表流型人工湿地工程对微污染水源地水质改善的比较研究
导读:：应用于微污染水源地的人工湿地净化技术。通过对河流型水源地主要污染物CODMn和NH3-N为分析指标。为提高冬季湿地净化效果。
关键词：微污染，水源地，生态湿地，净化效果
目前，以生态净化措施为主，辅助其它生物物理净化措施的技术正被广泛应用在微污染原水净化领域。常用的生态净化技术主要有人工湿地、生态草人工介质、生态浮床、浮岛等，其中生态草人工介质、生态浮床及浮岛等技术主要应用于中小型水处理工程[1,2]。人工湿地是一种结合湿地植物、土壤和微生物作用来处理受污染水体的生态技术，由于在大型水处理工程中的优势，作为主要处理技术在微污染原水处理工程领域日益受到重视。
1应用于微污染水源地的人工湿地净化技术
应用于微污染原水处理的成熟可靠的人工湿地主要有潜流型人工湿地和表流型人工湿地技术。潜流型人工湿地具有水平流、垂直流和复合流等多种形式，根据文献[3~5]其具有净化效率高、卫生条件好的优点，但生产应用中存在结构复杂、对进水悬浮物浓度要求高、易堵塞、运行管理复杂、造价高及维护费用高等问题，尤其是堵塞问题，虽然对其研究较多[6]，但还未有成熟的适合于生产应用中的解决办法。
表流型人工湿地是近自然湿地，由于其对进水悬浮物浓度要求不高，不易堵塞，便于管理，造价低等特点，适合于生产应用。常规型表流人工湿地由壕沟和挺水植物床湿地构成，其氧化-还原的交替环境为微生物降解创造条件。水和污染物通过湿地时和土壤、植物根及根区微生物发生作用，产生截留作用。
为提高冬季湿地净化效果，在常规型表流人工湿地的基础上结合四季常绿型沉水植物提出了复合型表流人工湿地技术，其主要是通过挺水植物和四季常绿型沉水植物床构成，水通过植物间隙推流流动。植物间隙为生物膜的构成创造条件。水和污染物通过时和土壤、植物间的生物膜、沉水植物发生作用，产生截留、吸附、吸收作用站。
2表流型人工湿地工程对微污染水源地水质改善效果的比较研究
表流型人工湿地对水源地水质改善效果的研究文献报道较多[7~9]，但在工程应用上的效果研究不多。本次比较研究，选取水网地区、气候相近的长江下游流域A市以常规型表流人工湿地为主要技术新建的饮用水源地工程和B市以复合型表流人工湿地为主要技术新建的饮用水源地工程为研究对象。通过对河流型水源地主要污染物CODMn和NH3-N为分析指标，比较研究两种技术应用于工程上的实施效果。
2.1工程概况
A市新建的饮用水源地工程包括预处理区、常规型表流人工湿地净化区、深度净化区，其中常规型表流人工湿地设计水力负荷为0.23m/d，规模为25万m3/d，运行期间系统为连续进出水，湿地植物以挺水植物-芦苇为主，工程于2008年9月至2009年5月进行了水质监测，每月监测10期，共计监测50期，期间2008年11月对湿地区芦苇进行了收割。
B市新建的饮用水源地工程包括预处理区、复合型表流人工湿地净化区、深度净化区环境保护，其中复合型表流人工湿地设计水力负荷0.64m/d，规模为30万m3/d，运行期间系统为连续进、出水，湿地植物以挺水植物-香蒲和四季常绿型沉水植物-苦草与轮叶黑藻为主。工程于2010年8月至2011年1月进行了水质监测，每月监测8期，共计监测48期，期间2010年11月份对湿地区香蒲进行了收割。
两处工程均为饮用水源地工程，出水水质目标为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中III类标准。
2.2对CODMn净化效果比较分析
两处工程的进水均来自自然河道，监测期工程进出水CODMn平均浓度及去除率如表1，监测期月均进出水CODMn平均浓度及去除率如图1和图2。
表1 湿地进出水CODMn浓度分析
Tab1 the Influent and Effluent CODMn ofthe constructedwetlands
|
名称 |
水力负荷 |
进水浓度(mg/L) |
出水浓度(mg/L) |
去除率 |
|
常规型表流湿地 |
0.23m/d |
6.37±0.68 （4.64~8.16）1） |
5.61±0.70 （4.16~7.84） |
12%±7% （2%~28%） |
|
复合型表流湿地 |
0.64m/d |
5.65±0.49 （4.80~6.80） |
4.82±0.42 （4.00~5.72） |
14%±7% （2%~32%） |
注：1)表中显示值为平均值±方差，括号内为范围。
从表1可以看出，常规型表流人工湿地工程在水力负荷0.23m/d条件下运行对CODMn的平均去除率为12%;复合型表流人工湿地工程在水力负荷0.64m/d条件下运行对CODMn的平均去除率为14%。两工程对CODMn的平均去除率相当，基本在10%左右，说明两种型式的表流人工湿地对河道水源中CODMn的去除率不高。
图1 常规型表流湿地对CODMn去除效果
Fig1 CODMnremoval by the normal surface-flow constructed wetland
从图1可以看出，监测期常规型表流人工湿地工程月均对CODMn的去除率在1月份达到峰值，而11月份湿地中的挺水植物已经被收割，1月份时湿地中已没有芦苇等挺水植物，说明常规型表流湿地去除CODMn的主要动力不是水生植物。
图2 复合型表流湿地对CODMn去除率分析
Fig2 CODMn removal by thecompound surface-flowconstructed wetland
从图2可以看出，监测期复合型表流人工湿地工程月均对CODMn的去除效果的差异不显著，去除率在15%左右，虽然11月份挺水植物已经收割，并且植物的生物量出现明显降低环境保护，但CODMn的去除效果在短期震荡后并未出现明显下降。说明水生植物并不是湿地中CODMn去除的主要动因。
比较图1和图2，虽然两工程进水水质不一样，但对CODMn的去除效果均不高，并且根据月均CODMn去除率分析，湿地内植物不是去除CODMn的主要动因，这与童昌华[10]的研究结论基本一致。
2.2对NH3-N净化效果比较分析
两处工程监测期湿地进水NH3-N浓度差异较大，进出水NH3-N平均浓度及去除率如表2，监测期月均进出水NH3-N平均浓度及去除率如图3和图4。
表2 湿地进出水NH3-N浓度分析
Tab2 the Influent and Effluent NH3-N of the constructed wetlands
|
名称 |
水力负荷 |
进水平均浓度(mg/L) |
出水平均浓度(mg/L) |
平均去除率 |
|
常规型表流湿地 |
0.23m/d |
1.56±0.91 （0.46~4.34） |
1.16±0.85 （0.19~3.83） |
28%±20% （1%~92%） |
|
复合型表流湿地 |
0.64m/d |
0.84±0.57 （0.12~2.48） |
0.20±0.12 （0.05~0.39） |
69%±21% （19%~95%） |
从表2可以看出，常规型表流人工湿地工程在水力负荷0.23m/d条件下运行对NH3-N的平均去除率为28%，复合型表流人工湿地工程在水力负荷0.64m/d条件下运行对NH3-N的平均去除率为69%，水生植物可能是去除NH3-N的主要动因之一，常规型表流湿地中水生植物主要为挺水植物，复合型表流湿地中水生植物除挺水植物外还配置有沉水植物，后者中水生植物与水体接触的表面积高于前者。
图3 常规型表流湿地对NH3-N去除率分析
Fig1 NH3-N removal by the normalsurface-flowconstructed wetland
从图3可以看出，监测期常规型表流人工湿地工程对NH3-N的去除率在3月份出现谷值，2008年9月至2009年3月逐步降低，3月份后升高。对NH3-N的去除率与湿地内水生植物的生物量基本呈现正相关变化，11月份芦苇等挺水植物收割后，湿地内水生植物的生物量呈现逐月降低，3月份芦苇等挺水植物开始萌发，生物量开始增加。说明水生植物是影响湿地对NH3-N去除的主要动因之一。
图4 复合型表流湿地对NH3-N去除率分析
Fig4 NH3-N removal by thecompound surface-flowconstructed wetland
从图4可以看出，监测期复合型表流人工湿地工程对NH3-N的去除效果基本平稳环境保护，虽然11月份由于挺水植物的收割而出现短暂下降，但12月与1月均呈现升高趋势。黎慧娟等人[10]的研究表明弱光环境对苦草生长会产生很大抑制作用。8~11月由于挺水植物对沉水植物的遮光抑制了沉水植物的生长，进而影响NH3-N的去除效果，11月份以后弱光环境的消除刺激了沉水植物的生长，而在浓度阈值范围内，沉水植物的生长可以增加对NH3-N的吸收[11~15]，而童昌华等人[16]的研究表明低温季节沉水植物对氮仍有较好的吸收效果。
3讨论
A市工程与B市工程主要差异为B市工程中增加了沉水植物的布置，若只分析污染物去除率，增加了沉水植物的B市工程有着较好的去除率，但两处工程的进水条件不同，其中进水NH3-N浓度有着较大的差异性，A市工程进水NH3-N浓度范围为0.46~4.34mg/L，B市工程进水NH3-N浓度范围为0.12~2.48mg/L。
金相灿等人[12]的研究表明NH3-N浓度从1.5mg/L时，对轮叶黑藻产生胁迫，影响轮叶黑藻生长，NH3-N浓度为0.2mg/L时轮叶黑藻正常生长。颜昌宙等人[13]的研究表明，培养液中NH3-N浓度超过4mg/L时，轮叶黑藻的相对生长率明显下降。Ni L Y[14]对金鱼藻的实验研究表明，水培条件下1.0mg/L的NH3-N浓度促进金鱼藻的生长，5mg/L的NH3-N浓度开始抑制金鱼藻的生长。
根据前人的研究，沉水植物对NH3-N等污染物的去除和生长适应性具有阈值要求，在污染物浓度阈值范围内可以促进沉水植物的生长并能加速污染物的去除环境保护，若超出浓度阈值范围，沉水植物的生长将受到抑制，并降低对污染物的去除效果。B市工程进水NH3-N浓度正处于阈值范围内，当遮光等限制性因素消除后，B市进水NH3-N浓度促进了沉水植物的生长，进而加速了污染物的去除效果。
工程中对复合型表流人工湿地应用时，应确定进水污染物条件，当进水污染物浓度在植物生长阈值范围内，可以初步选用;当进水污染物浓度超出植物生长阈值时，应首先采取物理、化学、微生物等预处理措施降低污染物浓度至阈值限制值，在植物配置时，顺水流方向按阈值由高向低布置植物。
4结论
①复合型表流人工湿地系统与常规型表流人工湿地系统对CODMn的净化效果基本相当，在10%左右，相对较低，并且湿地内植物系统对CODMn的作用有限。
②阈值范围内，去除弱光等限制条件后低温季节复合型表流人工湿地对NH3-N有较高的净化效率。NH3-N去除效果受植物系统影响显著。
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