利用人工濕地處理重污染河水中試試驗研究

王 雪 阮曉紅
（ 河海大學環境科學與工程學院， 江蘇省南京市 210098 ）

　　摘 要：本文對人工濕地處理重污染河水進行了中試規模試驗研究，蘇省新沂河作為中試試驗場。試驗結果表明，對于重污染的河水，人工濕地對有機污染物、NH₄⁺-N及色度均有較好的處理能力，處理效果穩定，具有較強的抗沖擊負荷的能力。特別對于NH₄⁺-N，去除率近90%。有機凈化負荷及NH₄⁺-N凈化負荷均隨著負荷的增加而增加，表明系統仍有較大的剩余凈化容量可供利用。
　　關鍵詞：人工濕地；污水處理；重污染河水

1 引言

　　人工濕地（Constructed Wetland, CW）污水處理技術是70年代末發展起來的一種污水處理新技術^[1]，它的原理主要是利用濕地中基質、水生植物和微生物之間的三重協同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈選擇江化^[2]。它具有處理效果好（其對BOD₅的去除率可達85%～95%，COD的去除率可達80%以上，處理出水的BOD₅可小于10mg/L、SS可小于20mg/L、對TN和TP的去除率分別可達60%和90%^[3]）、運轉維護管理方便、工程基建和運轉費用低（其基建和運轉費用分別為傳統二級活性污泥法處理工藝的1/10至1/2）以及對負荷變化適應能力強等主要特點，比較適合技術管理水平不高、規模較小的城鎮或鄉村的污水處理^[4]。
　　新沂河西起駱馬湖蟑山閘，向東流經宿遷、沭陽、新沂、灌云、灌南等市（縣），最后流入黃海，全長144km，河床寬約2500至2800m左右。是江蘇省典型的束水行洪河道，在非行洪期，新沂河中僅南北中三個寬不足百米的泓道維持一定的水量。90年代以來，來自江蘇新沂市和山東部分地區的工業廢水及城市生活污水沿沭河下泄進入新沂河，造成淮沭河-沭新河-薔薇河、叮當河、鹽河這3條供水河流嚴重污染，使連云港市成為時段性水質型缺水城市。為解決連云港市供水問題，江蘇省政府采用了清污分流方案，新沂河沿線水利工程設施見圖1。方案應急性地解決了供水區域內的水質問題，但工程實施運行后，上游污水集中歸入污水專道內下泄，沿程沒有采取任何處理措施，排污專道內高濃度的污水對沿程生態環境，特別是入海口近海生態環境的影響顯著，近年曾發生大面積紫菜和魚類死亡事件，給當地的居民和養殖戶造成重大損失。新沂河地處江蘇省北部，屬經濟欠發達地區，同時新沂河沿線有大片灘地，按照行洪要求，新沂河灘地每年限種一季（冬小麥）外，其余季節不允許耕作，并且新沂河下游也有大片閑置荒地可供開發使用。因此，適宜采用占地面積大，但投資少、運行費用低、管理水平要求低的人工濕地污水生態處理工藝處理新沂河污水^[5]。
　　不少學者已對人工濕地處理生活污水和工業廢水進行了大量研究，但將人工濕地用于被污染的河水處理仍研究的較少，本研究依托江蘇省環境保護廳“新沂河污染河水處理及控制方案研究”重大課題及江蘇省環境保護廳及水利廳聯合資助的“新沂河生態治理示范工程”，重點研究了人工濕地對重污染的新沂河水COD_Mn、NH₄⁺-N及色度的去除，研究不同參數對處理效果的影響，為新沂河污水處理的總體方案及江蘇省類似被重污染的河水治理提供必要的參數與經驗。

圖1 新沂河沿線水利工程設施示意圖

2 中試試驗系統及方法

2.1 中試試驗系統
　　 (1) 平面布置
　　推流式人工濕地及復合流式人工濕地的平面布置見圖2。推流式人工濕地處理面積為450m²，共分為3級，每級長15 m，寬10m，總長45m，長寬比為3:1。為防止短流的發生和保證配水的均勻性，各級濕地間用0.5m寬由40～80mm粗礫石組成的重布水帶分隔。同時，在床體底部設置了1%的底坡，以保證污水在濕地床內流動的順暢。復合流式人工濕地處理面積為300m²，系統共分為兩級——下行池和上行池，兩池的交界處上部用磚墻隔開，污水通過隔水墻下部的礫石縫隙，可以從下行池流入上行池。上行池和下行池的凈尺寸均為15m×10m。濕地床底坡度1%。

圖2 推流和復合流人工濕地中試工程平面布置圖

　　(2) 剖面布置與基質
　　推流式人工濕地剖面如圖3所示，推流人工濕地填料層的總厚度為75cm，其中表層為20cm厚的0～4mm粗砂，下層填料三級濕地床所選用的各不相同，第一級為30～50mm大礫石，第二級為10～30mm粗礫石，第三級為5～10mm礫石，厚度均為55cm。

圖3 推流式人工濕地剖面圖

　　復合流人工濕地剖面如圖4所示，復合流人工濕地床選用的填料主要為0～4mm粗砂，下行池和上行池的粗砂厚度分別為45cm和35cm。為了保證下行池的出水和上行池底部配水的均勻性，在濕地床的底部鋪設20cm厚的40～80mm的粗礫石。而為了實現粗砂和粗礫石的過渡，在粗砂和粗礫石的中間鋪設了20cm厚的10～30mm大礫石。

圖4 復合流人工濕地剖面圖

2.2 中試試驗工藝流程
　　由于新沂河屬平原河流，自然條件下的流速已較小。位于試驗基地上游大約700m處有一大型水利樞紐工程——沭陽地涵，在其控制下其上游形成了一個很大的河道穩定塘，大量的懸浮物在這里已得到大量的去除。因此本流程省去了人工濕地一般都必須設置的預沉淀處理設施。
　　人工濕地的中試試驗的工藝流程如圖5所示，污水用潛污泵從新沂河岸邊的水塘抽至配水池，由配水池向各個系統進行配水。污水經人工濕地處理并匯集到出水池后，自流回到新沂河。

圖5 人工濕地中試實驗工程工藝

2.3 中試試驗運行條件
　　中試工程的位置位于江蘇沭陽沂河大橋北側、沭陽排污地涵南側。試驗期間，除了對系統的進出水流量進行適當控制外，整個系統完全在自然條件下運行。兩個系統的運行負荷如表1所示。

表1 人工濕地系統運行負荷表

濕地類型 水力負荷m³/(m²·d)

COD_Mn負荷g/(m²·d)

NH₄^＋-N負荷g/(m²·d) 推流式人工濕地 0.06～0.16 0.65～18.24 0.08～3.84 復合流人工濕地 0.09～0.23 0.98～25.41 0.13～5.77

2.4 試驗水質
　　試驗采用的污水均是新沂河北泓沭陽地涵下游的污染河水，該河水主要受上游的新沂造紙廠、化肥廠、農藥廠、酒廠和電化廠等企業排放的工業廢水及新沂市生活污水的污染。受王莊閘和沭陽地涵的開關閘影響，該污水的水量水質變化都很大，試驗期間的污染河水濃度變化范圍如表2所示。

表2 中試試驗進水濃度表（mg/L）

pH 溫度(℃) 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 試驗結果與討論

3.1 COD_Mn的去除效果

　　試驗過程中，推流式人工濕地和復合流人工濕地進出、水水質COD_Mn濃度變化曲線見圖6。

　　

圖6 人工濕地進、出水COD_Mn濃度對比分析圖

　　由圖6可知，人工濕地對COD_Mn仍然有較好的去除效果，在進水濃度為7.35～117.28mg/L時，從出水的水質上看，推流式人工濕地的出水濃度1.86～61.06mg/L，平均出水濃度為17.07mg/L，復合流人工濕地的出水比推流式人工濕地更穩定而且濃度更低，出水濃度在3.44～32.44mg/L之間，平均出水濃度為10.82mg/L，這說明人工濕地對被污染的河水具有良好的抗沖擊能力。推流式人工濕地的去除率為2.58～91.58％，平均為53.13％；復合流人工濕地的去除率為9.48～90.59％，平均為68.21％。
　　 3.2 有機負荷對COD_Mn凈化負荷的影響

圖7 推流式人工濕地有機負荷對凈化負荷的影響 圖8復合流式人工濕地有機負荷對凈化負荷的影響

　　在水力負荷為0.06m³/m².d的條件下，有機負荷對COD_Mn凈化負荷的影響見圖7、圖8。其它水力負荷條件下有機負荷對COD_Mn凈化負荷的影響與圖7圖8類似。
　　從圖7、圖8可知，COD_Mn凈化負荷隨著有機負荷的增加而增加，呈線性關系，這說明在一定的水力負荷條件下，COD_Mn的凈化負荷符合一級動力學模型。
3.3 NH₄^＋-N的去除效果
　　試驗過程中，推流式人工濕地和復合流人工濕地進出、水水質NH₄⁺-N濃度變化曲線見圖9。

圖9 人工濕地進出水NH₄⁺-N濃度對比分析圖

　　由圖9可知，人工濕地對NH₄⁺-N的去除效果非常高，在進水濃度為1.30～24.71mg/L時，推流式人工濕地的出水濃度0.05～2.46mg/L，平均出水濃度為0.78mg/L，推流式人工濕地的去除率為71.35～96.52％，平均為88.97％，去除率大于80%的比例高達95%。復合流人工濕地的出水濃度在0.10～2.16mg/L之間，平均出水濃度為0.68mg/L，去除率為69.69～97.95％，平均為89.63％，去除率大于80%的比例高達92%。這說明人工濕地對NH₄⁺-N有很強的去除能力和耐沖擊能力。
3.4 NH₄^＋-N負荷對NH₄^＋-N凈化負荷的影響
　　在水力負荷為0.06m³/m².d的條件下，NH₄⁺-N負荷對NH₄⁺-N凈化負荷的影響見圖10、圖11。其它水力負荷條件下NH₄⁺-N負荷對NH₄⁺-N凈化負荷的影響與圖10圖11類似。

圖10推流式人工濕地NH₄⁺-N負荷對凈化負荷的影響 圖11復合流式人工濕地NH₄⁺-N負荷對凈化負荷的影響

　　從圖10、圖11可以看出，NH₄⁺-N凈化負荷隨著NH₄⁺-N負荷的增加而增加，與有機負荷的影響類似，也呈線性關系。
3.5 色度的去除效果
　　試驗過程中，推流式人工濕地和復合流人工濕地進出、水色度變化曲線見圖12。

圖12 人工濕地進出水色度值對比分析圖

　　由圖12可知，人工濕地對色度的去除也能取得很好的效果，在進水色度為100～500度時，兩個系統的去除率均在60％以上。其中推流濕地對色度的去除率為25.00～92.22％，平均為67.90％；復合流濕地的去除率為30.00～96.67％，平均為83.45％。

4 小結

　　通過以上的試驗結果可以看出，對于重污染的河水，人工濕地對有機污染物、NH₄⁺-N及色度均有較好的處理能力，處理效果穩定，具有較強的抗沖擊負荷的能力。特別對于NH₄⁺-N，去除率近90%。
　　有機凈化負荷及NH₄⁺-N凈化負荷均隨著負荷的增加而增加，呈線性關系，從直線的上升趨勢可以預見，系統還有較大的剩余凈化容量可以利用。

參考文獻
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） 張毅敏，張永春. 利用人工濕地治理太湖流域小城鎮生活污水可行性研討，農業環境保護，1998，17(5)：232～234
5） 阮曉紅等，新沂河污染河水處理及控制方案研究開題報告及中試工程設計，2002.5

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　　作者簡介：王雪，男，1970年9月生，2000年畢業于南京理工大學獲得應用化學博士學位，畢業后在河海大學環境工程系工作，主要從事環境影響評價規劃、水處理等方面的教學科研工作。
　　通訊地址：江蘇省南京市西康路1號河海大學環境科學與工程學院環境工程系 郵編：210098
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