利用人工湿地处理重污染河水中试试验研究

利用人工湿地处理重污染河水中试试验研究

王 雪 阮晓红
（ 河海大学环境科学与工程学院， 江苏省南京市 210098 ）

　　摘 要：本文对人工湿地处理重污染河水进行了中试规模试验研究，苏省新沂河作为中试试验场。试验结果表明，对于重污染的河水，人工湿地对有机污染物、NH₄⁺-N及色度均有较好的处理能力，处理效果稳定，具有较强的抗冲击负荷的能力。特别对于NH₄⁺-N，去除率近90%。有机净化负荷及NH₄⁺-N净化负荷均随着负荷的增加而增加，表明系统仍有较大的剩余净化容量可供利用。
　　关键词：人工湿地；污水处理；重污染河水

1 引言

　　人工湿地（Constructed Wetland, CW）污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术^[1]，它的原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净选择江化^[2]。它具有处理效果好（其对BOD₅的去除率可达85%～95%，COD的去除率可达80%以上，处理出水的BOD₅可小于10mg/L、SS可小于20mg/L、对TN和TP的去除率分别可达60%和90%^[3]）、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低（其基建和运转费用分别为传统二级活性污泥法处理工艺的1/10至1/2）以及对负荷变化适应能力强等主要特点，比较适合技术管理水平不高、规模较小的城镇或乡村的污水处理^[4]。
　　新沂河西起骆马湖蟑山闸，向东流经宿迁、沭阳、新沂、灌云、灌南等市（县），最后流入黄海，全长144km，河床宽约2500至2800m左右。是江苏省典型的束水行洪河道，在非行洪期，新沂河中仅南北中三个宽不足百米的泓道维持一定的水量。90年代以来，来自江苏新沂市和山东部分地区的工业废水及城市生活污水沿沭河下泄进入新沂河，造成淮沭河-沭新河-蔷薇河、叮当河、盐河这3条供水河流严重污染，使连云港市成为时段性水质型缺水城市。为解决连云港市供水问题，江苏省政府采用了清污分流方案，新沂河沿线水利工程设施见图1。方案应急性地解决了供水区域内的水质问题，但工程实施运行后，上游污水集中归入污水专道内下泄，沿程没有采取任何处理措施，排污专道内高浓度的污水对沿程生态环境，特别是入海口近海生态环境的影响显著，近年曾发生大面积紫菜和鱼类死亡事件，给当地的居民和养殖户造成重大损失。新沂河地处江苏省北部，属经济欠发达地区，同时新沂河沿线有大片滩地，按照行洪要求，新沂河滩地每年限种一季（冬小麦）外，其余季节不允许耕作，并且新沂河下游也有大片闲置荒地可供开发使用。因此，适宜采用占地面积大，但投资少、运行费用低、管理水平要求低的人工湿地污水生态处理工艺处理新沂河污水^[5]。
　　不少学者已对人工湿地处理生活污水和工业废水进行了大量研究，但将人工湿地用于被污染的河水处理仍研究的较少，本研究依托江苏省环境保护厅“新沂河污染河水处理及控制方案研究”重大课题及江苏省环境保护厅及水利厅联合资助的“新沂河生态治理示范工程”，重点研究了人工湿地对重污染的新沂河水COD_Mn、NH₄⁺-N及色度的去除，研究不同参数对处理效果的影响，为新沂河污水处理的总体方案及江苏省类似被重污染的河水治理提供必要的参数与经验。

图1 新沂河沿线水利工程设施示意图

2 中试试验系统及方法

2.1 中试试验系统
　　 (1) 平面布置
　　推流式人工湿地及复合流式人工湿地的平面布置见图2。推流式人工湿地处理面积为450m²，共分为3级，每级长15 m，宽10m，总长45m，长宽比为3:1。为防止短流的发生和保证配水的均匀性，各级湿地间用0.5m宽由40～80mm粗砾石组成的重布水带分隔。同时，在床体底部设置了1%的底坡，以保证污水在湿地床内流动的顺畅。复合流式人工湿地处理面积为300m²，系统共分为两级——下行池和上行池，两池的交界处上部用砖墙隔开，污水通过隔水墙下部的砾石缝隙，可以从下行池流入上行池。上行池和下行池的净尺寸均为15m×10m。湿地床底坡度1%。

图2 推流和复合流人工湿地中试工程平面布置图

　　(2) 剖面布置与基质
　　推流式人工湿地剖面如图3所示，推流人工湿地填料层的总厚度为75cm，其中表层为20cm厚的0～4mm粗砂，下层填料三级湿地床所选用的各不相同，第一级为30～50mm大砾石，第二级为10～30mm粗砾石，第三级为5～10mm砾石，厚度均为55cm。

图3 推流式人工湿地剖面图

　　复合流人工湿地剖面如图4所示，复合流人工湿地床选用的填料主要为0～4mm粗砂，下行池和上行池的粗砂厚度分别为45cm和35cm。为了保证下行池的出水和上行池底部配水的均匀性，在湿地床的底部铺设20cm厚的40～80mm的粗砾石。而为了实现粗砂和粗砾石的过渡，在粗砂和粗砾石的中间铺设了20cm厚的10～30mm大砾石。

图4 复合流人工湿地剖面图

2.2 中试试验工艺流程
　　由于新沂河属平原河流，自然条件下的流速已较小。位于试验基地上游大约700m处有一大型水利枢纽工程——沭阳地涵，在其控制下其上游形成了一个很大的河道稳定塘，大量的悬浮物在这里已得到大量的去除。因此本流程省去了人工湿地一般都必须设置的预沉淀处理设施。
　　人工湿地的中试试验的工艺流程如图5所示，污水用潜污泵从新沂河岸边的水塘抽至配水池，由配水池向各个系统进行配水。污水经人工湿地处理并汇集到出水池后，自流回到新沂河。

图5 人工湿地中试实验工程工艺

2.3 中试试验运行条件
　　中试工程的位置位于江苏沭阳沂河大桥北侧、沭阳排污地涵南侧。试验期间，除了对系统的进出水流量进行适当控制外，整个系统完全在自然条件下运行。两个系统的运行负荷如表1所示。

表1 人工湿地系统运行负荷表

湿地类型 水力负荷m³/(m²·d)

COD_Mn负荷g/(m²·d)

NH₄^＋-N负荷g/(m²·d) 推流式人工湿地 0.06～0.16 0.65～18.24 0.08～3.84 复合流人工湿地 0.09～0.23 0.98～25.41 0.13～5.77

2.4 试验水质
　　试验采用的污水均是新沂河北泓沭阳地涵下游的污染河水，该河水主要受上游的新沂造纸厂、化肥厂、农药厂、酒厂和电化厂等企业排放的工业废水及新沂市生活污水的污染。受王庄闸和沭阳地涵的开关闸影响，该污水的水量水质变化都很大，试验期间的污染河水浓度变化范围如表2所示。

表2 中试试验进水浓度表（mg/L）

pH 温度(℃) 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 试验结果与讨论

3.1 COD_Mn的去除效果

　　试验过程中，推流式人工湿地和复合流人工湿地进出、水水质COD_Mn浓度变化曲线见图6。

　　

图6 人工湿地进、出水COD_Mn浓度对比分析图

　　由图6可知，人工湿地对COD_Mn仍然有较好的去除效果，在进水浓度为7.35～117.28mg/L时，从出水的水质上看，推流式人工湿地的出水浓度1.86～61.06mg/L，平均出水浓度为17.07mg/L，复合流人工湿地的出水比推流式人工湿地更稳定而且浓度更低，出水浓度在3.44～32.44mg/L之间，平均出水浓度为10.82mg/L，这说明人工湿地对被污染的河水具有良好的抗冲击能力。推流式人工湿地的去除率为2.58～91.58％，平均为53.13％；复合流人工湿地的去除率为9.48～90.59％，平均为68.21％。
　　 3.2 有机负荷对COD_Mn净化负荷的影响

图7 推流式人工湿地有机负荷对净化负荷的影响 图8复合流式人工湿地有机负荷对净化负荷的影响

　　在水力负荷为0.06m³/m².d的条件下，有机负荷对COD_Mn净化负荷的影响见图7、图8。其它水力负荷条件下有机负荷对COD_Mn净化负荷的影响与图7图8类似。
　　从图7、图8可知，COD_Mn净化负荷随着有机负荷的增加而增加，呈线性关系，这说明在一定的水力负荷条件下，COD_Mn的净化负荷符合一级动力学模型。
3.3 NH₄^＋-N的去除效果
　　试验过程中，推流式人工湿地和复合流人工湿地进出、水水质NH₄⁺-N浓度变化曲线见图9。

图9 人工湿地进出水NH₄⁺-N浓度对比分析图

　　由图9可知，人工湿地对NH₄⁺-N的去除效果非常高，在进水浓度为1.30～24.71mg/L时，推流式人工湿地的出水浓度0.05～2.46mg/L，平均出水浓度为0.78mg/L，推流式人工湿地的去除率为71.35～96.52％，平均为88.97％，去除率大于80%的比例高达95%。复合流人工湿地的出水浓度在0.10～2.16mg/L之间，平均出水浓度为0.68mg/L，去除率为69.69～97.95％，平均为89.63％，去除率大于80%的比例高达92%。这说明人工湿地对NH₄⁺-N有很强的去除能力和耐冲击能力。
3.4 NH₄^＋-N负荷对NH₄^＋-N净化负荷的影响
　　在水力负荷为0.06m³/m².d的条件下，NH₄⁺-N负荷对NH₄⁺-N净化负荷的影响见图10、图11。其它水力负荷条件下NH₄⁺-N负荷对NH₄⁺-N净化负荷的影响与图10图11类似。

图10推流式人工湿地NH₄⁺-N负荷对净化负荷的影响 图11复合流式人工湿地NH₄⁺-N负荷对净化负荷的影响

　　从图10、图11可以看出，NH₄⁺-N净化负荷随着NH₄⁺-N负荷的增加而增加，与有机负荷的影响类似，也呈线性关系。
3.5 色度的去除效果
　　试验过程中，推流式人工湿地和复合流人工湿地进出、水色度变化曲线见图12。

图12 人工湿地进出水色度值对比分析图

　　由图12可知，人工湿地对色度的去除也能取得很好的效果，在进水色度为100～500度时，两个系统的去除率均在60％以上。其中推流湿地对色度的去除率为25.00～92.22％，平均为67.90％；复合流湿地的去除率为30.00～96.67％，平均为83.45％。

4 小结

　　通过以上的试验结果可以看出，对于重污染的河水，人工湿地对有机污染物、NH₄⁺-N及色度均有较好的处理能力，处理效果稳定，具有较强的抗冲击负荷的能力。特别对于NH₄⁺-N，去除率近90%。
　　有机净化负荷及NH₄⁺-N净化负荷均随着负荷的增加而增加，呈线性关系，从直线的上升趋势可以预见，系统还有较大的剩余净化容量可以利用。

参考文献
1） Yonika D and Lowry P. Wetland disposal of waste water treatment plant effluent. Interdiscip. Environment planting Ino. Wetland. Moss. 1978.
2） Tennesse Valley Authority. River Basin Operations for Treatment of Municipal Wastewater, Monitory Report for the period: March 1988 to October 1989, 1990; 5.
3） United States Environmental Protection Agency. Subsurface Flow Constructed Wetlands for Wastewater Treatment A Technology Assessment. July 1993.
4） 张毅敏，张永春. 利用人工湿地治理太湖流域小城镇生活污水可行性研讨，农业环境保护，1998，17(5)：232～234
5） 阮晓红等，新沂河污染河水处理及控制方案研究开题报告及中试工程设计，2002.5

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　　作者简介：王雪，男，1970年9月生，2000年毕业于南京理工大学获得应用化学博士学位，毕业后在河海大学环境工程系工作，主要从事环境影响评价规划、水处理等方面的教学科研工作。
　　通讯地址：江苏省南京市西康路1号河海大学环境科学与工程学院环境工程系 邮编：210098
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