温度对VFW-DP工艺净化污染河水的影响

颜秉斐，彭剑峰，程建光，宋永会，李斌

1.山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590 2.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012 3.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012

温度对VFW-DP工艺净化污染河水的影响

颜秉斐1,2,3，彭剑峰2,3*，程建光1，宋永会2,3，李斌2,3

1.山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590 2.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012 3.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012

垂直流人工湿地；滞留塘；温度；氮磷污染；城市污染河流净化

人工湿地系统净化污水技术起源于20世纪70年代，是在自然或半自然净化系统的基础上发展起来的污水处理技术[1]，与传统污水处理方法相比，具有造价低、运行费用低和耐冲击负荷高，对氮磷及其他污染物净化效果好等优点[2-5]。人工湿地虽在近年来得到广泛应用[6]，但也存在诸多问题有待进一步研究，如垂直潜流人工湿地(VFW)与滞留塘(DP)串联(VFW-DP)的组合方式净化污染河水时，上行式垂直流人工湿地(UVFW)与下行式垂直流人工湿地(DVFW)在落空运行方式上有着不同的氧转移速率[7-8]，对污染物指标的净化效果会受到水温的影响[9]。DP技术作为一种简单易行的生物(生态)技术，所需的管理维护费远较其他技术少，适用于我国污染河流的治理[10]，但在水温对滞留塘的净化效果影响方面却鲜有探讨。笔者采用DVFW-DP和UVFW-DP组合工艺，通过将人工调配的模拟城市污染河水经湿地处理后，流入滞留塘进一步净化，利用水体中菌藻共生的净化作用、水生植物的吸收作用以及微生物的分解作用[11]对污染物进行降解，以此实现不同单元组合运行的优势互补。研究了2组组合工艺在不同水温下对模拟城市污染河水的净化效果，以及组合工艺对各污染指标的净化率，并对其进行了对比分析，以期为城市污染河水治理的工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

根据进水方式将试验装置分为DVFW-DP和UVFW-DP。DVFW-DP水流方向为由VFW上部进入下部再流入DP；而UVFW-DP水流方向为由VFW的下部进入上部再流入DP。VFW-DP组合工艺见图1。用蠕动泵控制进水流量。VFW为直径30 cm、高80 cm的有机玻璃圆柱体，总体积42 L。基质选择来源广且价格低廉，已被广泛用作人工湿地填料的砾石[12-13]，其整体高度为65 cm(下部为直径25～50 mm的砾石，厚35 cm；上部为直径3～12 mm的砾石，厚30 cm)，顶部铺设10 cm厚土层。按照0.012 m3/棵的密度种植具有抗逆性强、净化能力强、根系发达，具有高观赏价值和经济价值，在潜流湿地中净化处理效果较好的植物菖蒲和芦苇[14]。多层填料的设计可以进一步强化DVFW-DP工艺虹吸排水时填料内部的充氧能力，并可减少污水中的有害气体，提高水中溶解的氧浓度，有助于硝化作用[15]。DP为长80 cm、宽40 cm、高35 cm的有机玻璃长方体，底部铺设取自自然河道的10 cm高底泥，并按照0.016 m3/棵的密度种植菖蒲和芦苇。

图1 DVFW-DP组合工艺示意Fig.1 Sketch of DVFW-DP combined process

1.2 系统运行

试验采取连续进水、连续出水的运行方式，按照进行的时间选取平均水温为14 (8.2～19.6)℃、 20(16.4～23.4)℃、25(21.8～27.6)℃ 3个温度段分别表示低温期、中温期和高温期[16]。试验运行时间为2015年5—10月，装置启动5周后达到出水水质稳定。之后，每周定期采集1次水样，取样点分别设置在进水口以及2组工艺的滞留塘出水口处。

1.3 试验方法

1.4 进水水质

试验进水为人工模拟的夏秋季节东北地区城市污染河水，按不同温期水质的波动范围由C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4配制，同时按10.0、1.0、0.5和0.5 mg/L分别投加CaCl2·2H2O、KI、ZnCl2和AlCl3·6H2O。污水水温跨度为8.2～27.6 ℃，DO浓度为0.41～8.89 mg/L，pH为6.72～7.37，ORP为10.2～215.8 mV，其他主要水质指标见表1。

表1 反应器进水水质

2 结果与讨论

2.1 对CODCr净化效果

DVFW-DP与UVFW-DP在不同温期下平均进出水CODCr分布以及浓度箱线如图2所示。

图2 组合工艺在不同温期下的CODCr净化效果与浓度箱线Fig.2 CODCr removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

由图2可知，试验期间，进水CODCr变化范围较大，为20.3～150.4 mg/L；DVFW-DP和UVFW-DP出水CODCr平均为44.2和39.6 mg/L，二者平均去除率均大于47.9%。表明VFW-DP组合工艺能够有效实现CODCr的去除，试验结果与龚琴红等[18]的一致。VFW-DP对有机物的去除主要得益于组合工艺中水生植物和微生物作用。其中，水生植物除了通过自身吸收作用降解一部分营养物质，同时植物的根系区能够形成好氧、兼氧、厌氧环境，为各类微生物的大量繁殖提供了良好的生存环境，不仅有利于好氧细菌氧化降解有机物，而且有利于反硝化细菌脱氮。

从不同温期看，在系统稳定运行初期(中温期)，CODCr的平均去除率DVFW-DP为61.7%，UVFW-DP为29.5%。表明在运行初期，DVFW-DP能快速达到较高的处理效果，其可能与组合工艺的运行方式有关，DVFW-DP采用下行式进水方式能将更多的溶解氧带入湿地单元，从而促进微生物的快速繁殖，形成稳定的微生物菌落，使有机物得到有效降解。高温期，DVFW-DP和UVFW-DP对CODCr的平均去除率分别为62.5%和77.2%。低温期，DVFW-DP和UVFW-DP对CODCr的平均去除率分别为34.8%和50.4%。结果表明，UVFW-DP在高温期由于微生物经过一段较长时间的繁殖形成了与水质相适应的菌群，实现对有机物较高的去除率，即使在低温期也有不错的效果。从整个试验过程看，DVFW-DP能够快速达到较高的CODCr去除率，但UVFW-DP比DVFW-DP对CODCr的去除效果更稳定。

人工湿地有机物的净化主导者是微生物，温度对微生物的生长繁殖以及活性都有显著影响[19-21]。在不同温期，2组组合工艺对CODCr的去除效果有较大的波动，温度对VFW-DP的影响比较明显，高温期的去除效果明显要好于中温期和低温期，较高的温度不仅可以促进微生物对有机物的降解，而且有利于组合工艺中植物生长吸收利用。

图3 组合工艺在不同温期下的净化效果与浓度箱线Fig.3removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

图4 组合工艺在不同温期下的净化效果与浓度箱线Fig.4removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

2.3 对TP净化效果

DVFW-DP与UVFW-DP在不同温期下平均进出水TP浓度分布以及浓度箱线如图5所示。由图5可知，试验期间，进水TP浓度为0.38～1.22 mg/L，平均浓度为0.75 mg/L。DVFW-DP和UVFW-DP出水TP平均浓度分别为0.79和0.64 mg/L，二者去除率分别为27.5%和40.4%。VFW-DP组合对TP的去除率不高，磷的去除主要是基质的吸附、植物的吸收以及微生物的作用。中温期，DVFW-DP和UVFW-DP的TP平均去除率分别为19.9%和35.9%；高温期分别为34.8%和50.0%；低温期分别为27.8%和35.5%。高温期VFW-DP对TP的去除效果明显好于其他2个温期，是由于较高的水温能够促进水生植物的生长和微生物的繁殖从而增加对磷的去除效果。

图5 组合工艺在不同温期下的TP净化效果与浓度箱线Fig.5 TP removal effect and concentration box-plot diagrams of the combined process at different thermophase

2.4 组合工艺对污染物净化效果对比

图6 组合工艺在不同温期对各指标的净化效果Fig.6 Removal effect of CODCrand TP in the combined process at different thermophases

3 结论

(2)温度高有利于组合系统对污染物的去除，高温期组合工艺对污染物的去除效果明显高于中温期和低温期。

(3)从整个试验过程看，在系统运行初期，下行式垂直流人工湿地-滞留塘对污染物的去除率高于上行式垂直流人工湿地-滞留塘，而在运行后期下行式垂直流人工湿地-滞留塘对污染物的去除效果差于上行式垂直流人工湿地-滞留塘，因此采用上行式的进水方式更有利于污染物的去除。

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Effects of temperature on purification of polluted river water by VFW-DP systems

YAN Bingfei1,2,3, PENG Jianfeng2,3, CHENG Jianguang1, SONG Yonghui2,3, LI Bin2,3

1.College of Chemical and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China2.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

vertical flow constructed wetland; detention pond; temperature; nitrogen and phosphorus pollution; urban river water quality purification

2016-06-27

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-005)

颜秉斐(1989—)，女，硕士，主要从事水环境修复及风险控制技术，ybf201506@163.com

*责任作者：彭剑峰(1977—)，男，研究员，博士，主要从事水环境修复及风险控制技术，pjf1995@163.com

X703

1674-991X(2017)02-0146-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.022

颜秉斐，彭剑峰，程建光,等.温度对VFW-DP工艺净化污染河水的影响研究[J].环境工程技术学报,2017,7(2):146-151.

YAN B F,PENG J F,CHENG J G,et al.Effects of temperature on purification of polluted river water by VFW-DP systems[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):146-151.