人工濕地耦合系統在城市面源污染控制中的應用
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：由塘系統和人工濕地系統組成的耦合系統首次運用于國家“十五” 重科技專項“武漢市漢陽地區城市面源控制技術與工程示范”，在工程規模上對系統凈化效果進行了研究。結果表明，耦合系統對污染物的平均去除率分別為：CODMn63.17±1.39%、TP78.58±3.54%、TN 72.94±8.33%、SS 89.08±3.66%；遠遠超過課題要求，具有較好的示范效果和推廣價值。
關鍵詞：多水塘－人工濕地耦合系統；城市面源；凈化效果
前言
多塘系統和人工濕地系統都是典型的污水生態處理系統，在控制面源污染中得到了較為廣泛的應用，取得的較好的處理效果，同時也起到了改善生態環境的作用[1～4]。研究表明多水塘系統對懸浮物去除非常顯著，多水塘在降雨徑流過程借助巨的蓄水容量，減緩徑流流速和降低水流的挾沙能力，使懸浮物在水塘中量沉降[5]；而人工濕地對機污染物CODcr、N和 P等營養物質有較好的去除效果[6～9]。
多水塘－人工濕地耦合系統是將塘系統和人工濕地系統進行優化組合，發揮了單項技術的優勢，實現了互補，達到提高了SS、COD、TN和TP的綜合去除效果的目的，也有效地減少濕地的堵塞，延長濕地的使用壽命。本耦合系統克服了以往工程技術運用的單調化，使處理過程多樣化、簡單化，污染去除高效化，生態系統穩定化；并首次運用于國家“十五” 重科技專項“武漢市漢陽地區城市面源污染控制技術與工程示范”，為我國控制城市面源污染提供了具有參考價值的技術方法。
1.系統概況
1.1工藝流程及組成
多水塘－人工濕地耦合系統由兩個并聯的系統組成，因地制宜地采用多級塘技術、不同流型的人工濕地技術、生物穩定塘技術，在系統上進行了集成。系統工藝流程具體見圖1。
系統1:多水塘－水平潛流人工濕地(multi-pond―horizontal-subsurface flow constructed wetland)耦合系統（簡稱MP-HF系統）位于示范工程區北區，其中，多水塘系統由1、2、4、6號塘串連組成，水平潛流人工濕地系統由四個小單元并聯組成，每個單元尺寸為25m×50m，總面積為5000m2，采用鋪設土工膜防滲隔離，平均構造深度0.7m，濕地植物分別為蘆葦（1單元）、香蒲（2單元）、美人蕉（3、4單元）。
系統2：景觀塘－復合流人工濕地(landspace pond－integrated flow constructed wetland)耦合系統（LP－IF系統）位于示范工程區南區，其中，多級景觀塘系統由9、10、11、12號塘串連組成；復合人工濕地系統由一個垂直流人工濕地（面積300m2，構造深度0.5 m）、三個水平潛流并聯人工濕地（面積1500 m2,平均構造深度0.4 m）和兩個表流人工濕地串連而成，總面積4500m2。
1.2設計能力及進水參數
本系統主要處理城市暴雨初期產生的高濃度面源污染物和部分生活污水。
本系統進水水質為：CODMn20.43～44.19 mg/L，SS 120～1781mg/L，TN 13.91～43.62 mg/L，TP1.47～4.11 mg/L。
設計處理能力:設計處理生活污水1400m3/d，雨日產初期重污染徑流12600m3/d。
1.3 測試項目與方法
COD —高錳酸鹽指數，重量法測SS，TN — 過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，TP — 過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法。
2.結果與分析
2.1多水塘系統的凈化效果
運行方式：連續運行方式，水力停留時間（HRT）為3天。
（1）MP-HF系統中多水塘系統的處理效果分析
不同濃度的污水經過MP-HF系統多水塘系統自然沉積和生物吸附作用，去除效果較明顯，CODMn削減了54.15±15.53%；TP削減了49.62±19.11%；TN去除了45.62±13.12％，SS經多塘系統處理后削減了80.36±14.30％。
（2）LP-IF系統中景觀塘系統的處理效果分析
經過多次調試運行，LP-IF系統中景觀塘系統的處理效果見表1。其中，CODMn削減了31.84±10.87%；TP削減了39.92±19.33%；TN去除了42.40±15.66％；SS經多塘系統處理后削減了46.00±10.40％。
根據上述分析可以發現：MP-HF系統的塘系統削減率明顯高于LP-IF系統中景觀塘系統的削減率。消減率與進入塘系統的污染物濃度和串聯塘的數量密切相關，MP-HF系統的塘系統和LP-IF系統中景觀塘系統是串連的，污水在經過MP-HF系統的塘系統之后，部分高濃度的污染物經已去除。考慮到塘的利用效率，建議采用一級多水塘系統即可。
2.2人工濕地系統的凈化效果分析
(1)水力條件對人工濕地處理效果的影響分析
①水力停留時間對處理效果的影響
濕地系統的處理效果與水力停留時間關系密切。 停留時間過短,生化反應不充分,停留時間過長,易引起污水滯留和厭氧區擴,影響處理效果。
MP-HF系統水平潛流人工濕地：停留時間在1～3 d 時, CODMn去除率隨停留時間的延長而升高，去除率分別為27.38％、53.23％、52.38％；CODCr停留時間2d和3d的去除率分別為61.32%和79.4%。
LP－IF系統復合流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,CODMn去除率隨停留時間的延長而升高，去除率分別為停20.59％、62.16％、6.76％。
MP-HF系統水平潛流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,SS去除率隨停留時間的延長而升高，分別為：33.33％、76.67％、87.67%。
LP－IF系統復合流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,SS去除率分別為：61.48％、94.92％、93.02%。
MP-HF系統水平潛流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,TP去除率隨停留時間的延長而升高，分別為： 49.09％、55.00％、60.00%。
LP－IF系統復合流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,TP去除率隨停留時間的延長而升高，分別為： 50.00％、75.71％、87.88%。
由此可知，停留時間2d和3d的TP去除率明顯高于1d，而2d和3d的去除率相差很小。主要是由于人工濕地對磷的去除是通過微生物的積累、植物的吸收和碎石床的物理化學等幾方面的協調作用共同完成的，植物吸收和微生物的積累是需要一定的時間來完成。
MP-HF系統水平潛流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,TN去除率隨停留時間的延長而升高，分別為：41.25％、46.87％、61.64%。
LP－IF系統復合流人工濕地：停留時間在1～3 d 時,TN去除率隨停留時間的延長而升高，分別為：33.27％、77.67％、85.28%。
由此可知，停留時間2d和3d的TN去除率明顯高于1d，而2d和3d的去除率相差很小。
由以上分析可知，停留時間延長，可增加去除率，但是理論上隨停留時間增長達到一定的天數后，去除率的增長將會下降。由于系統初步建成，其去除效果和機理需進一步探討完善。從目前運行效果出發和濕地的利用效率考慮，建議濕地運行的停留時間一般應為2～3d。
②水深變化對處理效果的影響（補充運行方式）
在濕地系統中,水深不僅與水力負荷、容積負荷、水力停留時間密切相關,還直接影響植物的生長和系統的處理效果。在填料分層的濕地系統中,水深的控制尤其重要。
運行方式：采用連續運行方式，水力停留時間（HRT）為2d。進水水質為CODMn15.10～15.98 mg/l，TP0.34～１.２５mg/l，TN３.９２～10.85 mg/l，SS42～116 mg/l。
70 cm水深時SS 去除率明顯高于60 cm 和50 cm 水深的去除率。這是因為高水位時上層填料的粒徑小,植物根系比較發達,有利于對懸浮顆粒的攔截和過濾。
70 cm 水深的去除率遠遠高于其他2個水深間COD去除率，水深50cm、60cm、70cmCODMn的去除率分別為25.03%、36.34%和52.44%；并且其差值比SS去除率的差值要。這是因為當水深增到70cm 時,水位接近表層，此區域植物根系較發達,生物膜生長也較旺盛,不僅增強了系統對不溶性有機物的過濾攔截作用,還促進了生物膜對可溶性有機物的吸附與降解, 故COD去除率的增加幅度較。
人工濕地處理系統對N的去除作用包括基質的吸附、過濾、沉淀以及氨的揮發，植物的吸收和濕地中微生物作用下經硝化—反硝化作用下轉化去除。由表3可見,70 cm 水深時的TN去除率明顯高于其他2 個水深,這是因為在70 cm 水深時,植物根系周圍的好氧微環境更有利于TN充分硝化,而且70 cm 水深處植物根系較發達,植物對TN吸收能力也較強。50 cm 水深時,植物根系的減少及供氧環境的惡化,使硝化水平不如70 cm 水深的硝化水平。
70 cm 水深時TP 去除率遠高于其他2 個水深,其原因一方面由于70 cm 水深時,植物對磷的吸收量較。而深度小于50 cm 時則不然,故除磷效果依次下降。
由以上的討論得知,濕地穩定運行的水位最好控制在表層以下0～10 cm 的高度較為合適,此時，污水可以通過表層植物發達的根系和生物膜對可溶性有機物的吸附與降解，達到比較高去除率。隨著根系的生長,植物根系的深入及供氧水平的提高應是提高污染物去除效果的最關鍵因素。
2.3多水塘－人工濕地耦合系統處理效果
MP-HF耦合系統對污染物的平均去除率分別為：CODMn 62.4%、TP75.04%、TN 64.61%、SS 92.74%；LP－IF耦合系統對污染物的平均去除率為：CODMn 65.18%、TP 82.13%、TN 81.28%、SS 85.41%；耦合系統對污染物的平均去除率分別為：CODMn63.17±1.39%、TP78.58±3.54%、TN 72.94±8.33%、SS 89.08±3.66%。LP－IF耦合系統對COD、TP、TN的去除率明顯高于MP-HF耦合系統，尤其是TN的去除效果，這主要是由于LP－IF耦合系統的復合流人工濕地系統對TN的去除率主要依靠水平流人工濕地（HF），其原理是利用垂直流濕地進行硝化作用，再進入水平流濕地進行反硝化，從而達到對TN的高的去除率。
2.4系統出水水質比較
3.結論
經過對多水塘－人工濕地耦合系統在工程規模上的初步研究，耦合系統發揮塘系統和濕地系統的兩者的優勢，提高系統運行的穩定性和出水水質：塘系統的儲存凈化功能可以降低人工濕地處理的污染物負荷率，有效防止人工濕地堵塞，提高除污能力；人工濕地系統緩沖容量，利用物種共生、物質循環再生原理，遵循結構與功能相關原則，可有效促進廢水中污染物質良性循環，充分發揮資源的生產潛力，獲得污水處理與資源化的最佳效益。
（1）多水塘系統的處理效果非常顯著。經過多次調試運行，MP-HF系統中多水塘系統的污染物的削減率為：CODMn 54.15±15.53%，TP 49.62±19.11%；TN 45.62±13.12％，SS經多塘系統處理后削減了80.36±14.30％； LP-IF系統中景觀塘系統的處理效果為:CODMn削減了31.84±10.87%；TP削減了39.92±19.33%；TN去除了42.40±15.66％；SS經多塘系統處理后削減了46.00±10.40％。考慮到塘的利用效率，建議采用一級多水塘系統。
（2）濕地系統的處理效果與水力停留時間關系密切。停留時間延長，可增加去除率，但是隨停留時間增長達到一定的天數后，去除率的增長將會下降，故從總處理效果出發和濕地的利用效率考慮，建議濕地運行的停留時間一般應為2～3d。
（3）濕地穩定運行的水位最好控制在表層以下0～10 cm 的高度較為合適,此時，污水可以通過表層植物發達的根系和生物膜對可溶性有機物的吸附與降解，達到比較高去除率。
（4）MP-HF耦合系統對污染物的平均去除率分別為：CODMn 62.4%、TP 75.04%、TN 64.61%、SS 92.74%；LP－IF耦合系統對污染物的平均去除率為：CODMn 65.18%、TP 82.13%、TN 81.28%、SS 85.41%。LP－IF耦合系統對COD、TP、TN的去除率明顯高于MP-HF耦合系統，尤其是TN的去除效果，主要是由于復合流濕地先垂直流濕地進行硝化作用，再進入水平流濕地進行反硝化，而達到對TN的高的去除率。
