利用人工濕地處理重污染河水中試試驗(yàn)研究

王 雪 阮曉紅
（ 河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇省南京市 210098 ）

　　摘 要：本文對人工濕地處理重污染河水進(jìn)行了中試規(guī)模試驗(yàn)研究，蘇省新沂河作為中試試驗(yàn)場。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于重污染的河水，人工濕地對有機(jī)污染物、NH₄⁺-N及色度均有較好的處理能力，處理效果穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷的能力。特別對于NH₄⁺-N，去除率近90%。有機(jī)凈化負(fù)荷及NH₄⁺-N凈化負(fù)荷均隨著負(fù)荷的增加而增加，表明系統(tǒng)仍有較大的剩余凈化容量可供利用。
　　關(guān)鍵詞：人工濕地；污水處理；重污染河水

1 引言

　　人工濕地（Constructed Wetland, CW）污水處理技術(shù)是70年代末發(fā)展起來的一種污水處理新技術(shù)^[1]，它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物之間的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對污水的高效凈選擇江化^[2]。它具有處理效果好（其對BOD₅的去除率可達(dá)85%～95%，COD的去除率可達(dá)80%以上，處理出水的BOD₅可小于10mg/L、SS可小于20mg/L、對TN和TP的去除率分別可達(dá)60%和90%^[3]）、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、工程基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低（其基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用分別為傳統(tǒng)二級活性污泥法處理工藝的1/10至1/2）以及對負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)等主要特點(diǎn)，比較適合技術(shù)管理水平不高、規(guī)模較小的城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村的污水處理^[4]。
　　新沂河西起駱馬湖蟑山閘，向東流經(jīng)宿遷、沭陽、新沂、灌云、灌南等市（縣），最后流入黃海，全長144km，河床寬約2500至2800m左右。是江蘇省典型的束水行洪河道，在非行洪期，新沂河中僅南北中三個寬不足百米的泓道維持一定的水量。90年代以來，來自江蘇新沂市和山東部分地區(qū)的工業(yè)廢水及城市生活污水沿沭河下泄進(jìn)入新沂河，造成淮沭河-沭新河-薔薇河、叮當(dāng)河、鹽河這3條供水河流嚴(yán)重污染，使連云港市成為時段性水質(zhì)型缺水城市。為解決連云港市供水問題，江蘇省政府采用了清污分流方案，新沂河沿線水利工程設(shè)施見圖1。方案應(yīng)急性地解決了供水區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)問題，但工程實(shí)施運(yùn)行后，上游污水集中歸入污水專道內(nèi)下泄，沿程沒有采取任何處理措施，排污專道內(nèi)高濃度的污水對沿程生態(tài)環(huán)境，特別是入海口近海生態(tài)環(huán)境的影響顯著，近年曾發(fā)生大面積紫菜和魚類死亡事件，給當(dāng)?shù)氐木用窈宛B(yǎng)殖戶造成重大損失。新沂河地處江蘇省北部，屬經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，同時新沂河沿線有大片灘地，按照行洪要求，新沂河灘地每年限種一季（冬小麥）外，其余季節(jié)不允許耕作，并且新沂河下游也有大片閑置荒地可供開發(fā)使用。因此，適宜采用占地面積大，但投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、管理水平要求低的人工濕地污水生態(tài)處理工藝處理新沂河污水^[5]。
　　不少學(xué)者已對人工濕地處理生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行了大量研究，但將人工濕地用于被污染的河水處理仍研究的較少，本研究依托江蘇省環(huán)境保護(hù)廳“新沂河污染河水處理及控制方案研究”重大課題及江蘇省環(huán)境保護(hù)廳及水利廳聯(lián)合資助的“新沂河生態(tài)治理示范工程”，重點(diǎn)研究了人工濕地對重污染的新沂河水COD_Mn、NH₄⁺-N及色度的去除，研究不同參數(shù)對處理效果的影響，為新沂河污水處理的總體方案及江蘇省類似被重污染的河水治理提供必要的參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)。

圖1 新沂河沿線水利工程設(shè)施示意圖

2 中試試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 中試試驗(yàn)系統(tǒng)
　　 (1) 平面布置
　　推流式人工濕地及復(fù)合流式人工濕地的平面布置見圖2。推流式人工濕地處理面積為450m²，共分為3級，每級長15 m，寬10m，總長45m，長寬比為3:1。為防止短流的發(fā)生和保證配水的均勻性，各級濕地間用0.5m寬由40～80mm粗礫石組成的重布水帶分隔。同時，在床體底部設(shè)置了1%的底坡，以保證污水在濕地床內(nèi)流動的順暢。復(fù)合流式人工濕地處理面積為300m²，系統(tǒng)共分為兩級——下行池和上行池，兩池的交界處上部用磚墻隔開，污水通過隔水墻下部的礫石縫隙，可以從下行池流入上行池。上行池和下行池的凈尺寸均為15m×10m。濕地床底坡度1%。

圖2 推流和復(fù)合流人工濕地中試工程平面布置圖

　　(2) 剖面布置與基質(zhì)
　　推流式人工濕地剖面如圖3所示，推流人工濕地填料層的總厚度為75cm，其中表層為20cm厚的0～4mm粗砂，下層填料三級濕地床所選用的各不相同，第一級為30～50mm大礫石，第二級為10～30mm粗礫石，第三級為5～10mm礫石，厚度均為55cm。

圖3 推流式人工濕地剖面圖

　　復(fù)合流人工濕地剖面如圖4所示，復(fù)合流人工濕地床選用的填料主要為0～4mm粗砂，下行池和上行池的粗砂厚度分別為45cm和35cm。為了保證下行池的出水和上行池底部配水的均勻性，在濕地床的底部鋪設(shè)20cm厚的40～80mm的粗礫石。而為了實(shí)現(xiàn)粗砂和粗礫石的過渡，在粗砂和粗礫石的中間鋪設(shè)了20cm厚的10～30mm大礫石。

圖4 復(fù)合流人工濕地剖面圖

2.2 中試試驗(yàn)工藝流程
　　由于新沂河屬平原河流，自然條件下的流速已較小。位于試驗(yàn)基地上游大約700m處有一大型水利樞紐工程——沭陽地涵，在其控制下其上游形成了一個很大的河道穩(wěn)定塘，大量的懸浮物在這里已得到大量的去除。因此本流程省去了人工濕地一般都必須設(shè)置的預(yù)沉淀處理設(shè)施。
　　人工濕地的中試試驗(yàn)的工藝流程如圖5所示，污水用潛污泵從新沂河岸邊的水塘抽至配水池，由配水池向各個系統(tǒng)進(jìn)行配水。污水經(jīng)人工濕地處理并匯集到出水池后，自流回到新沂河。

圖5 人工濕地中試實(shí)驗(yàn)工程工藝

2.3 中試試驗(yàn)運(yùn)行條件
　　中試工程的位置位于江蘇沭陽沂河大橋北側(cè)、沭陽排污地涵南側(cè)。試驗(yàn)期間，除了對系統(tǒng)的進(jìn)出水流量進(jìn)行適當(dāng)控制外，整個系統(tǒng)完全在自然條件下運(yùn)行。兩個系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷如表1所示。

表1 人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷表

濕地類型 水力負(fù)荷m³/(m²·d)

COD_Mn負(fù)荷g/(m²·d)

NH₄^＋-N負(fù)荷g/(m²·d) 推流式人工濕地 0.06～0.16 0.65～18.24 0.08～3.84 復(fù)合流人工濕地 0.09～0.23 0.98～25.41 0.13～5.77

2.4 試驗(yàn)水質(zhì)
　　試驗(yàn)采用的污水均是新沂河北泓沭陽地涵下游的污染河水，該河水主要受上游的新沂造紙廠、化肥廠、農(nóng)藥廠、酒廠和電化廠等企業(yè)排放的工業(yè)廢水及新沂市生活污水的污染。受王莊閘和沭陽地涵的開關(guān)閘影響，該污水的水量水質(zhì)變化都很大，試驗(yàn)期間的污染河水濃度變化范圍如表2所示。

表2 中試試驗(yàn)進(jìn)水濃度表（mg/L）

pH 溫度(℃) 色度(度) COD_Mn NH₄^＋-N 6.4～8.2 4.0～27.0 100～500 7.35～117.28 1.30～24.71

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 COD_Mn的去除效果

　　試驗(yàn)過程中，推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕地進(jìn)出、水水質(zhì)COD_Mn濃度變化曲線見圖6。

　　

圖6 人工濕地進(jìn)、出水COD_Mn濃度對比分析圖

　　由圖6可知，人工濕地對COD_Mn仍然有較好的去除效果，在進(jìn)水濃度為7.35～117.28mg/L時，從出水的水質(zhì)上看，推流式人工濕地的出水濃度1.86～61.06mg/L，平均出水濃度為17.07mg/L，復(fù)合流人工濕地的出水比推流式人工濕地更穩(wěn)定而且濃度更低，出水濃度在3.44～32.44mg/L之間，平均出水濃度為10.82mg/L，這說明人工濕地對被污染的河水具有良好的抗沖擊能力。推流式人工濕地的去除率為2.58～91.58％，平均為53.13％；復(fù)合流人工濕地的去除率為9.48～90.59％，平均為68.21％。
　　 3.2 有機(jī)負(fù)荷對COD_Mn凈化負(fù)荷的影響

圖7 推流式人工濕地有機(jī)負(fù)荷對凈化負(fù)荷的影響 圖8復(fù)合流式人工濕地有機(jī)負(fù)荷對凈化負(fù)荷的影響

　　在水力負(fù)荷為0.06m³/m².d的條件下，有機(jī)負(fù)荷對COD_Mn凈化負(fù)荷的影響見圖7、圖8。其它水力負(fù)荷條件下有機(jī)負(fù)荷對COD_Mn凈化負(fù)荷的影響與圖7圖8類似。
　　從圖7、圖8可知，COD_Mn凈化負(fù)荷隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而增加，呈線性關(guān)系，這說明在一定的水力負(fù)荷條件下，COD_Mn的凈化負(fù)荷符合一級動力學(xué)模型。
3.3 NH₄^＋-N的去除效果
　　試驗(yàn)過程中，推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕地進(jìn)出、水水質(zhì)NH₄⁺-N濃度變化曲線見圖9。

圖9 人工濕地進(jìn)出水NH₄⁺-N濃度對比分析圖

　　由圖9可知，人工濕地對NH₄⁺-N的去除效果非常高，在進(jìn)水濃度為1.30～24.71mg/L時，推流式人工濕地的出水濃度0.05～2.46mg/L，平均出水濃度為0.78mg/L，推流式人工濕地的去除率為71.35～96.52％，平均為88.97％，去除率大于80%的比例高達(dá)95%。復(fù)合流人工濕地的出水濃度在0.10～2.16mg/L之間，平均出水濃度為0.68mg/L，去除率為69.69～97.95％，平均為89.63％，去除率大于80%的比例高達(dá)92%。這說明人工濕地對NH₄⁺-N有很強(qiáng)的去除能力和耐沖擊能力。
3.4 NH₄^＋-N負(fù)荷對NH₄^＋-N凈化負(fù)荷的影響
　　在水力負(fù)荷為0.06m³/m².d的條件下，NH₄⁺-N負(fù)荷對NH₄⁺-N凈化負(fù)荷的影響見圖10、圖11。其它水力負(fù)荷條件下NH₄⁺-N負(fù)荷對NH₄⁺-N凈化負(fù)荷的影響與圖10圖11類似。

圖10推流式人工濕地NH₄⁺-N負(fù)荷對凈化負(fù)荷的影響 圖11復(fù)合流式人工濕地NH₄⁺-N負(fù)荷對凈化負(fù)荷的影響

　　從圖10、圖11可以看出，NH₄⁺-N凈化負(fù)荷隨著NH₄⁺-N負(fù)荷的增加而增加，與有機(jī)負(fù)荷的影響類似，也呈線性關(guān)系。
3.5 色度的去除效果
　　試驗(yàn)過程中，推流式人工濕地和復(fù)合流人工濕地進(jìn)出、水色度變化曲線見圖12。

圖12 人工濕地進(jìn)出水色度值對比分析圖

　　由圖12可知，人工濕地對色度的去除也能取得很好的效果，在進(jìn)水色度為100～500度時，兩個系統(tǒng)的去除率均在60％以上。其中推流濕地對色度的去除率為25.00～92.22％，平均為67.90％；復(fù)合流濕地的去除率為30.00～96.67％，平均為83.45％。

4 小結(jié)

　　通過以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于重污染的河水，人工濕地對有機(jī)污染物、NH₄⁺-N及色度均有較好的處理能力，處理效果穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷的能力。特別對于NH₄⁺-N，去除率近90%。
　　有機(jī)凈化負(fù)荷及NH₄⁺-N凈化負(fù)荷均隨著負(fù)荷的增加而增加，呈線性關(guān)系，從直線的上升趨勢可以預(yù)見，系統(tǒng)還有較大的剩余凈化容量可以利用。

參考文獻(xiàn)
1） Yonika D and Lowry P. Wetland disposal of waste water treatment plant effluent. Interdiscip. Environment planting Ino. Wetland. Moss. 1978.
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4） 張毅敏，張永春. 利用人工濕地治理太湖流域小城鎮(zhèn)生活污水可行性研討，農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1998，17(5)：232～234
5） 阮曉紅等，新沂河污染河水處理及控制方案研究開題報(bào)告及中試工程設(shè)計(jì)，2002.5

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　　作者簡介：王雪，男，1970年9月生，2000年畢業(yè)于南京理工大學(xué)獲得應(yīng)用化學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后在河海大學(xué)環(huán)境工程系工作，主要從事環(huán)境影響評價(jià)規(guī)劃、水處理等方面的教學(xué)科研工作。
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