复合潜流人工湿地对北方河流水质的净化效果研究

王坚李扬

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

复合潜流人工湿地对北方河流水质的净化效果研究

王坚李扬

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

综合水平流人工湿地和垂直流人工湿地的优点，在山西省沁河干流建设了复合潜流人工湿地，运行及水质检测结果表明：通过合理设计基质（填料）种类及粒径，采用水平流和垂直流结合工艺的复合潜流人工湿地能够克服国内人工湿地普遍除磷能力不足的缺点，取得较好的除磷效果，在冬季运行期也具有较好的效益，适宜用于水量、水质变化不大、对管理要求不高的北方河流微污染治理。

复合潜流人工湿地；北方河流；净化效果

0 引言

人工湿地是近年来较为流行的污水处理技术之一，其底部铺设基质，上部种植水生植物，基质常由不同粒径的砂、砾石等组成，污水进入湿地后，通过基质吸附、植物吸收、微生物分解等多重理化作用降解水中的污染物，较为环保经济。人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，与传统的污水处理技术相比，具有建造和运行费便宜、易于维护、技术含量低、可营造优美景观等优点，在城乡污水处理中得到了日益广泛的应用，发展前景广阔。

本研究针对山西省沁河流域以及北方地区河流特点，通过建设水平潜流和垂直潜流复合型人工湿地，对潜流人工湿地应用于北方河流水质处理的效果进行分析探讨，以期为北方河流水质净化提供发展思路。

1 湿地概况

1.1 湿地设计及工艺流程

本研究所建设的复合潜流人工湿地位于沁河干流山西省阳城县润城镇下河村，占地面积1 800 m2，采用水平潜流与垂直潜流组合工艺，其中水平潜流人工湿地占地1 200 m2，分为8个单元；垂直潜流人工湿地占地600 m2，分为4个单元。

图1 人工湿地系统工艺流程示意图

湿地系统工艺流程如图1所示，河水经过管道自流入集水井，然后经过水泵提升到沉淀池，沉淀池自流出水，先后进入水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地组合成的复合潜流人工湿地系统，处理后的出水排入河道。

湿地设计污水处理量700 m3/d，格栅集水井为矩形砖混结构，尺寸3 m×3.5 m×2 m，有效水深1.8 m，有效容积18 m3，有效面积10.5 m2，水力停留时间1 h；沉淀池亦为砖混结构，实际尺寸3 m×10 m×3.5 m，有效水深3.0 m，有效容积90 m3，有效面积30 m2，水力停留时间4.3 h。

水平潜流人工湿地占地面积1 200 m2，分为8个单元，并联布置，单块尺寸15 m×10 m，深度1.0 m，水平流湿地出水进入垂直流湿地，垂直潜流人工湿地占地面积600 m2，分为4个单元，并联布置，单块尺寸15 m×10 m，深度1.2 m。湿地设计填料种类与颗粒级配如图2和图3所示。

图2 水平流人工湿地单元填料情况及水流方向

图3 垂直流人工湿地单元填料情况及水流方向

1.2 设计水质标准

（1）设计进水水质

设计原水水质见表1。

表1 设计进水水质 （单位：mg/l）

（2）设计出水水质

处理后出水应达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水标准具体指标值见表2。

表2 设计出水水质 （单位：mg/l）

2 结果与分析

2015年9月—2016年8月，项目组在复合潜流人工湿地入口和出口处各设置1个取样点，平均每月1次连续取样，其中2016年2月和3月因突发状况停测2次，总计取样9次，水质检测项目包括pH值、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数、水温等8项。

2.1 水质检测结果

将取样期历次水质检测结果的平均值与表2对照，结果如图4所示。

图4 湿地水质指标均值

由图4可知，除总氮、总磷外，湿地进出口水质指标均优于III类水质标准，表明河流水质较好，其污染指标主要为总氮和总磷。此外，从平均值来看，经过处理后湿地出水各水质指标的平均值均显著降低，其中COD、BOD5和总磷的浓度降幅相对较大。图4表明，本研究所建设的复合潜流湿地综合了水平流湿地和垂直流湿地的优点，对沉淀后的河水有明显的净化能力，出水水质得到较为显著的改善。

2.2 各污染物指标去除情况

图4表明复合潜流湿地对河水中污染物的处理能力总体上较为显著。为进一步研究各项污染指标在取样期间的浓度变化，图5中分别列出了pH值、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数等指标的浓度变化曲线，并与设计原水水质和设计出水水质进行对照。

由图5（a）可知，湿地入水和出水的pH值较为稳定，且位于设计水质范围之内；图 5（b）和（c）显示，入水和出水的COD和BOD5浓度均低于设计出水水质，表明河流入水水质的这两项指标已达到出水水质要求，此外，经过湿地处理，COD和BOD5浓度进一步下降，使出水水质更好；对氨氮和总氮两项指标即图5（d）、（e）而言，其入水浓度远低于设计原水指标，接近设计出水标准，说明河流入水水质较好，经过湿地处理后，其浓度有所下降，但由于入水水质本身较好，浓度的降幅不大；对总磷即图5（f）而言，其入水浓度波动较大，个别值已经超过了设计原水指标浓度，说明入水中总磷含量较高，经过处理，总磷浓度显著下降，达到出水水质标准，表明湿地对总磷的去除效果较为理想；在设计过程中没有指定高锰酸盐指数的取值，但从图5（g）可以直观地看出，复合潜流湿地对高锰酸盐指数的处理效果也比较理想。

这是因为：①研究区人工湿地中，密集种植了芦苇、菖蒲、鸢尾、美人蕉等多种水生植物，一方面，污水中的大量无机氮、磷可作为营养物质被植物吸收，利于植物生长，最后通过植物的收割从污水中去除；另一方面，其根系发达，可输送较多的氧，在植物根区形成特殊的好氧厌氧环境，利于各种微生物的生长，而微生物的生命活动是污水中有机物降解的主要机制，对BOD5、COD的降解起主要作用；同时，微生物的硝化和反硝化作用促进了氮的去除，植物根系还可分泌促进某些氮、磷细菌生长的物质，有利于氮、磷的释放及转化，间接促进各种污染物的降解。②湿地基质对特定污染物也可起到吸附作用，研究表明，湿地中磷的去除与基质吸附、植物吸收、微生物作用有关，但主要依靠基质的吸附作用去除，同时，复合潜流湿地综合了水平流和垂直流两种湿地的特点，其特殊结构使得污水先后通过多层填料，在基质过滤、植物吸收、微生物降解等多重理化作用下，污水可得到更为充分彻底的净化，处理效率大大提高。

图5 湿地污染物浓度变化

2.3 污染物去除率比较

研究选取了 COD、BOD5、氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数6项指标，计算并比较复合潜流人工湿地对各种污染物的去除率高低，计算公式见式（1），结果见图6。

式中：R——污染物去除率，%；

Ci——入水污染物浓度，mg/L；

C0——出水污染物浓度，mg/L。

图6 湿地污染物去除率变化

图6显示，复合潜流湿地对氨氮和总磷的去除率相对较高，但波动也较大，其中氨氮的去除率从9%～87%不等，总磷的去除率从17%～98%不等，这两个指标去除率的最高值十分可观，几乎除去了水中绝大部分的污染物；其次为BOD5、COD、高锰酸盐指数等三个指标，去除率约在15%～50%之间，其变化趋势与氨氮和总磷相比较为平缓；总氮的去除率相对略低，大部分在10%上下，仅2015年取样的去除率较高，可达50%左右。

国内外研究表明，除磷能力不足是人工湿地的普遍缺点之一，而本研究所建的复合潜流湿地除磷效果十分突出，分析其主要原因为：湿地除磷主要依靠基质的吸附及沉淀，而基质的吸附能力取决于基质的种类，本研究所建设的复合潜流湿地，其基质种类及粒径均经过精心设计，并且结合了水平流和垂直流两种形式，磷在基质中被充分吸附，且河流入水水质较好，同时湿地运行时间较短，基质的吸附量尚未达到饱和，因此能够取得较好的除磷效果。

分析总氮去除率较低的主要原因可能为：总氮的入水浓度远低于设计原水指标，接近设计出水标准，经过湿地处理后，其浓度有所下降，但由于入水水质本身较好，导致浓度的降幅不大。

2.4 冬季运行效果分析

为考察湿地冬季运行期的处理效果，将冬季污染物浓度变化与其他季节比较（图5和图6中数据点标为黑色的区间为冬季），可以发现，图5显示，冬季湿地的水温与其他季节相比明显偏低，在1月达到最低；pH值与其余时间相比变化不大；COD、BOD5、氨氮在冬季的入水浓度与其余时间类似或偏低，出水浓度与其余时间类似，说明这三项指标冬季处理率略有下降，但仍有一定的处理效果；总氮冬季入水浓度和出水浓度与其余时间相比略微偏高，处理效果与其余时间相比有所减弱；总磷的冬季入水浓度与其余时间相比略偏高，但出水浓度与其余时间相当，说明冬季湿地对总磷的处理效果较为显著，其处理率比其余季节更高；高锰酸盐指数在冬季的出水浓度降幅比其余季节更加显著，说明冬季湿地对高锰酸盐指数的处理效果较为理想。

图6从污染物去除率角度描述了冬季湿地运行效果，可以发现，仅COD、BOD5冬季去除率比其他季节略有下降，其余指标没有明显的季节变化，其中氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数几个指标在气温最低的1月去除率反而较高，表明在合理可靠的冬季运行管理措施下，本研究所建设的复合潜流湿地依然能够取得较好的处理效果。

3 结论与建议

本研究在山西省沁河干流建设了复合潜流人工湿地，该湿地综合了水平流人工湿地和垂直流人工湿地的优点，通过一年左右的持续取样检测，取得以下结论：

（1）在整个取样期，复合潜流人工湿地对所选取的多项污染指标均有较为显著的去除效果，尤其是除磷能力较强。

（2）复合潜流人工湿地有效解决了北方寒冷地区冬季运行问题，在冬季运行期的处理效果较好。

上述结论表明，通过合理设计基质（填料）种类及粒径，采用水平流和垂直流结合工艺的复合潜流湿地能够克服国内人工湿地普遍除磷能力不足的缺点，取得较好的除磷效果，在冬季运行期也具有较好的效益，是一种有效的水处理技术，适宜用于水量、水质变化不大、对管理要求不高的北方河道微污染治理。同时，湿地种植的水生植物还具有观赏价值，可与当地绿化有机结合，营造优美景观，适宜大规模推广应用。

Research on Purification Effect of Hybrid Subsurface Flow Constructed Wetland on Water Quality of River in North China

WANG Jian LI Yang

A hybrid subsurface flow constructed wetland was constructed on the mainstream of the Qinhe River in Shanxi Province,which combined with the advantages of horizontal subsurface flow constructed wetland and vertical subsurface flow constructed wetland.Operation and water quality detection results show that:with reasonable design of the type and particle size of substrate,this hybrid subsurface flow constructed wetland could overcome the disadvantage of low phosphorus removal rate in most of the domestic constructed wetlands and achieve better phosphorus removal effect.Besides,this hybrid subsurface flow constructed wetland has good effect in winter operation period,and is suitable for micro polluted rivers with less variation in water quality and water quality in the north China,whose management requirements are not high.

hybrid subsurface flow constructed wetland；river in north China；purification effect

X799.3

B

1006-8139（2017）02-042-05

2017-02-16

2017-02-28

王 坚（1969-），男，2007年太原理工大学工程硕士毕业，高级工程师，主要从事节水灌溉试验、水资源论证、节水工程设计及工程监理等理论研究与技术方面的工作。

山西省水利科学技术研究与推广项目：潜流人工湿地污水处理技术研究