不同季節人工濕地處理污水效果

華昇 陳浩 劉云國

摘要 人工濕地是目前最自然、生態的處理廢水技術。利用人工濕地植物、基質和微生物構成的生態系統，處理廢水中COD、總氮、總磷和氨氮，實現水質凈化。通過連續一年野外試驗發現，不同時期對廢水中污染物的去除效果有較大差別，春夏季對污染物的去除效果好于秋冬季，對不同污染物去除率也存在差異，人工濕地的平均去除率呈現出總磷>總氮>氨氮>COD。此外，美人蕉、菖蒲、銅錢草的耐淹性強，長達35 d，在半淹狀態下90 d，植物形態上與未淹時無明顯的差別，生長良好。該人工濕地造價和運行成本低，單位水量投資成本約為0.20元/（t·d），此人工濕地基本達到了凈化水質、節約能源的目的。

關鍵詞 人工濕地;廢水處理;季節;淹沒

中圖分類號 X703文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0068-05doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.021

Abstract Constructed wetland is the most natural and ecological wastewater treatment technology at present. In this paper， the ecosystem consisting of plants， substrates and microorganisms in constructed wetland system was used to remove COD， total nitrogen， total phosphorus and ammonia nitrogen in wastewater to achieve water purification. The field experiment for one year showed that the removal efficiency of pollutants in wastewater were varied greatly in different periods. The removal efficiency of pollutants in spring and summer was higher than that in autumn and winter. The removal efficiency of different pollutants was also varied. The average removal rate of constructed wetlands showed total phosphorus > total nitrogen > ammonia nitrogen > COD. In addition， Canna indica， Acorus calamus and Strychnos nudicaulis had strong waterlogging resistance for up to 35 days， in the semiflooded state for 90 days， there was no significant difference in plant morphology from that in the nonsubmerged state， and the plant grew well. The construction and operation cost of the constructed wetland was low， and the investment cost per unit water was about 0.20 yuan/（t·d）. This constructed wetland basically achieved the purpose of purifying water quality and saving energy.

Key words Constructed wetland;Wastewater treatment;Season;Flood

隨著工農業發展迅速，廢水排放量驟增。目前處理廢水主要靠污水處理廠，其運行成本高，管理運營復雜，二級污水處理廠的基建投資費用為1 500～2 000元/t，運行費用為0.7～1.2元/t[1]。在較為偏遠的城鎮區域，產生的廢水需要集中收集處理，通過較高費用的管網收集系統，轉移至污水處理廠，因此在遠離市中心管網系統不完善的區域，應采用便捷、經濟、美化的方法處理廢水。近年來，人工濕地在我國逐漸被重視，它具有基建投資費用低、運營低成本、管理維護方便、污染物去除效率高等特點，如若選取合適的植物，能達到凈化水質與綠化觀賞相融合的效果。

基質是人工濕地中重要組成部分，對廢水的凈化有決定性的作用[2]。人工濕地中的基質去除水體中的污染物主要是通過吸收、吸附、過濾、絡合、離子交換等作用實現[3-4]?；|能為微生物提供生存環境，還能為植物生長提供載體，植物根系能通過基質的空隙進行呼吸作用[5]。植物的生長狀況、凈化性能以及植物之間的協同作用對廢水的凈化和污染物的去除有重要作用，植物根區為微生物生長和分解營養物質提供了場所和好氧環境。

筆者選取了常見的效果較佳基質沸石、粉煤灰、石灰石及植物美人蕉、菖蒲、銅錢草為研究對象，研究人工濕地的凈化能力。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

選取桃子湖和靳江河2處進行試驗。桃子湖位于長沙市天馬山景區，岳麓山腳下，主要容納周邊居民生活用水，作為景觀娛樂用水，執行水質Ⅳ類標準;靳江河為湘江支流，選取靳江河一部分作為研究對象，作為生活飲用水源，執行水質Ⅲ類標準。

1.2 材料

試驗所用植物美人蕉（Canna indica）、菖蒲（Acorus calamus）、銅錢草（Strychnos nudicaulis）購自長沙市紅星桃花村花卉市場。

試驗所用基質沸石（zeolite）、石灰石（limestone）和活性炭（activated carbon）購自河南博旭環保公司，粉煤灰（flyash）另購自電廠。

采用具有透水不透泥的生態袋無紡布對基質和河體進行隔離[6]，在水體充分流經基質的前提下保證基質組合的穩定性。

1.3 試驗裝置

試驗區域分為進水區、反應區和出水區，試驗裝置如圖1所示。進水區取2.0 m×0.6 m×0.5 m的矩形水道，污水由進水區進入裝置內，進水區內部放置粉煤灰;反應區挖取5.0 m×1.0 m×0.5 m的矩形水道，并添加少量活性炭等具有強吸附力的物質，在填料層上部預埋上一層填土，將準備好的美人蕉、銅錢草和菖蒲種植在填土上層;出水區用于承接由反應區滲出的水，用以種植水草、水綿等植物，并測試裝置的COD、總氮、總磷和氨氮濃度，與此同時觀察裝置內植物的生長變化。

1.4 樣品采集及測試

試驗周期為2018年3月—2019年2月，2018年3月為試運行期。試驗期間定期測定水樣中的COD、氨氮、總磷和總氮的濃度，同時，觀察記錄不同植物在不同季節的生存情況、耐淹程度等。

水樣中的COD采用重鉻酸鉀法測定;氨氮采用納氏試劑分光光度法測定;總磷采用鉬酸銨分光光度法測定;總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 人工濕地去除效果

2.1.1 人工濕地對總氮的去除率。

由圖2可知，人工濕地在連續1年中的不同時期對廢水中總氮的去除效果有較大差別，廢水經人工濕地處理后總氮含量有所下降。2個濕地系統總氮去除率隨不同月份的變化趨勢基本保持一致。桃子湖人工濕地的總氮去除效率略高于靳江河。夏季5—8月總氮去除率較高，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別達88.3%和77.9%，此階段是微生物繁殖期，植物生長較快;秋冬季10月—次年2月總氮去除率效果較低，桃子湖和靳江河人工濕地最低去除率分別為2.8%和5.7%。

濕地系統中去除總氮的機理有揮發、硝化和反硝化、氨化、植物攝取和基質吸收等，硝化和反硝化是人工濕地系統除氮最常見途徑。濕地系統也可通過多種機理聯合作用達到高效去除總氮的效果。圖2表明，4—8月春末和盛夏環境條件（氣候、濕度等）適合濕地植物和微生物的生長繁殖及新陳代謝，保證人工濕地系統對廢水中氮的去除;在10月—次年2月的秋末和冬季，氣溫低，美人蕉等濕地植物進入萎蔫、凋零狀態，微生物也處在冬眠期，造成濕地系統去除廢水中總氮能力下降。

2.1.2 人工濕地對總磷的去除率。

從圖3可以看出，桃子湖人工濕地在春冬季總磷去除率高于靳江河人工濕地，而在夏秋季出現相反的現象。從試驗開始運行至9月，2處人工濕地去除總磷的效率處于較高水平，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別達80.9%和72.7%;從10月開始，去除率明顯下降，冬季的總磷去除率都處在較低水平，桃子湖和靳江河人工濕地最低去除率分別為25.0%和12.5%。2處人工濕地系統，春夏季總磷去除率優于秋冬季。

人工濕地對廢水中總磷的去除主要是通過基質的吸附作用和系統的過濾作用實現。從圖3可以看出，人工濕地全年總磷去除率都處在較高水平，該試驗采用粉煤灰作為基質上層的填料，可以達到較好的除磷效果。一年中，植物的生長情況對廢水中磷的去除有較大影響，春夏季植物生長旺盛，對磷的吸收增加，可有效去除水中的無機磷酸鹽，進入秋冬季，植物萎蔫，對廢水中磷的吸附下降，植物體內磷元素被微生物分解、釋放，使得總磷去除率降低[7]。

2.1.3 人工濕地對氨氮的去除率。

由圖4可知，試驗一整年過程中，桃子湖人工濕地氨氮去除率總體高于靳江河人工濕地。試驗開始運行至8月，2處人工濕地氨氮的去除率呈上升趨勢，氨氮去除率處在較高水平，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別達93.9%和83.0%;9月，氨氮去除率急速下降，一直到12月，氨氮去除率都處在較低水平，桃子湖和靳江河人工濕地最低去除率分別為10.6%和14.0%。2處人工濕地系統夏季氨氮去除效率最佳，優于春秋冬季。

人工濕地對氨氮的去除與去除總氮的機制類似，一部分是通過植物和基質的吸附和過濾作用，另一部分是微生物硝化和反硝化作用。氮元素作為植物的必需元素，吸收后，能促進植物生長。同時，氨氮也能通過微生物的分解作用達到高效去除，氨氮經過硝化菌的硝化作用后生成NO2-和NO3-，硝酸鹽再經過反硝化細菌的反硝化作用后形成N2或N2O從水中釋放。秋冬季低溫，硝化菌和反硝化菌活性降低，其作用隨之減弱，造成濕地去除率降低。

2.1.4 人工濕地對COD的去除率。

從圖5可以看出，試驗一整年過程中，桃子湖人工濕地COD去除率總體高于靳江河人工濕地。春夏季去除率高于秋冬季，秋季的去除率逐漸下降，而冬季逐漸上升。一整年COD的平均去除率在50%以下，桃子湖和靳江河人工濕地最高去除率分別為63.3%和429%，在11月去除率達到最低值，最低去除率分別為7.1%和13.0%。

人工濕地系統對廢水中COD的去除機制主要包括吸附、吸收和生物降解。菖蒲具有發達的根系，能高效地對不溶性有機物進行截留。廢水經過人工濕地時，基質和植物會對廢水中的不溶性有機物進行阻擋和截留，隨著植物生長和微生物的繁殖，基質表面形成一層生物膜，不溶性有機物逐漸被濕地系統降解;可溶性有機物是通過植物根系吸附、基質吸收和微生物新陳代謝作用被去除[8-9]。春夏季是植物生長最為旺盛的季節，植物根系發達，生長較快，在此時期濕地植物根系的輸氧作用也最強，能促進地下部分好氧微生物對有機物的降解。秋冬季溫度較低，美人蕉凋零，植物根系的輸氧作用降低，微生物活性降低，從而對水體中有機物的去除作用下降。

2.2 人工濕地植物生長情況

2.2.1 人工濕地植物不同時期生長情況。

圖6是不同時期靳江河人工濕地植物的生長狀態。從圖中可以看出，春季濕地系統運行初期，靳江河濕地植物長期處于被淹沒狀態，美人蕉和菖蒲頂部呈綠色，露在水面上，美人蕉和銅錢草正常存活，表明試驗植物的栽培存活率較高，能在河岸漫灘上正常生長。

夏季退水之后，所有濕地植物露出水面，美人蕉、菖蒲和銅錢草恢復生長，并生長迅速，生長量驟增，部分美人蕉在此時期開花。夏季降水較多，植物根莖部長期被水淹沒，但植物仍正常生長，出水水質較好，表明所選植物長期處在被淹狀態仍能維持正常生長，還能對水體中污染物進行去除。

秋初，靳江河濕地植物仍然處在被淹沒狀態，秋末植物莖部才完全露出水面。退水之后，植物生長量下降，美人蕉、菖蒲逐漸萎蔫，銅錢草朝四周蔓延，生長較為旺盛?？傮w而言，秋季植物的吸收作用愈來愈低，吸收速度減慢，水體中各項污染物去除指標下降。

冬初，美人蕉基本枯萎，菖蒲仍有少數未枯萎，銅錢草仍正常生長，冬末，美人蕉、菖蒲、銅錢草基本都已萎蔫。植物死亡后，植株會釋放氮、磷及有機物到人工濕地水體中，使得人工濕地出水中污染物質含量上升，人工濕地污染物去除率下降[10]。

圖7是不同時期桃子湖人工濕地植物的生長狀態。從圖中可以看出，春季濕地植物逐漸生長，美人蕉正常生長，試驗反應區內植物復蘇，生長逐漸茂盛。春季是桃子湖污染最為嚴重的時期，從圖中可以明顯看到試驗區域內水體呈渾濁狀態，污染越嚴重，濕地植物生長越旺盛，說明濕地植物能對廢水中氮、磷、有機物進行有效的吸收，促進植物體自身的生長。

夏初，湖區中心濕地植物生長速度快，生長較為旺盛，應對中心區域濕地植物進行打撈收割。夏季桃子湖進水水質比春季好，濕地植物正常生長，多數美人蕉在該季節開花。夏季降水較多，外部湖區水位上漲，人工濕地出水水質佳，污染物去除率較高，但由于外部湖區荷葉茂盛，水流動性不強，造成外部湖區水質較試驗區水質差。

秋季，濕地植物開始從四周往中心凋零、萎蔫，在秋季植物的吸收作用愈來愈低，吸收速度減慢，各類污染物去除率下降明顯。進入冬季，濕地植物基本上都凋謝。植物死亡后，植株會釋放氮、磷及有機物到人工濕地水體中，使得人工濕地出水中污染物質含量上升，人工濕地污染物去除率下降。進入秋冬季后，植物根部對基質中吸附截留的污染物同化吸收能力減弱，去除主要靠濕地基質的吸附、過濾和截留等物理作用，植物根系對微生物生存環境的改善作用和對濕地污染物的攔截能力減弱。

2.2.2 人工濕地植物耐淹性。

不同淹水條件下，各種濕地植物的表觀特征見表1。5月，水位一直處在全年較高水位，試驗區內植物長期處于全淹狀態，在此狀態維持35 d，濕地植物從正常生長，葉片逐漸開始萎蔫，至大部分葉片泛黃。而當6月退水后，濕地植物又能繼續恢復正常生長狀態，葉、莖、根呈鮮綠色。7、8、9月降水多，河流水量較大，水位上升，再次將濕地植物根莖部覆蓋，維持半淹狀態長達90 d，但美人蕉、菖蒲和銅錢草形態上與未淹時無明顯差別。

在淹水脅迫下，美人蕉、菖蒲和銅錢草有著較強的生理應激能力，完全能夠適應在不同時期水位變化條件下的生長。菖蒲的根系較為發達，能夠起到固土護坡的作用。同時，銅錢草綠葉周期長，美人蕉花期長，能夠在很大程度上提升濕地的景觀效應[11]。

2.3 主要經濟指標

從經濟角度分析，人工濕地對環境的主要貢獻是削減水體中污染物質含量，改善水質。該人工濕地單位水量投資成本為0.20元/（t·d），單位水量運行成本0.04元/（t·d）。人工濕地每年處理有機物的經濟效益較高，1元能處理43.25 g的有機物;其次是處理總氮和氨氮的經濟效益，1元能處理9.70 g的總氮，1元能處理4.70 g的氨氮;處理總磷的經濟效益較差，1元能處理0.66 g的總磷。

3 結論

一年中，人工濕地的平均去除率呈現出總磷>總氮>氨氮>COD，春夏季去除4項指標的效率高于秋冬季。夏季濕地植物生長旺盛，微生物活性強;秋冬季植物逐漸枯萎、凋零，溫度降低，微生物代謝減弱。

選取的3種濕地植物的耐淹性都較強，被水完全淹沒35 d后，植物仍能正常生長，銅錢草生長繁殖速度最快。在半淹狀態下90 d，植物形態上與未淹時無明顯的差別，生長良好。

該人工濕地造價和運行成本低，單位水量投資成本約為0.20元/（t·d），人工濕地每年處理有機物的經濟效益較高，1元能處理43.25 g的有機物。

試驗采用人工濕地處理廢水成本低，管理運行簡單方便。在桃子湖和靳江河的應用結果顯示，人工濕地處理后靳江河出水水質達水質Ⅲ類標準，桃子湖達水質Ⅳ類標準。人工濕地的應用已經達到了凈化水質、節約能源的目的，實現了污染物低排放。

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