去除效果，在進(jìn)水濃度為7.35～117.28mg/L時(shí)，從出水的水質(zhì)上看，推流式人工濕地的出水濃度1.86～61.06mg/L，平均出水濃度為17.07mg/L，復(fù)合流人工濕地的出水比推流式人工濕地更穩(wěn)定而且濃度更低，出水濃度在3.44～32.44mg/L之間，平均出水濃度為10.82mg/L，這說(shuō)明人工濕地對(duì)被污染的河水具有良好的抗沖擊能力。推流式人工濕地的去除率為2.58～91.58％，平均為53.13％；復(fù)合流人工濕地的去除率為9.48～90.59％，平均為68.21％。
　　 3.2 有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD_Mn凈化負(fù)荷的影響

圖7 推流式人工濕地有機(jī)負(fù)荷對(duì)凈化負(fù)荷的影響 圖8復(fù)合流式人工濕地有機(jī)負(fù)荷對(duì)凈化負(fù)荷的影響

　　在水力負(fù)荷為0.06m³/m².d的條件下，有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD_Mn凈化負(fù)荷的影響見(jiàn)圖7、圖8。其它水力負(fù)荷條件下有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD_Mn凈化負(fù)荷的影響與圖7圖8類(lèi)似。
　　從圖7、圖8可知，COD_Mn凈化負(fù)荷隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而增加，呈線(xiàn)性關(guān)系，這說(shuō)明在一定的水力負(fù)荷條件下，COD_Mn的凈化負(fù)荷符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。
3.3 NH₄^＋-N的去除效果
　　試驗(yàn)過(guò)程中，推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕地進(jìn)出、水水質(zhì)NH₄⁺-N濃度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

圖9 人工濕地進(jìn)出水NH₄⁺-N濃度對(duì)比分析圖

　　由圖9可知，人工濕地對(duì)NH₄⁺-N的去除效果非常高，在進(jìn)水濃度為1.30～24.71mg/L時(shí)，推流式人工濕地的出水濃度0.05～2.46mg/L，平均出水濃度為0.78mg/L，推流式人工濕地的去除率為71.35～96.52％，平均為88.97％，去除率大于80%的比例高達(dá)95%。復(fù)合流人工濕地的出水濃度在0.10～2.16mg/L之間，平均出水濃度為0.68mg/L，去除率為69.69～97.95％，平均為89.63％，去除率大于80%的比例高達(dá)92%。這說(shuō)明人工濕地對(duì)NH₄⁺-N有很強(qiáng)的去除能力和耐沖擊能力。
3.4 NH₄^＋-N負(fù)荷對(duì)NH₄^＋-N凈化負(fù)荷的影響
　　在水力負(fù)荷為0.06m³/m².d的條件下，NH₄⁺-N負(fù)荷對(duì)NH₄⁺-N凈化負(fù)荷的影響見(jiàn)圖10、圖11。其它水力負(fù)荷條件下NH₄⁺-N負(fù)荷對(duì)NH₄⁺-N凈化負(fù)荷的影響與圖10圖11類(lèi)似。

圖10推流式人工濕地NH₄⁺-N負(fù)荷對(duì)凈化負(fù)荷的影響 圖11復(fù)合流式人工濕地NH₄⁺-N負(fù)荷對(duì)凈化負(fù)荷的影響

　　從圖10、圖11可以看出，NH₄⁺-N凈化負(fù)荷隨著NH₄⁺-N負(fù)荷的增加而增加，與有機(jī)負(fù)荷的影響類(lèi)似，也呈線(xiàn)性關(guān)系。
3.5 色度的去除效果
　　試驗(yàn)過(guò)程中，推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕地進(jìn)出、水色度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。

圖12 人工濕地進(jìn)出水色度值對(duì)比分析圖

　　由圖12可知，人工濕地對(duì)色度的去除也能取得很好的效果，在進(jìn)水色度為100～500度時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的去除率均在60％以上。其中推流濕地對(duì)色度的去除率為25.00～92.22％，平均為67.90％；復(fù)合流濕地的去除率為30.00～96.67％，平均為83.45％。

4 小結(jié)

　　通過(guò)以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于重污染的河水，人工濕地對(duì)有機(jī)污染物、NH₄⁺-N及色度均有較好的處理能力，處理效果穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷的能力。特別對(duì)于NH₄⁺-N，去除率近90%。
　　有機(jī)凈化負(fù)荷及NH₄⁺-N凈化負(fù)荷均隨著負(fù)荷的增加而增加，呈線(xiàn)性關(guān)系，從直線(xiàn)的上升趨勢(shì)可以預(yù)見(jiàn)，系統(tǒng)還有較大的剩余凈化容量可以利用。

參考文獻(xiàn)
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4） 張毅敏，張永春. 利用人工濕地治理太湖流域小城鎮(zhèn)生活污水可行性研討，農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1998，17(5)：232～234
5） 阮曉紅等，新沂河污染河水處理及控制方案研究開(kāi)題報(bào)告及中試工程設(shè)計(jì)，2002.5

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　　作者簡(jiǎn)介：王雪，男，1970年9月生，2000年畢業(yè)于南京理工大學(xué)獲得應(yīng)用化學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后在河海大學(xué)環(huán)境工程系工作，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)劃、水處理等方面的教學(xué)科研工作。
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