表流型人工濕地工程對微污染水源地水質改善的比較研究
導讀:：應用于微污染水源地的人工濕地凈化技術。通過對河流型水源地主要污染物CODMn和NH3-N為分析指標。為提高冬季濕地凈化效果。
關鍵詞：微污染，水源地，生態濕地，凈化效果
目前，以生態凈化措施為主，輔助其它生物物理凈化措施的技術正被廣泛應用在微污染原水凈化領域。常用的生態凈化技術主要有人工濕地、生態草人工介質、生態浮床、浮島等，其中生態草人工介質、生態浮床及浮島等技術主要應用于中小型水處理工程[1,2]。人工濕地是一種結合濕地植物、土壤和微生物作用來處理受污染水體的生態技術，由于在大型水處理工程中的優勢，作為主要處理技術在微污染原水處理工程領域日益受到重視。
1應用于微污染水源地的人工濕地凈化技術
應用于微污染原水處理的成熟可靠的人工濕地主要有潛流型人工濕地和表流型人工濕地技術。潛流型人工濕地具有水平流、垂直流和復合流等多種形式，根據文獻[3~5]其具有凈化效率高、衛生條件好的優點，但生產應用中存在結構復雜、對進水懸浮物濃度要求高、易堵塞、運行管理復雜、造價高及維護費用高等問題，尤其是堵塞問題，雖然對其研究較多[6]，但還未有成熟的適合于生產應用中的解決辦法。
表流型人工濕地是近自然濕地，由于其對進水懸浮物濃度要求不高，不易堵塞，便于管理，造價低等特點，適合于生產應用。常規型表流人工濕地由壕溝和挺水植物床濕地構成，其氧化-還原的交替環境為微生物降解創造條件。水和污染物通過濕地時和土壤、植物根及根區微生物發生作用，產生截留作用。
為提高冬季濕地凈化效果，在常規型表流人工濕地的基礎上結合四季常綠型沉水植物提出了復合型表流人工濕地技術，其主要是通過挺水植物和四季常綠型沉水植物床構成，水通過植物間隙推流流動。植物間隙為生物膜的構成創造條件。水和污染物通過時和土壤、植物間的生物膜、沉水植物發生作用，產生截留、吸附、吸收作用站。
2表流型人工濕地工程對微污染水源地水質改善效果的比較研究
表流型人工濕地對水源地水質改善效果的研究文獻報道較多[7~9]，但在工程應用上的效果研究不多。本次比較研究，選取水網地區、氣候相近的長江下游流域A市以常規型表流人工濕地為主要技術新建的飲用水源地工程和B市以復合型表流人工濕地為主要技術新建的飲用水源地工程為研究對象。通過對河流型水源地主要污染物CODMn和NH3-N為分析指標，比較研究兩種技術應用于工程上的實施效果。
2.1工程概況
A市新建的飲用水源地工程包括預處理區、常規型表流人工濕地凈化區、深度凈化區，其中常規型表流人工濕地設計水力負荷為0.23m/d，規模為25萬m3/d，運行期間系統為連續進出水，濕地植物以挺水植物-蘆葦為主，工程于2008年9月至2009年5月進行了水質監測，每月監測10期，共計監測50期，期間2008年11月對濕地區蘆葦進行了收割。
B市新建的飲用水源地工程包括預處理區、復合型表流人工濕地凈化區、深度凈化區環境保護，其中復合型表流人工濕地設計水力負荷0.64m/d，規模為30萬m3/d，運行期間系統為連續進、出水，濕地植物以挺水植物-香蒲和四季常綠型沉水植物-苦草與輪葉黑藻為主。工程于2010年8月至2011年1月進行了水質監測，每月監測8期，共計監測48期，期間2010年11月份對濕地區香蒲進行了收割。
兩處工程均為飲用水源地工程，出水水質目標為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中III類標準。
2.2對CODMn凈化效果比較分析
兩處工程的進水均來自自然河道，監測期工程進出水CODMn平均濃度及去除率如表1，監測期月均進出水CODMn平均濃度及去除率如圖1和圖2。
表1 濕地進出水CODMn濃度分析
Tab1 the Influent and Effluent CODMn ofthe constructedwetlands
|
名稱 |
水力負荷 |
進水濃度(mg/L) |
出水濃度(mg/L) |
去除率 |
|
常規型表流濕地 |
0.23m/d |
6.37±0.68 （4.64~8.16）1） |
5.61±0.70 （4.16~7.84） |
12%±7% （2%~28%） |
|
復合型表流濕地 |
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)表中顯示值為平均值±方差，括號內為范圍。
從表1可以看出，常規型表流人工濕地工程在水力負荷0.23m/d條件下運行對CODMn的平均去除率為12%;復合型表流人工濕地工程在水力負荷0.64m/d條件下運行對CODMn的平均去除率為14%。兩工程對CODMn的平均去除率相當，基本在10%左右，說明兩種型式的表流人工濕地對河道水源中CODMn的去除率不高。
圖1 常規型表流濕地對CODMn去除效果
Fig1 CODMnremoval by the normal surface-flow constructed wetland
從圖1可以看出，監測期常規型表流人工濕地工程月均對CODMn的去除率在1月份達到峰值，而11月份濕地中的挺水植物已經被收割，1月份時濕地中已沒有蘆葦等挺水植物，說明常規型表流濕地去除CODMn的主要動力不是水生植物。
圖2 復合型表流濕地對CODMn去除率分析
Fig2 CODMn removal by thecompound surface-flowconstructed wetland
從圖2可以看出，監測期復合型表流人工濕地工程月均對CODMn的去除效果的差異不顯著，去除率在15%左右，雖然11月份挺水植物已經收割，并且植物的生物量出現明顯降低環境保護，但CODMn的去除效果在短期震蕩后并未出現明顯下降。說明水生植物并不是濕地中CODMn去除的主要動因。
比較圖1和圖2，雖然兩工程進水水質不一樣，但對CODMn的去除效果均不高，并且根據月均CODMn去除率分析，濕地內植物不是去除CODMn的主要動因，這與童昌華[10]的研究結論基本一致。
2.2對NH3-N凈化效果比較分析
兩處工程監測期濕地進水NH3-N濃度差異較大，進出水NH3-N平均濃度及去除率如表2，監測期月均進出水NH3-N平均濃度及去除率如圖3和圖4。
表2 濕地進出水NH3-N濃度分析
Tab2 the Influent and Effluent NH3-N of the constructed wetlands
|
名稱 |
水力負荷 |
進水平均濃度(mg/L) |
出水平均濃度(mg/L) |
平均去除率 |
|
常規型表流濕地 |
0.23m/d |
1.56±0.91 （0.46~4.34） |
1.16±0.85 （0.19~3.83） |
28%±20% （1%~92%） |
|
復合型表流濕地 |
0.64m/d |
0.84±0.57 （0.12~2.48） |
0.20±0.12 （0.05~0.39） |
69%±21% （19%~95%） |
從表2可以看出，常規型表流人工濕地工程在水力負荷0.23m/d條件下運行對NH3-N的平均去除率為28%，復合型表流人工濕地工程在水力負荷0.64m/d條件下運行對NH3-N的平均去除率為69%，水生植物可能是去除NH3-N的主要動因之一，常規型表流濕地中水生植物主要為挺水植物，復合型表流濕地中水生植物除挺水植物外還配置有沉水植物，后者中水生植物與水體接觸的表面積高于前者。
圖3 常規型表流濕地對NH3-N去除率分析
Fig1 NH3-N removal by the normalsurface-flowconstructed wetland
從圖3可以看出，監測期常規型表流人工濕地工程對NH3-N的去除率在3月份出現谷值，2008年9月至2009年3月逐步降低，3月份后升高。對NH3-N的去除率與濕地內水生植物的生物量基本呈現正相關變化，11月份蘆葦等挺水植物收割后，濕地內水生植物的生物量呈現逐月降低，3月份蘆葦等挺水植物開始萌發，生物量開始增加。說明水生植物是影響濕地對NH3-N去除的主要動因之一。
圖4 復合型表流濕地對NH3-N去除率分析
Fig4 NH3-N removal by thecompound surface-flowconstructed wetland
從圖4可以看出，監測期復合型表流人工濕地工程對NH3-N的去除效果基本平穩環境保護，雖然11月份由于挺水植物的收割而出現短暫下降，但12月與1月均呈現升高趨勢。黎慧娟等人[10]的研究表明弱光環境對苦草生長會產生很大抑制作用。8~11月由于挺水植物對沉水植物的遮光抑制了沉水植物的生長，進而影響NH3-N的去除效果，11月份以后弱光環境的消除刺激了沉水植物的生長，而在濃度閾值范圍內，沉水植物的生長可以增加對NH3-N的吸收[11~15]，而童昌華等人[16]的研究表明低溫季節沉水植物對氮仍有較好的吸收效果。
3討論
A市工程與B市工程主要差異為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市工程有著較好的去除率，但兩處工程的進水條件不同，其中進水NH3-N濃度有著較大的差異性，A市工程進水NH3-N濃度范圍為0.46~4.34mg/L，B市工程進水NH3-N濃度范圍為0.12~2.48mg/L。
金相燦等人[12]的研究表明NH3-N濃度從1.5mg/L時，對輪葉黑藻產生脅迫，影響輪葉黑藻生長，NH3-N濃度為0.2mg/L時輪葉黑藻正常生長。顏昌宙等人[13]的研究表明，培養液中NH3-N濃度超過4mg/L時，輪葉黑藻的相對生長率明顯下降。Ni L Y[14]對金魚藻的實驗研究表明，水培條件下1.0mg/L的NH3-N濃度促進金魚藻的生長，5mg/L的NH3-N濃度開始抑制金魚藻的生長。
根據前人的研究，沉水植物對NH3-N等污染物的去除和生長適應性具有閾值要求，在污染物濃度閾值范圍內可以促進沉水植物的生長并能加速污染物的去除環境保護，若超出濃度閾值范圍，沉水植物的生長將受到抑制，并降低對污染物的去除效果。B市工程進水NH3-N濃度正處于閾值范圍內，當遮光等限制性因素消除后，B市進水NH3-N濃度促進了沉水植物的生長，進而加速了污染物的去除效果。
工程中對復合型表流人工濕地應用時，應確定進水污染物條件，當進水污染物濃度在植物生長閾值范圍內，可以初步選用;當進水污染物濃度超出植物生長閾值時，應首先采取物理、化學、微生物等預處理措施降低污染物濃度至閾值限制值，在植物配置時，順水流方向按閾值由高向低布置植物。
4結論
①復合型表流人工濕地系統與常規型表流人工濕地系統對CODMn的凈化效果基本相當，在10%左右，相對較低，并且濕地內植物系統對CODMn的作用有限。
②閾值范圍內，去除弱光等限制條件后低溫季節復合型表流人工濕地對NH3-N有較高的凈化效率。NH3-N去除效果受植物系統影響顯著。
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