劉超翔，胡洪營，張健，盛建武，黃霞，施漢昌，錢易
(清華大學 環境科學與工程系， 北京 100084)

　　摘　要： 采用人工復合生態床處理滇池地區低濃度農村污水的試驗結果表明，在30cm/d的高水力負荷條件下，4個不同的單元床體對COD、TN、氨氮和TP的去除率分別為59.6%～70.6%、50.4%～60.6%、70.8%～83.0%和55.0%～66.0%。因蘆葦具有較強的輸氧能力，而茭白對氮、磷的吸收能力強，因此蘆葦和茭白混種是一種較好的植物栽種方式。
　　關鍵詞：人工濕地；農村污水；氮；磷；水生植物
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0001-04

Use of New Type Constructed Wetland for Treatment of Low Strength Rural Sewage
LIU Chao-xiang, HU Hong-ying, ZHANG Jian, SHENG Jian-wu，HUANG Xia, SHI Han-chang, QIAN Yi
(Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

　　Abstract：Experiment was made on the use of artificial wetland to treat low strength rural sewage in the Lake Dianchi area,Yunnan.The experimental results showed that the removal rate of?COD,TN,ammonia nitrogen and TP is 59.6%～70.6%,50.4%～60.6%,70.8%～83.0%,and 55.0%～66.0% respectively under high hydraulic loading rate (30 cm/d).Because the reed has higher capability in oxygen transfer and the indian rice is good at absorbing nitrogen and phosphorus,pollutants removal efficiency can be greatly improved when the reed and Indian rice grow together in wetland.
　　Keywords: artificial wetland; rural sewage; nitrogen; phosphorus; hydrophytes

　　近年隨著流域點源污染控制工程的實施，面源氮、磷入湖量占流入滇池總量的比例已超過50%，因此控制面源污染已成為解決滇池富營養化的關鍵。根據對滇池某示范控制區的調查，其地表徑流、水土流失、固體廢物和村鎮生活污水是主要面污染源，而河道和溝渠是污染物的最終入湖途徑，為此研究、開發了一種適合于該地區的新型人工濕地系統即人工復合生態床系統。
?　該系統是在人工濕地的基礎上選擇最佳的植物栽種方式，并在床體內部填充多孔的、有較大比表面積的介質以改善濕地的水力學性能，為微生物提供更大的附著面積，同時增強系統對污染物(尤其是氮、磷)的去除能力。人工復合生態床作為濕地系統的一種，具有工藝簡單、運行管理方便、生態環境效益顯著、投資少等優點，適合于村鎮生活污水的處理。根據調查，在滇池地區農村生活污水與排灌水相混合的現象十分普遍，因此農村生活污水匯集出口處 因受農田排灌水的影響，污水濃度低、流量大。
　　對于潛流式濕地，若按常規的水力負荷(一般為2～15cm/d)設計要占很大的面積^[1]，因此如何提高系統負荷、減少占地面積 成為人工復合生態床研究的重點。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置
　　試驗系統設在滇池流域某一示范控制區，共有4個單元床體，結構如圖1所示。?

　

　　首先，污水自流進入調節池，然后通過PVC管送入各個單元床體。人工復合生態床水流為潛流式，每個床體寬為1m、長為6m、床深為0.7m、坡度為1%。床體底部鋪設10cm厚的碎石(直徑為2～4cm)層，中部為40cm厚的爐渣層，上部為10cm厚的土壤層，污水在床體內部水平流動。布水區和集水區的寬度均為40cm，內部分別填充直徑為2～5cm的卵石，集水區底部安裝一根多孔集水管，且與外部一根出水高度可調的豎管相聯接。
　　經測定床體平均孔隙率為50%，填充爐渣的水力傳導系數為3.47×10^-3mm/s。為了比較不同水生植物的處理效果，在各單元床體種植了不同的植物(具體布置見表1)，其中1號床為空白對照。

表1 各單元床體的植物布置方式 項目 1號 2號 3號 4號 植物種類 無 蘆葦 前1/3段為蘆葦，后2/3段為茭白 前1/3段為蘆葦，后2/3段為菖蒲 種植密度(株/m²) 　 16 蘆葦：16，茭白：12 蘆葦：16，菖蒲：20

1.2 植物栽培
　　試驗選用滇池流域常見的水生植物：蘆葦、茭白和菖蒲。2001年2月底在滇池附近的沼澤地 選擇20cm×20cm×40cm(長×寬×高)的帶土芽尖并將其移植到各單元床體(種植密度見表1)，栽完后立即充水并使根部浸泡在水中，半個月后開始進污水^[2]。
1.3 試驗條件
　　試驗所用污水來自該示范控制區某溝渠的下游段(該溝渠的水流經農田和村鎮，最后進入滇池)，以生活污水為主，混有一部分農田排灌水及雨水，其特點是污染物濃度低于生活污水，但水量很大。系統運行期間的進水水質見表2，運行條件見表3。試驗過程中參照國家環保局的推薦方法分析COD、TN、氨氮和TP等水質指標(每周1～2次)。

表2 污水水質 COD(mg/L) TN(mg/L) 氨氮(mg/L) TP(mg/L) ?DO( mg/L) pH 50～80 2～8 2～4 0.5～1.0 0.5～1.0 7.0～8.0

表3 　運行條件 水力負荷(cm/d) COD負荷［g/(m²·d)］ TN負荷［g/(m²·d)］ TP負荷［g/(m²·d)］ 停留時間(d) 30 21.6 1.97 0.21 1

2 結果與討論

2.1 對污染物的去除效果
　　濕地系統中具有沉降性的有機物通過沉積和過濾可很快被去除，可溶性有機物主要通過微生物的降解而去除，氮則是通過硝化與反硝化反應及水生植物的吸收而被去除，而磷的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收^［1］。值得指出的是復合生態床中的植物長勢非常良好，在4個月內蘆葦、茭白和菖蒲分別由0.4m長高到2.0、2.5和1.2m，而且枝葉繁密，生長速度明顯高于天然環境中的植株。?
　　人工復合生態床對污染物的去除效果見表4。

表4 人工復合生態床對污染物的去除效果 床號 COD ?TN 氨氮 TP? 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 1 61～72 23～30 55.6～62.6(59.6) 4.9～7.8 3.0～4.8 38.5～60.0(50.4) 1.9～?2.8 0.4～1.1 62.7～82.8(70.8) 0.58～0.97 0.24～0.32 54.0～58.7(55.0) 2 16～26 62.9～73.8(68.6) 1.9～3.4 55.5～62.7(59.0) 0.2～0.7 76.4～87.5(83.0) 0.20～0.29 61.8～66.0(65.0) 3 15～23 67.1～75.4(70.6) 1.8～3.2 57.0～64.0(60.6) 0.3～0.8 72.5～86.4(80.9) 0.19～0.28 62.2～67.2(66.0) 4 19～26 62.9～69.1(66.4) 1.9～3.5 54.4～61.3(57.7) 0.4～0.8 70.8～81.3(78.7) 0.21～0.29 60.8～65.1(63.2)

注： “去除率”一欄中括號內為平均值。

　　從表4可以看出，2、3號床對污染物的去除效果較好，1號空白床的去除效率最低。這是因為水生植物都有通過水面上的枝葉從大氣中吸收和輸送氧氣的能力，它們把氧氣送到根部的氣體導管，所以與根或莖直接接觸的土壤會呈好氧狀態，其他部位的土壤則呈厭氧狀態，這為土壤中各種不同微生物提供了適宜的環境，從而促進污染物的降解；而空白濕地上無植物生長且長期被淹沒，土壤幾乎都呈厭氧狀態，不利于多種微生物的生長。另外污水處理系統中的植物被認為是一個營養貯存庫，植物吸收營養維持生長和繁殖(這些營養物基本來自污水中的有機物、氮和磷)，植物生長得越快則污染物減少得越多。?
2.2 植物栽種方式的比較
　　 復合生態床中除2號床全部種植蘆葦以外，其他均采用混種方式。從表4可知，3號床除污效 果最好、2號床次之、4號床則低于上述兩床。?
　　以上結果說明，多種植物組合能發揮不同植物的優勢，符合濕地植物的多樣性規律，有利于床體對污染物的去除。4號床的除污效果低于2、3號床是由于菖蒲與蘆葦、茭白相比個體矮小(平均高度為1.2m)且分孽很少，另外菖蒲的匍匐根雖然很粗大，但其只在土壤淺層蔓延、扎根不深，因此傳氧能力較低。蘆葦和茭白的根系發達并且深淺交錯、輸氧能力強，特別是在蘆葦濕地系統中傳輸氧的能力更強，因為蘆葦的根莖是垂直向下地延伸生長，具有非常強的穿透性。系統運行120d后對植物根系的生長狀況進行了測定，結果顯示蘆葦的根莖深度為30～50cm,根系發達且四處穿插；茭白的根莖深度為40～50cm,根莖粗大，其上長有許多根須；菖蒲的根莖深度為10～15cm,縱向多為根須。
2.3 氧化還原電位(ORP) 比較
　　在植物穩定生長期間測定了出水DO和床體的ORP，結果見表5。

表5 各床體ORP及出水DO? 項 目 1號 2號 3號 4號 出水DO(mg/L) 0.7 1.5 1.3 1.1 床體ORP(mV) -200 -48 -84 -120

　　由表5可知，除空白床外的各床體出水DO濃度略高于進水(0.5～1.0mg/L),表明植物對床體有一定的輸氧作用，其中2號床?DO最高，3、4號床次之。床體內部的ORP均為負值，可見床體總體上處于還原態，內部供氧不足，這種條件有利于反硝化而不利于硝化及好氧反應。比較各單元床體的ORP發現2號床最高，3、4號床次之，1號床最低，說明植物床中蘆葦的輸氧能力最強，而空白床中因為無植物輸氧作用則處于嚴重的缺氧狀態。?
　　從以上分析可知，2、3號床體是較為適宜的人工復合生態床形式，3號床對各污染物的去除綜合效果最好，而且種植的茭白具有一定的經濟價值。?
2.4　植物對脫氮、 除磷的作用
　　濕地系統中氮的脫除主要包括作物吸收、生物脫氮以及氮的揮發。生活污水中的氮通常以有機氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在。在土壤—植物系統中，有機氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下轉化為銨態氮，由于土壤顆粒帶有負電荷，銨離子很容易被吸附，土壤微生物通過硝化作用將銨離子轉化為NO₃^-，土壤又可恢復對銨離子的吸附功能。土壤對帶負電荷的NO₃^-沒有吸附截留能力，NO₃^-可以被植物根系吸收而成為植物營養成分或通過反硝化最終轉化為N₂或者N₂O而揮發掉。濕地系統中磷的去除主要包括形成不溶性的鈣、鐵、鋁等化合物的沉淀以及植物的吸收。采用潛流式系統時選用適宜的土壤和介質可使除磷效果更好，含有一定量粘土或介質中有鐵、鋁離子存在時可進一步提高除磷效果^［1］。?
　　在試驗進行的第120天對系統中植物的各項參數進行了測定，結果見表6、7。

表6 　各植物的氮、 磷含量和含水率 項 目 蘆葦 茭白 菖蒲 全氮* 2.90 2.34 2.04 全磷* 0.30 0.25 0.32 含水率 61.25 53.81 61.47 注： *干物質含量。

表7 各床體植物的收割量( 濕重)　　　　　 kg? 床號 蘆葦 茭白 菖蒲 1號 　 　 　 2號 20.8 　 　 3號 7.9 16.7 　 4號 9.6 　 5

　　由表6、7可計算出運行期間通過植物吸收所去除的總氮量(N_plant)和總磷量 (P_plant)。由進、出水總氮和總磷濃度和進、出水流量可以得到在此期間的總氮投配總量(N_in)和排放總量(N_out)、總磷的投配總量(P_in)和排放總量(P_out)。試驗系統采用的填充土壤的pH值為中性，所以可以忽略氮的揮發損失，由此可得到系統運行期間通過生物脫氮而去除的氮量N_b=N_in-N_plant-N_out以及通過沉淀和介質吸附去除的磷量P_a＝P_in-P_plant-P_out，計算結果如圖2、3所示。?

　　從圖2可以看出，通過反硝化去除的總氮量占投配總氮量的40%左右，可見反硝化是脫氮的主要途徑；植物吸收的總氮量占投配總氮量的10%～19%，也是脫氮的重要途徑。從圖3可知，由沉淀和吸附去除的磷量占投配量的50%左右(是除磷的主要途徑)，植物吸收則占9%～16%左右。
　　通過比較可知，3號床中植物對氮、磷的吸收最大，4號床最小。因為3號床中的植物特別是茭白的生長量最大，而4號床中的菖蒲由于植株矮小，生長量最小，這也從另一個角度說明了為什么3號床對污染物的去除效果較好。由此可見，茭白對氮、磷的吸收能力強，蘆葦則介于二者之間，但蘆葦的根系輸氧作用強。鑒于水生植物對污水中的氮、磷具有一定吸收能力，定期收割人工復合生態床中的植物也能促進系統對氮、磷的去除。?
2.5　對污染物削減量的計算
　　以試驗所用排污溝渠為例，對人工復合生態床的污染物削減量進行了計算。污水流量為10m³/h即(240m³/d)，按3號床的處理效果計算，水力負荷為30cm/d時的處理系統所 需占地面積為800m²，對COD、N和TP的平均去除量分別為15.25、1.193和0.134g/(m²·d)，可削減COD、TN和TP量分別為4.45、0.35和0.039t/a，與一般濕地系統相比，該工藝水力負荷高、占地面積小。

3 結論

　　① 在高水力負荷(30cm/d)條件下各單元床體出水水質較好，對COD、TN、氨氮和TP的去除率分別為59.6%～70.6%、50.4%～60.6%、70.8%～83.0%和55.0%～66.0%。人工復合生態床對COD、TN和TP去除量分別為15.25、1.193和0.134g/(m²·d)。
　　② 蘆葦具有較強的輸氧能力，茭白具有較強的吸收氮、磷的能力，因此蘆葦與茭白混種是一種較好的植物種植方式。

參考文獻：

　　［1］高振民，李憲法.城市污水土地處理利用設計手冊［M］.北京：中國標準出版社，1991.
　　［2］丁庭華.污水蘆葦濕地處理系統示范工程的研究［J］.環境科學，1991,13(2)：8-13.

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　　作者簡介：劉超翔(1974- )，男，湖北鄂州人，清華大學在讀博士研究生，研究方向為水污染控制。
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　　收稿日期：2002-02-25