多级串联表面流人工湿地净化生活污水效果

万玉文，郭长强，茆　智，李新建，崔远来，赵树君（.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 40072； 2.广西水利电力职业技术学院，南宁 5002；.广西壮族自治区灌溉试验中心站，桂林 5499）



多级串联表面流人工湿地净化生活污水效果

万玉文1,2，郭长强1※，茆智1，李新建3，崔远来1，赵树君1
（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072； 2.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023；3.广西壮族自治区灌溉试验中心站，桂林 541199）

摘要：农村生活污水已经成为农业面源污染的主要来源之一。为了研究如何在经济发展水平不高的农村建立能有效治理农村生活污水，且建设成本低、运行维护简单的人工湿地系统，该文通过在桂林市青狮潭灌区构建了多级串联的表面流人工湿地系统，研究分析了不同子系统的水质净化效果及相关检测指标浓度的沿程变化规律。研究结果表明，湿地系统对氮磷的去除效率总体呈现出随时间推移逐渐下降的趋势，同时湿地的表面积越大，其对氮磷的去除率越高。研究还发现，该湿地系统对高浓度进水具有快速、稳定的去除效果，而对低浓度进水的营养盐去除则表现得较为平缓和持久。通过对湿地系统沿程氮磷浓度衰减的拟合及回归分析，建立了与湿地系统进口浓度有关的TN、NH4+-N和TP浓度的沿程衰减模型，相关分析表明其最佳的拟合模型均为指数衰减模型。该湿地系统在整个试验时期内均表现出了良好的净化效果，有效地减轻了农村生活污水对外界水环境的破坏，指数衰减模型的建立也为后续湿地设计及排水水质预测提供了理论分析依据。

关键词：污水；污染；N；P；水质净化；表面流湿地；多级串联；沿程衰减模型

万玉文，郭长强，茆智，李新建，崔远来，赵树君. 多级串联表面流人工湿地净化生活污水效果[J]. 农业工程学报，2016，32（3）：220－227.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.032http://www.tcsae.org

Wan Yuwen, Guo Changqiang, Mao Zhi, Li Xinjian, Cui Yuanlai, Zhao Shujun. Sewage purification effect of multi-series surface flow constructed wetland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 220－227. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.032 http://www.tcsae.org

0　引　言

农村生活污水已经成为农业面源污染的主要来源之一，其年排放总量已经连续多年超过工业污水的排放[1]，治理农村生活污水的排放，减轻其对外界水环境的污染破坏作用显得十分重要。同时，农村地区经济不发达，污染源点多面广，治理难度大。为解决这些问题，该文着重研究如何在水利灌区当中建立能有效治理农村生活污水，且建设成本低、运行维护简单的人工湿地系统，并分析其减污效果。

人工湿地因其良好的生态净化功能及物理、化学和生物的综合效应，正在被广泛用于农业排水、工业废水和市政污水的处理。一般意义而言，人工湿地可以分为表面流人工湿地、潜流人工湿地以及由两者组成的复合流人工湿地[2-3]。

表面流人工湿地建造运行成本低、占地面积大、处理效果受季节影响明显，主要用于防治农业面源污染、防止天然水体富营养化等农业排水处理领域[4-9]。潜流人工湿地利用其良好的基质构造，对来水中的无机态氮磷和各有机物具有较好的处理效果，但其建造运行成本高，主要用于处理工业废水和城市污水处理厂的二级排水[10-12]。此外，人工湿地还可以与城市景观设计相结合，对城市河流水质、天然降雨进行净化[13-18]。

表面流人工湿地对营养盐的去除效果不如潜流湿地显著，这主要与其构造有关[19-20]。因此，在目前的研究中关注较多的是对多级串联的表面流人工湿地系统开展研究[21]，在该系统中还可能串联或并联一些潜流或复合流湿地以加强对营养盐的去除效果[22]。本次研究区域位于经济并不发达的农村，潜流湿地因其较高的维护成本而没有列入本次研究计划中。同时，人工湿地的几何构造对其水力性能和净化效果的发挥也有十分重要的影响[23]，因此在一定的设计面积基础上，合理规划布局湿地系统，增强各子湿地的水力性能和净化效果同样显得十分重要。

本次研究的串联湿地系统呈现S型分布，以充分利用土地资源；每个子湿地床都具有较大的长宽比，以提高湿地系统的水力性能与净化效果。通过对营养盐在湿地系统中沿程变化的长期观测，并构建相关的浓度沿程衰减模型，以分析在一定的水力负荷条件下，湿地系统对不同进水浓度污水的净化效果及沿程变化情况，以实现串联湿地系统最优的级数配置，并根据进口浓度成功预测后续沿程的浓度变化。

1　材料与方法

1.1湿地概况

本研究试验地点位于广西桂林市临桂县临桂镇回龙村，研究区域属亚热带季风气候，多年平均气温19.5℃，降雨量1 700 mm，蒸发量839 mm，相对湿度78%，无霜期约300 d。降雨量年内分布不均，春季多雨，4－6月的降雨量占全年的70%左右，夏秋少雨，秋旱突出。

湿地系统由3级过滤池和8级表面流人工湿地串联组成，用于处理回龙村村民的日常生活污水，湿地布置呈S型分布。由于农村生活污水日均排放的不稳定性，在系统前部设置了一个调节池，以调蓄进出流量，保证进入系统的流量稳定。其中，由3级渗滤槽组成的快速渗滤系统的水力负荷设计为1.5 m3/(m2·d)，湿地生物塘的平均水力负荷为0.08 m3/(m2·d)。各级表面流湿地中种植的水生植物如表1所示，其布置示意图如图1所示。

表1　湿地系统各级湿地床种植的水生植物Table 1　Hydrophytes planted in various subsystem beds of constructed wetland system

图1　多级串联表面流人工湿地系统布置图Fig.1　Schematic diagram of multi-series system of surface flow constructed wetland

1.2水样采集及分析

2014年4月至9月对湿地系统中各过滤池和湿地床的进出口以及整个湿地系统的出口共13个取样点进行不定期的取样分析，共取样10次。检测指标包括总氮（total nitrogen，TN）、铵态氮（ammonia nitrogen，NH4+-N）和总磷（total phosphorus，TP）。其中TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894-1989）测定，NH4+-N用纳氏试剂比色法（GB7479-1987）测定，TP用钼酸氨分光光度法（GB11893-1989）测定。

1.3数据分析方法

在各指标所测得的10组数据中，从中选择6组数据利用Origin 9.0软件对其进行曲线拟合，曲线拟合类型包括指数拟合、线性拟合和二次多项式拟合。各拟合曲线的通用公式如下：

指数拟合曲线

线性拟合曲线

二次多项式拟合曲线

根据6组数据的进口水质浓度值Ci和对应拟合曲线的系数，利用SPSS19.0软件对其进行一元回归分析，得到各拟合曲线系数与进口浓度值之间的关系[22]。

根据回归分析的结果，得到对应的不同拟合曲线方程。将得到的拟合曲线方程，分别应用到剩余的4组数据中，通过相关分析和均方根误差RMSE及相对均方根误差RRMSE等评价指标对其进行检验，以得到不同检测指标最佳的拟合曲线类型。

均方根误差RMSE（root-mean-square error）

相对均方根误差RMSE（relative root-mean-square error）

式中Cei为检测指标浓度的模拟值或预测值，mg/L；Cai为浓度的实测值，mg/L；为浓度实测值的平均值，mg/L；n为某一检测指标1次测定的样品个数。

2　结果与分析

在2014年的4月28日至9月18日，对该农村生活污水湿地净化系统进行了连续的观测。在近5个月的时间里，人工湿地系统对TN、NH4+-N和TP表现出了非常显著的去除效果。

2.1去除率分析

检测时段内湿地系统各级子湿地的营养盐浓度的平均去除率如表2所示，整个湿地系统在不同检测时间的浓度的平均去除率如图2所示。

表2　湿地系统各级组成部分在检测时段内营养盐的平均去除率Table 2　Average removal rate of nutrients in various components on test period　　　　　　　　　　　 %

图2　湿地系统中营养盐在不同日期的平均去除率Fig.2　Average removal rate of total wetland system on different dates

由图2可见，在整个试验检测时段内，检测时间点最近一周内的平均气温变化幅度较为平稳。整个湿地系统对TN和-N的净化效率始终处于较高水平，但是也呈现出前期净化效率高，后期效率下降的趋势。湿地系统对TP的净化效率在前期较高，后期则出现较大幅度的下降，去除效率明显下降。试验期内，总体湿地系统对TN、-N和TP的平均去除率分别为76.3%、70.8% 和60.5%，净化效果显著，与陈进军等[16,24]的研究结果接近。同时TN浓度和去除率的变化过程同-N较为一致，说明了农村生活污水中TN的去除主要受-N去除水平的制约[19]。

同时，对各级湿地污染物去除率随时间变化的分析发现，各级湿地的污染物去除率值也均呈现出了随着时间推移逐渐减小的趋势。总体而言，该湿地系统对TN和NH4+-N始终具有较理想的去除效果，即使其后期的去除率有所下降。该表面流湿地系统在达到稳定运行后，其对TP浓度的去除率仅为20%左右，效果并不理想。

2.2模型分析

2.2.1TN浓度衰减模型

1）模型拟合

根据水质检测数据，绘制TN浓度沿湿地系统的变化曲线，如图3所示。

图3　多级表面流湿地系统中TN浓度沿程变化Fig.3　Concentration variation of TN along wetland system

根据TN浓度实测数据分布特征，分别选择高进水浓度的4月28日、5月4号、5月21日、5月26号和低进水浓度的8月30日和9月18日共6组数据进行模型拟合。得到的3种曲线拟合结果，如表3所示。

数据拟合得到的相关系数R普遍较高，同时相关性均已经达到了极显著的水平（P＜0.001），显示各曲线方程对数据组的拟合效果很好。根据表3中进口浓度和各拟合曲线的系数，通过一元线性回归分析得到与进口浓度有关的不同拟合模型系数的回归方程。

表3　TN浓度曲线拟合Table 3　Curve fitting of TN concentration

2）回归分析

对于指数衰减模型，模型系数a和b的一元线性回归分析结果为

得到TN浓度沿程衰减的指数模型

对于线性衰减模型，模型系数a和b的一元线性回归分析结果为

得到TN浓度沿程衰减的线性模型

对于二次多项式衰减模型，模型系数a、b和c的一元线性回归分析结果为

得到TN浓度沿程衰减的二次多项式模型

式中x表示沿程湿地序列数；Ci表示总湿地系统的进口浓度，mg/L；C表示对应湿地序列的出口浓度，mg/L。

3）相关检验

分别利用得到的指数模型、线性模型和二次多项式模型对剩余的4组实测数据，分别为6月30日、7月7日、7月31日和8月15日，进行相关性检验和指标评价，以确定模型的合理性并遴选出最佳拟合公式。限于篇幅原因，图4中暂且列出6月30日和7月31日的拟合结果，具体数值见表4。

图4　回归模型与实测数据的验证Fig.4　Verification of regression model with measured data

表4　TN拟合曲线相关分析及评价指标Table 4　Correlation analysis and model evaluation of TN fitting model

从相关分析的结果可知，各拟合曲线模型的模拟值与实测值之间均具有极显著的相关性（P＜0.001），显示这3种模型在该湿地系统中均具有很好的模拟效果。

通过表4中评价指标的比较可以发现，对于TN浓度沿程衰减而言，指数模型较线性模型和二次多项式模型的相对均方根误差更小，具有较好的拟合效果。因此，在该多级串联表面流人工湿地TN浓度沿程衰减的模型构建中，应优先选择指数模型。

图5　多级表面流湿地系统中-N浓度沿程变化Fig.5　Concentration variation of-N along wetland system

线性衰减模型方程为

二项式衰减模型方程为

表5　-N浓度模型拟合的评价指标Table 5　Model estimation of-N concentration

表5　-N浓度模型拟合的评价指标Table 5　Model estimation of-N concentration

拟合方式F i t t i n g m o d e l 　0 6 -3 0 0 7 -0 7 0 7 -3 1 0 8 -1 5 0 6 -3 0 0 7 -0 7 0 7 -3 1 0 8 -1 5均方根误差R o o t -m e a n -s q u a r e e r r o r R M S E / ( m g · L-1)相对均方根误差R e l a t i v e r o o t -m e a n -s q u a r e e r r o r R R M S E指数E x p o n e n t i a l 　0 . 9 0 　 0 . 6 5 　 2 . 2 9 　2 . 3 0 　0 . 2 2 　0 . 1 7 　 0 . 3 3 　 0 . 3 3线性L i n e a t i o n 　0 . 7 7 　 0 . 8 8 　 2 . 4 9 　2 . 5 0 　0 . 1 9 　0 . 2 3 　 0 . 3 5 　 0 . 3 5二项式B i n o m i a l 　0 . 8 9 　 0 . 8 9 　 2 . 5 1 　2 . 5 2 　0 . 2 2 　0 . 2 3 　 0 . 3 6 　 0 . 3 6

2.2.3TP浓度衰减拟合

TP实测浓度的沿程变化如图6所示。

图6　多级表面流湿地系统中TP浓度沿程变化Fig.6　Concentration variation of TP along wetland system

同上述分析过程，得到TP浓度削减指数模型方程为

线性衰减模型方程为

二项式衰减模型方程为

通过比较各拟合曲线模拟值与实测值之间的评价指标可得，对于TP浓度沿程衰减而言，指数模型同样表现出了较好的拟合效果（表6）。

表6　TP浓度模型拟合的评价指标Table 6　Model estimation of TP concentration

3　讨　论

与传统的人工湿地营养盐削减模型不同的是，该试验研究建立的模型分析目标是营养盐浓度在多级串联表面流人工湿地中沿程衰减的变化规律，与营养盐在各个子湿地中具体的停留时间无关，主要是建立起其与总湿地系统进口初始浓度之间的关系。通过该模型的建立，为今后多级串联人工湿地氮磷浓度的沿程变化提供了参考，在获知任意时段湿地系统进口浓度数据之后，便可以方便地预测出湿地系统中任意一个湿地子系统中的浓度。

大量试验研究已经表明，TP的去除机理主要是基质和底泥的吸附及其沉淀作用。本研究中，在高浓度进水（Ci＞3 mg/L）情况下，经过3号过滤池时来水中的TP浓度已经削减了近40%，过滤床基质的吸附作用明显。在经过5号湿地床后，TP浓度削减率已经达到80%并随后维持稳定，可见1至5号湿地床系统因其较大的横断面面积和较长的流程，十分有利于TP沿程的沉降及水生植物的滞留。在低浓度进水（Ci＜3 mg/L）情况下，3级过滤槽系统对TP浓度削减并不显著，只有10%左右，具体原因还有待后续研究分析；同时在低浓度进水条件下，湿地系统对TP的去除作用也较为平滑，与-N的去除规律相似，来水在经过7号湿地床时仍有一定的浓度去除，直至8号湿地床时TP浓度的去除才趋于稳定。

本次研究所收集的数据分散在了试验期的间断时间点，并没有连续取样，取样时间间隔7～15 d不等，缺少连续多天的分析比较。同时，为了加深湿地净化效果的研究，后续需要加强对进口水量排放负荷和营养物浓度负荷的连续观测分析。另外，本文中的湿地水深均设计较深，与已有文献中的推荐水深相比相差较大[28-29]，同时还发现较大的水深不利于某些挺水植物的生长，后续需加强这方面的研究。表面流人工湿地的净化效果与湿地种植的水生植物关系密切[30-31]，例如不同的植物根系的氧化还原环境的差异造成硝化反硝化作用的不同，进而净化效果不一样，本文尚没有对此做详细的分析，这也是下一步主要的工作之一。

4　结　论

本文根据多级串联表面流人工湿地近一年的观测数据，分析了该湿地系统的净化效果和浓度沿程衰减的拟合模型。结果表明，湿地系统对总氮TN、-N和总磷TP的浓度的平均去除率分别达到了76.3%、70.8%和60.5%，效果显著，有效地削减了生活污水排放对外界水体的危害，但也呈现出了去除率前期高后期低的趋势。同时，湿地容积或表面积较大的子湿地系统表现出了更好的营养盐浓度去除效果，这与其具有较长的水力停留时间有关。

由此可见，高浓度的进水能够促进湿地系统净化功能的快速发挥并较早到达稳定；而湿地系统对低浓度来水的营养盐浓度去除效果则表现得比较缓慢和持久。

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Sewage purification effect of multi-series surface flow constructed wetland

Wan Yuwen1,2, Guo Changqiang1※, Mao Zhi1, Li Xinjian3, Cui Yuanlai1, Zhao Shujun1
(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. Guangxi College of Water Resources and Electric Power, Nanning 530023, China; 3. Guangxi Zhuang Autonomous Region Center Station of Irrigation Experiment, Guilin 541199, China)

Abstract:Rural domestic sewage has become one of the main sources of agricultural non-point source pollution. In order to develop effective treatment of domestic sewage in less development rural areas with low cost in construction and simple in maintenance, we studied a multi-series system of surface flow constructed wetland to treat rural sewage in Qingshitan irrigation district in Guilin City, Guangxi Province, China. The purification effect of different subsystems and the nutrient concentration variation at each stage were studied and analyzed. The results showed that the nutrient removal efficiency of the overall wetland system presented a trend of gradual decline over time. At the same time, the greater the surface area of the wetland was, the higher the removal rate of nitrogen and phosphorus were. However, the differences of removal rate of nitrogen and phosphorus affected by temperature could be ignored because the change of daily temperature was relatively stable during the test period (April to September). Total nitrogen (TN) and-N (ammonium nitrogen) was high at earlier stage and low at late period of the inlet for the whole study period. The average removal rate decreased from 83.8% and 84.7% to 65.0% and 57.0%, for TN and-N, respectively. There was no significant correlation between inlet concentration and removal rate (P>0.05) for nitrogen. The inlet concentration of TP (total phosphorus) showed no obvious change, but its removal rate presented sharply decline from 82.2% at the inlet to 21.2% at the outlet. This was caused by a strong phosphorus adsorption by sediment and phosphorus use by microorganisms. Nevertheless, there was still 21.2% TP was not removed. This demonstrated limitations of TP removal capacity on surface flow constructed wetlands in comparison with the subsurface flow constructed wetlands. The average removal rate of TN,-N and TP were 76.3%, 70.8% and 60.5%, respectively of the whole system. There could be a better purification result with a larger aspect ratio and surface area. This study also revealed that this wetland system displayed a fast and stable purification effect for high nutrient influent concentration, but less effect for removal low nutrient concentration. From the experiment, we received ten sets of concentration data, including the data of each wetland bed. Of them six groups of measured data were used for the curve fitting of nitrogen and phosphorus concentration. We established the exponential, the linear, and the quadratic polynomial model which related to the inlet concentration of the wetland system through the monadic linear regression analysis of model coefficients. Then these three models were used for prediction and evaluation on the basis of the other four groups of testing data. Correlation analysis revealed that exponential decay model had a smaller relative root-square-error value with the best performance. The wetland system showed good purification effect during the whole test period, reducing the emissions of nitrogen and phosphorus of rural domestic sewage greatly, and mitigating the damage of domestic sewage to freshwater environment. The establishment of exponential attenuation model provided reference for the prediction of concentration changing along the multistage tandem constructed wetland system. The model can be used to easily predict nutrient concentration in any wetland subsystem when the influent concentration of the system is known.

Keywords:sewage; pollution; nitrogen; phosphorus; water purification; surface flow constructed wetland; multi-series; attenuation step by step

通信作者：※郭长强，男，安徽天长人，博士生。主要研究方向为农业水环境修复。武汉武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072。Email：cqguo@whu.edu.cn

作者简介：万玉文，男，广西贵港人，教授，博士生，主要研究方向为节水灌溉理论与技术。武汉武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072。Email：1398711172@qq.com

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130141110014）；广西水利科技项目（No.201423、No.201211）；2012年度广西高校优秀人才资助计划（No.97）。

收稿日期：2015-06-04

修订日期：2015-11-09

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0220-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.032