劉超翔，胡洪營，張健，黃霞，施漢昌，錢易
(清華大學環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京　100084)

　　摘　要： 采用表面流和潛流式兩種人工復合生態床對滇池地區低濃度農村污水進行的處理試驗結果表明，在高水力負荷(30 cm/d)條件下，潛流式床體對COD、TN、NH₄⁺-N和TP的去除率分別為70.6%、60.6%、80.9%和66.0%，表面流床體則分別為63.1%、61.2%、90.2%和60.2%；表面流床體中蘆葦、茭白等植物對氮、磷的吸收量要大于潛流式床體；潛流式床體依靠植物吸收去除的氮、磷量為1625kgN/(hm²·a)和148 kgP/(hm²·a)，表面流床體則為1999kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。
　　關鍵詞：人工復合生態床；面源污染；農村污水；水生植物
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)11-0005-04

Comparison Between the Free Water and Subsurface Flow Type Constructed Wetlands for Rural Sewage Treatment
LIU Chao-xiang,HU Hong-ying,ZHANG Jian,HUANG Xia,?SHI Han-chang,QIAN Yi
(State Key Joint Lab of Environmental Simulation & Pollution Control,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

　　Abstract：In a pilot study,free water and subsurface flow type constructed wetlands were used for treatment of low strength rural sewage in the area of Dian-chi Lake.The test result showed that under high hydraulic loading rate (30cm/d),the removal rate of COD,TN,NH₄⁺-N and TP is respectively 70.6%,60.6%,80.9%,66.0% in the subsurface flow wetland and is 63.1%,61.2%,90.2%,and 60.2% in the free water wetland.It was also showed that the amount of nitrogen and phosphorus abs orbed by hydrophyte in free water artificial wetland is greater than that in sub surface flow type wetland;in the latter the amount of nitrogen and phosphorus absorbed is respectively 1625 kgN/(hm²·a)and 148kgP/(hm²·a) ,and in the former is 1999 kgN/(hm²·a) and 223kgP/(hm²·a) respectively.
　　Keywords: constructed wetland;non-point source pollution;rural sewage;hydrophyte

　　面源污染是造成滇池流域水體污染的主要原因之一，根據對某示范控制區的調查結果，暴雨徑流、臺地水土流失、村鎮生活污水和農業廢水是構成面源污染的主要來源，而河道和溝渠則是污染物的最終入湖途徑，因此有效地控制村鎮農業生產和生活所帶來的氮、磷等污染物量，對于控制水體富營養化具有重要的意義。
　　人工復合生態床污水處理技術被認為是控制面源污染的一種費用低廉、實用有效的方法^[1、2]，為此針對滇池地區農村生活污水與流域村莊農田排灌水混合后具有污染物濃度低但流量大的特點，采用高水力負荷下表面流和潛流式兩種生態床進行了現場試驗，并分析比較了水生植物對氮、磷的去除作用。

1　試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置
　　試驗在滇池流域某一示范控制區進行，共設3個單元床體，即對照床、潛流式床和表面流床。對照床為無植物床體，而在潛流式床和表面流床的前1/3段種植蘆葦(16株/m²)，后2/3段種植茭白(12株/m²)。每個床體寬為1m,長為6m，床深為0.7m，坡度為1%。在對照床和潛流式床體的底部鋪設10cm厚的碎石(直徑為2～4cm)層，中部為40cm的爐渣層，上部為10cm的土壤，污水在床體內部水平流動。布水區和集水區分別填充直徑為2～5cm的卵石，寬度為40cm。在集水區底部安裝有多孔集水管并與外部一出水高度可調的豎管相聯接，水深保持在50cm左右。表面流床體內部均勻填充一定配比的爐渣和土壤混合物，深度為40cm。床體表面維持20cm深的自由水面，其深度由出口溢流堰調節。
1.2　植物栽培
　　試驗選用滇池流域常見的水生植物蘆葦和茭白。2001年2月底在滇池附近的沼澤地選擇壯實的植物芽尖，取20cm×20cm×40cm(長×寬×高)的帶土芽尖移植到各單元床體。栽完后立即充水，保持根部浸泡在水中，半個月后開始進污水^[3]。
1.3　試驗條件
　　試驗系統自2001年2月底開始建設，3月底開始運行，共運行5個月。原水來自該示范控制區的某溝渠下游(該溝渠經過農田和村鎮，最后進入滇池)，以生活污水為主，混有一部分農田排灌水和雨水。試驗期間原水水質見表1，運行條件如表2所示。主要分析項目有COD、TN、NH₄⁺-N和TP等，分析頻次為每周1～2次，采用國家環保局推薦的方法。

表1　原水水質 COD(mg/L) TN(mg/L) NH₄⁺-N(mg/L) TP(mg/L) DO(mg/L) pH 50～80 2～8 2～4 0.5～1.0 0.5～1.0 7.0～8.0

表2　運行條件 水力負荷(cm/d) COD負荷[g/(m³·d)] 總氮負荷[gN/(m³·d)] 總磷負荷[gP/(m³·d)] 30 21.6 1.97 0.21

2　結果與討論

2.1　生態床對污染物的去除效果
　　三種生態床對污染物的去除效果見表3。

表3　三種生態床對污染物的去除效果(2001年3月—2001年7月) 項目 COD TN NH₄⁺-N TP 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 對照床 61～72 23～30 55.6～62.6 4.9～7.8 3.0～4.8 38.5～6 0.0 1.9～2.8 0.4～1.1 62.7～82.8 0.58～0.97 0.24～0.32 54.0～58.7 潛流式 61～72 15～23 67.1～75.4 4.9～7.8 1.8～3.2 57.0 ～64.0 1.9～2.8 0.3～0.8 72.5～86.4 0.58～0.97 0.19～0.28 62.2～67.2 表面流 61～72 20～31 57～69.0 4.9～7.8 1.6～3.2 5 9.4～ 65.3 1.9～2.8 0.1～0.4 80.1～95.2 0.58～0.97 0.20～0.29 59.7～64.2

　　從表3可以看出，有植物的床體對污染物的去除效果優于無植物床體。植物能夠提高處理效果的主要原因可歸納為：一是植物的生長改變了生態床的流態，如生長的植物根系和植物莖桿對水流的阻礙作用(表面流床體)有利于均勻布水，延長了系統實際的水力停留時間；二是植物的根系和殘枝敗葉為水中微生物的生長提供了棲息場所^[4]，根系會創造有利于各種微生物生長的微環境，植物根莖的延伸會在植物根系附近形成有利硝化作用的好氧微區，同時在遠離根系的厭氧區里含有大量可利用的碳源，這又提供了反硝化條件^[5]；三是植物生長對各種營養物尤其是硝酸鹽氮具有吸收作用。
2.2　不同流態床體的除污效果比較
　　在潛流式床體中，由于污水在填料內部滲流，因此可充分利用填料表面及植物根系上的微生物及其他各種作用來處理污水^[6]；而在表面流床體中污染物主要是在自由水面進行分解的，植物的水下莖桿和殘枝敗葉可能起最主要的作用，它們為水中微生物的生長提供了棲息場所。
　　從表3可以看出，潛流式床體對COD的去除率要高于表面流床體，另外潛流式床體的出水很清澈，而表面流床體出水中可見到明顯的懸浮物。這是因為在潛流式生態床系統中可沉降的那部分有機物可由沉積和過濾作用快速去除，而溶解的那部分有機物的去除主要是依靠填料和根系表面附著生長微生物的作用；在表面流生態床系統中有機物的去除主要依靠水面近乎靜止沉淀的條件和表面莖桿附著的微生物的作用。由于前者具有良好的過濾作用，且微生物反應區面積較大，故對有機物的去除效果要明顯高于后者。
　　表面流床體對TN的去除效果與潛流式床體相近，但對NH₄⁺-N的去除效率明顯好于潛流式床體。生態床系統的除氮機理主要包括水生植物的吸收和微生物的硝化/反硝化。試驗中表面流床體中所種植的水生植物長勢要明顯好于潛流式床體，特別是茭白，其枝葉粗大繁密，在4個月的時間內由0.4m長高到3.0m(潛流式床體中茭白的高度為2.5m)，其生長量大于潛流式床體中的植物(見表4)，這與茭白嗜水的習性有著密切的關系。水生植物的茁壯生長會使根系有更強的輸氧作用，對硝化反應有促進作用。另外，表面流床體的水面長有一層浮萍，長勢非常迅速，其對NH4+-N的去除也起到了一定的作用。許多濕地植物可直接利用氨氮作為氮源，從而在生長過程中能去除大量氮素，盡管表面流系統中污水與微生物接觸的面積要小于潛流式，但依靠水生植物的直接作用(見表5)仍可使其對氨氮的去除好于潛流式床體。

表4　各床體植物的收割量(濕重)kg 床體 蘆葦 茭白 浮萍 潛流式 7.9 16.7 　 表面流式 7 22.1 3.6

表5　3種水生植物的氮、磷含量和含水率　　% 項目 蘆葦 茭白 浮萍 氮 2.90 2.34 4.45 磷 0.30 0.25 1.26 含水率 61.25 53.81 92.3 注：氮、磷含量均按干物質含量計算求得。

　　生態床系統中磷的去除主要靠形成不溶性的鈣、鐵、鋁等化合物的沉淀和介質的吸附，此外磷也是生態床植物必需的養分。表面流系統由于與污水接觸有限，故除磷效果較差。
　　從以上分析可知，潛流式床體為較適宜的床體型式，其對各污染物的綜合去除效果較好，但表面流床體對氨氮的去除效果很好。若表面流床體與潛流式床體進行工藝組合，則可進一步強化對污染物的綜合去除效果。
2.3　植物在氮、磷去除中的作用
　　生活污水中的氮通常以有機氮和氨(也可以是銨離子)的形式存在。在土壤—植物系統中有機氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下轉化為銨態氮，由于土壤顆粒帶有負電荷，銨離子很容易被吸附，土壤微生物通過硝化作用將銨離子轉化為NO₃-，土壤又可恢復對銨離子的吸附功能。土壤對帶負電荷的NO3-沒有吸附截留能力，NO₃-可以被植物根系吸收而成為植物營養成分或通過反硝化過程最終轉化為N₂或者N₂O而揮發掉。由于本次試驗進、出水的pH值均在中性左右，因此氨態氮的揮發是可以忽略的。同樣，植物的生長也需要吸收磷作為營養源。
　　在試驗進行的第120天，對系統中植物的一些指標進行了測定(見表4、5)。由表4、5可以計 算出運行期間通過植物吸收所去除的總氮量(Nplant)和總磷量(Pplant)。由進、出水總氮和總磷濃度和進、出水流量可以得到120d內投配的總氮總量(Nin)和排放總量(Nout)、總磷的投配總量(Pin)和排放總量(Pout)。通過下式可得到系統運行期間通過生物脫氮而去除的氮量(Nb)以及通過沉淀和介質吸附去除的磷量(Pa)，計算結果如圖1、2所示。

　　　　　　?Nb＝Nin-N_plant-Nout　　　(1)
?　　　　　　Pa＝Pin-Pplant-Pout?　　(2)
　　由植物氮、磷含量和生長量計算結果可知，潛流式床體依靠植物吸收去除的氮、磷量為1625kgN/(hm²·a)和148kgP/(hm²·a)，表面流床體則為1999 kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。鑒于水生植物對污水中的氮、磷具有一定的吸收能力，故定期收割生態床系統中的植物也能促進系統對氮、磷的去除。

　　

3　結論

　　①在高水力負荷(30cm/d)的條件下，兩種生態床系統的出水水質較好，滿足《污水綜合排放標準》的要求。對COD、TN、NH₄⁺-N和TP的平均去除率，潛流式床體分別為70.6%、60.6%、80.9%和66.0%，表面流床體則分別為63.1%、61.2%、90.2%和60.2%。
　　②表面流床體中植物對氮、磷的吸收量要大于潛流式床體。潛流式床體依靠植物吸收帶走的氮、磷量為1625kgN/(hm²·a)和148 kgP/(hm²·a)，表面流床體則為1999kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。

參考文獻：

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　　 [3]丁庭華.污水蘆葦濕地處理系統示范工程的研究[J].環境科學，1991,13(2)：8-13.
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　　 [5]Brix H.Function of macrophytes in contruncted wetlands[J].WatSci & Tech，1994，29：71-78.
　　 [6]Drizo A，Frost C A.Physico-chemical screening of phosphate remaining substrate for use in constructed wetland system[J].Wat Res，1999，33(17):3595-3602.

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　　作者簡介：劉超翔(1974-)，男，湖北鄂洲人，清華大學在讀博士研究生，研究方向為水污染控制。?
　　電　　話：(010)62778943(O)
　　E-mail:liucx99g@mails.tsinghua.edu.cn
　　收稿日期：2002-07-24