潜流人工湿地中污染物浓度的沿程变化及垂向分布*

张彩莹 王 岩 王妍艳

(1.南阳师范学院生命科学与技术学院，河南 南阳 473061；2.郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

潜流人工湿地中污染物浓度的沿程变化及垂向分布*

张彩莹1王 岩2王妍艳2

(1.南阳师范学院生命科学与技术学院，河南 南阳 473061；2.郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

构建4个潜流人工湿地(改进波形潜流人工湿地(IW-SFCW)、波形潜流人工湿地(W-SFCW)、传统潜流人工湿地(SFCW)及不栽种植物的对照湿地(CK-CW))处理厌氧消化后的猪场废水，考察各湿地单元中污染物的沿程变化及垂向分布。结果表明：(1)总体上，污染物浓度在栽种植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中沿程逐渐降低，栽培植物、改变湿地结构对废水中污染物的去除效果有显著性差异；(2)废水中的污染物主要集中在湿地的进水端被去除，这种现象在CK-CW中尤为突出，因此后期在设计湿地时可调整合适的长宽比以提高湿地对废水中污染物的净化效果；(3)4个湿地对氮污染物的去除效果有待提高，后期应着重解决湿地后端碳源不足的问题以提高氮污染物的去除效果。

潜流人工湿地 猪场废水 垂向分布 沿程变化

人工湿地作为新兴的污水处理工艺，具有建造、运行、管理费用低，操作简便，处理效果好，对负荷变化适应能力强等特点，目前已广泛应用于生活污水、工业废水、暴雨径流、养殖业废水等不同类型废水的二级、三级处理中[1-3]。人工湿地是基质、植物、微生物共存的生态修复系统，主要有表面流人工湿地、潜流人工湿地两种类型[4]。潜流人工湿地中污水在地表以下的基质中流动，具有卫生条件好、能承受较大水力负荷和污染物负荷等特点，可用于畜禽养殖业废水的处理[5]。

通常认为，人工湿地系统中污染物的净化主要通过系统内各要素间的物理、化学、生物协同作用实现[6]。由于人工湿地净化机理较复杂，目前被称为水质净化的“黑箱效应”[7]，有关人工湿地的研究多集中在污染物净化效果上，对污染物在湿地系统内部转化规律、湿地沿程变化和空间分布研究较少[8]。水平潜流人工湿地对COD、BOD和总悬浮颗粒物(TSS)去除效果好，对氮、磷的去除效果不理想[9]，为改进水平潜流人工湿地的处理效果，本研究构建了内部结构不同的4个潜流人工湿地单元处理厌氧消化后的猪场废水[10-11]，对4个湿地单元中污染物的沿程变化和垂向分布进行研究，为探讨潜流人工湿地中污染物去除机制及人工湿地的设计、管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 潜流人工湿地的构建

构建内部结构不同的4个潜流人工湿地单元(见图1)，人工湿地试验装置由有机玻璃加工制成，装置长、宽、高分别为1.60、0.40、0.60 m，湿地进水区和出水区长度均为0.10 m。为方便采集湿地中的水样，在每个湿地中沿程设置4个取样点(1#～4#)，各取样点竖向插入取样管4根，距进水口位置分别为0.38、0.66、0.94、1.22 m，取样管内径4 cm。湿地单元1为改进波形潜流人工湿地(IW-SFCW)，湿地内加设导流墙，导流墙与湿地同宽，厚、高均为0.25 m。湿地单元2为波形潜流人工湿地(W-SFCW)，湿地内加设导流板，3个导流板与湿地同宽，导流板a、c均高0.30 m，导流板b高0.50 m，距湿地底部0.10 m。湿地单元3是传统潜流人工湿地(SFCW)。湿地单元4结构与湿地单元3一样，但不栽培植物，为对照湿地(CK-CW)。4个湿地单元装填材料一致，共分为3层：最下层为直径30～40 mm碎石和粉碎加气块(体积比1∶1)混合填料，装填高度25 cm；中间层为直径20～30 mm碎石和粉碎加气块(体积比1∶1)混合填料，装填高度20 cm；最上层铺设厚度10 cm的基质层，由直径5～8 mm的陶粒、珍珠岩和砂砾(体积比1∶1∶1)组成，代替传统的土壤层栽培植物[12]，进水区和出水区填料为直径50 mm左右的鹅卵石。

1.2 湿地进水水质及湿地单元的运行方式

试验用水为某养猪场经预处理及厌氧消化后的猪场废水，根据湿地中栽培植物对废水氮、磷的耐受浓度，用自来水对实际猪场废水进行稀释，根据需要分别用蔗糖、硫酸铵、磷酸二氢钾调整进水COD、TN、氨氮、TP，湿地进水水质见表1。

湿地采用连续进水方式，流速由进水阀控制，湿地水位控制在0.45 m。本研究在湿地稳定运行1年后的夏季进行，栽培植物为大狼把草，植物种植密度约为25～30棵/m2。试验期间植物长势良好，湿地水力停留时间(HRT)为4 d，每个湿地单元处理水量约为0.032 m3/d。

1.3 水样采集与水质指标测定方法

1.3.1 水样采集及水质指标测定

湿地单元沿程水样由取样管采集，其中上层、中层及下层取样位置分别为水位下0.05、0.20、0.35 m。每天固定时段取样，及时测定水质指标。其中，COD采用重铬酸钾消解—硫酸亚铁铵滴定法测定；TP采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂可见分光光度法测定；TN采用过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定，具体分析方法主要参照文献[13],所用试剂均为国产分析纯。

图1 4种潜流人工湿地单元结构Fig.1 Schematic of 4 types of subsurface flow constructed wetland

项目COD/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)氨氮/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)pH范围470～550110～140100～1368～137.0～8.0

1.3.2 研究方法

首先对4个湿地单元污染物浓度沿程变化及垂向分布分别进行分析。由于4个湿地单元内部结构和有无植物的不同，湿地上层和下层结构对水样污染物浓度影响较大，因此取中层水样为代表，对4个湿地单元之间的污染物浓度沿程变化进行差异性分析。

2 结果与讨论

2.1 COD沿程变化及垂向分布

4个湿地单元COD的沿程变化及垂向分布比较见表2。由表2可见，CK-CW中COD浓度沿程变化规律不明显，栽培植物的3个湿地单元(IW-SFCW、W-SFCW、SFCW)COD浓度沿程逐渐降低，4个取样点COD浓度差异显著(P<0.05)，这可能是由于波形潜流人工湿地中加有导流墙或导流板使污水呈波形流态，延长了污水的流程，SFCW中污水和植物根系能充分接触，有利于植物根系把溶解氧扩散到湿地中，使湿地中的有机物有效降解。4个湿地单元中，接近进水端的1#取样点COD浓度在垂向分布上均差异显著(P<0.05)，IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中COD浓度从上至下依次递减，而CK-CW中COD垂向变化规律不明显；在接近出水端的4#取样点，SFCW分层现象不明显，这可能与水流流动方式和植物的吸收有关，具体原因还有待于进一步研究，而CK-CW的中、下层COD浓度相对较高，这可能是CK-CW中的水流以推流式沿着湿地的下层向出水口流动[14]。湿地进水COD约在520 mg/L，CK-CW中80%(质量分数)左右的COD在1#取样点前段被去除，随后COD去除效果大幅下降，2#取样点后COD几乎不发生变化，而栽培植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW，虽然COD去除也集中在湿地前端，但COD的去除效果一直延续到整个湿地处理过程。

对4个湿地中层水样的COD沿程变化进行比较，1#取样点IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中层COD浓度差异不显著(P>0.05)，随着水流进程，IW-SFCW与W-SFCW、SFCW中层COD浓度差距逐渐增大，说明IW-SFCW内部增加导流墙对有机物的去除有显著作用。CK-CW中层COD浓度沿程逐渐增加，导致这种现象的原因可能是废水中的有机物首先被吸附在可沉淀颗粒表面及湿地基质中，然后被湿地中的微生物逐渐降解，随着水流进程，水中的溶解氧逐渐被消耗，易被降解的有机物浓度降低，在湿地后端基质上吸附的不易被降解的有机物可能释放到水体中，导致COD的去除效果没有提高反而略有下降，而栽有植物湿地中由于植物根系能传输溶解氧，所以湿地沿程COD的浓度呈逐渐降低趋势。

2.2 TP的沿程变化及垂向分布

4个湿地单元TP的沿程变化及垂向分布比较见表3。由表3可见，4个湿地单元TP浓度均沿程逐渐降低，栽种植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中TP浓度沿程变化相对更明显。研究认为，湿地基质对磷的吸附是湿地除磷的主要因素，本试验中所用湿地基质对磷的吸附效果较好,因此随着水流进程，湿地水样TP浓度逐渐降低。虽然植物吸收对磷的去除作用相对有限，但由于植物根系和湿地基质能形成一种特殊的生物膜，因此湿地植物对废水的净化过程中仍具有相当重要的作用[15]。IW-SFCW、W-SFCW、SFCW的TP浓度垂向分布不规律，而CK-CW下层TP浓度明显高于上层和中层。湿地单元进水TP在10 mg/L左右，4个湿地单元中约70%(质量分数)的TP集中在1#取样点前端被去除，CK-CW前端对TP的去除效果更加明显，因此后期的湿地设计中应调整合适的长宽比以提高湿地对废水中污染物的净化效果。

表2 4个湿地单元中COD的沿程变化及垂向分布

表3 4个湿地单元中TP的沿程变化及垂向分布

表4 4个湿地单元中氨氮的沿程变化及垂向分布

从4个湿地中层水样中TP浓度沿程变化可以看出，3个栽种植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW在相同取样点的TP浓度总体差别不大，可见湿地结构的变化对TP去除效果影响较小。IW-SFCW、W-SFCW、SFCW与CK-CW的中层TP浓度在1#、4#取样点处有显著性差异(P<0.05)，可见植物影响湿地中TP的沿程分布，但湿地在去除TP时是湿地填料及填料表面生物膜发挥着重要作用[16]。

2.3 氨氮的沿程变化及垂向分布

4个湿地单元氨氮的沿程变化及垂向分布比较见表4。由表4可见，栽种植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW氨氮浓度沿程逐渐降低，沿程变化有显著性差异(P<0.05)；IW-SFCW各采样点氨氮浓度垂向分布差异显著(P<0.05)，W-SFCE、SFCW与CK-CW氨氮浓度垂向分布差异不显著(P>0.05)。CK-CW中层氨氮浓度略高，原因可能是湿地下层硝化作用较强，对氨氮的转化作用更强，而挥发作用使上层氨氮浓度小于中层。研究认为，人工湿地主要通过植物吸收、填料吸附及微生物的硝化、反硝化作用对废水的氮污染物进行去除和转化[17]，从表4可以看出，湿地植物、湿地结构变化对氨氮的去除都有贡献，CK-CW的氨氮去除主要集中在湿地进水端。尽管植物在湿地污染物的去除中不能占主要作用，但植物根系在生长、腐烂、死亡过程中均能提高湿地基质的水力传导性能[18]，因此在人工湿地中栽培植物有利于延缓湿地的堵塞现象。

表5 4个湿地单元中TN的沿程变化及垂向分布

从4个湿地中层水样氨氮浓度沿程变化可以看出，IW-SFCW、W-SFCW、SFCW在1#取样点氨氮浓度差异显著(P<0.05)，但在4#取样点氨氮浓度差异不显著(P>0.05)，原因可能是沿水流进程水体中有机物浓度逐渐降低，造成湿地中碳源不足，导致氨氮去除率降低，因此湿地后端湿地结构的变化对氨氮浓度影响不显著，但与CK-CW中层氨氮浓度比较，仍有显著性差异(P<0.05)，应该是湿地中植物的吸收利用导致。污染物降解要消耗溶解氧，溶解氧浓度在一般潜流湿地中较低，氨氮的去除率由于硝化作用的限制也较低，但在夏季由于气温较高，植物生长代谢速度加快，根系泌氧能力增强，湿地中氨氮的去除率因根系周围硝化作用增强而提高，湿地内部结构的改变使硝化作用也受影响。

2.4 TN的沿程变化及垂向分布

4个湿地单元TN的沿程变化及垂向分布比较见表5。由表5可见，栽种植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW沿程TN浓度逐渐降低，各取样点TN浓度差异显著(P<0.05)，而CK-CW的TN浓度沿程及垂向比较均差异不显著(P>0.05)，氮污染物在CK-CW中主要集中在进水端去除。在湿地运行稳定后，氮污染物的去除途径主要是湿地中微生物的硝化作用、反硝化作用[19]。本研究中IW-SFCW、W-SFCW的特殊设计，使湿地床体更易于出现局部好氧、厌氧交替环境，有利于硝化细菌和反硝化细菌发挥作用，因此提高了湿地中TN去除率。一般情况下水平潜流湿地是基于推流原理设计，但大多潜流湿地的水流呈现非完全推流运动而是在运行过程中出现斜向下运动[20]，因此4个湿地TN垂向分层现象总体不明显。

从4个湿地中层水样TN浓度沿程变化可以看出,IW-SFCW、W-SFCW、SFCW在1#、3#、4#取样点的TN浓度与CK-CW相比差异显著(P<0.05)，说明植物在TN去除过程中具有一定作用。此外，IW-SFCW、W-SFCW中由于导流墙或导流板的作用使植物根系与废水充分接触，对氮污染物的去除效果优于SFCW。

此外，4个湿地对TN去除率总体在50%左右，说明湿地对氮污染物去除效果较差。湿地对氮污染物的去除主要受湿地中溶解氧浓度、碳源及pH等多种因素的影响[21]，改变湿地结构和栽培植物虽然能调整湿地溶解氧的浓度，但湿地后端可能碳源不足，导致湿地中C/N较低，因此湿地对氮污染物的去除率较低。

3 结 论

(1) 总体看来，污染物浓度在栽种植物的IW-SFCW、W-SFCW、SFCW中沿程逐渐降低，与CK-CW相比，栽培植物、改变湿地结构对废水中污染物的去除效果有显著性差异。

(2) 废水中的污染物主要集中在湿地的进水端被去除，这种现象在CK-CW中尤为突出，因此后期的湿地设计中应调整合适的长宽比以提高湿地对废水中污染物的净化效果。

(3) 4个湿地对氮污染物的去除效果有待提高，改变湿地结构和栽培植物虽然能调整湿地溶解氧浓度，但湿地后端碳源不足，导致湿地中C/N较低，使湿地的TN去除效果较差。后期应着重解决湿地后端碳源不足的问题以提高湿地对氮污染物的去除效果。

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Studyonpollutantson-wayvariationandverticaldistributioninsubsurfaceflowconstructedwetland

ZHANGCaiying1，WANGYan2,WANGYanyan2.

(1.SchoolofLifeScienceandTechnology,NanyangNormalUniversity,NanyangHenan473061；2.SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,ZhengzhouHenan450001)

Four subsurface flow constructed wetlands (improved wavy subsurface flow constructed wetland (IW-SFCW),wavy subsurface flow constructed wetland (W-SFCW),subsurface flow constructed wetland (SFCW),control check constructed wetland with no plant (CK-CW)) were constructed to treat anaerobic digester effluent from swine wastewater. The pollutants on-way variation and vertical distribution in wetland units were investigated. The results showed that：(1) the pollutants on-way variation as a whole were gradually decreased in the wetlands cultivated plants including IW-SFCW,W-SFCW,SFCW. There were significant differences in the pollutants removal efficiency caused by cultivating plants and changing the wetland structure. (2) The removal of pollutants in four wetland units was mainly concentrated in the inlet part of wetlands. This phenomenon was particularly prominent in the CK-CW,so it was necessary to improve the purification efficiency by determining the appropriate aspect ratio in the future design of wetlands. (3) The nitrogen removal efficiency of the four wetlands was unsatisfied， the insufficient carbon source in the end of wetland should be focused to improve the removal efficiency of nitrogen pollutants.

subsurface flow constructed wetland; livestock wastewater; vertical distribution; on-way variation

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.014

张彩莹，女，1970年生，博士，副教授，主要从事养殖废水处理方面的研究。

*河南省重点科技攻关计划项目(No.152102310109)。

2017-08-01)