水平潜流人工湿地复合系统净化农村高浊度富营养化水体的研究

氧化塘是藻菌共生体系，水体中的浮游植物主 要是藻类，包括绿藻、蓝绿藻和褐藻等[10]。藻类在氧 化塘中起着十分重要的作用，藻类具有叶绿体，含有 叶绿素，可以进行光合作用，适当的提高了氧化塘内 的溶解氧，强化好氧微生物的降解作用，同时藻类自 身的生长会吸收水体中的 N、P 元素，但是过度的藻 类生长繁殖会爆发严重的水华现象。人工湿地内的 基质环境不利于浮游植物的生长，浮游植物由氧化 塘进入湿地后，会被上层的砾石拦截下来，在砾石中
用，湿地植物生长的吸收及挥发作用；SSHF-ICWs 对水中 P 的去除作用主要包括氧化塘内的沉淀作 用、陶粒的截留吸附作用和微生物对磷酸盐的同化 吸收作用。由图 3、图 4 可知，两个系统对 TN、TP 都 有着较好的去除效果，但是对NH4+-N、TDP 的去除 效果较差。可能的原因是 SSHF-ICWs 内硝化菌的数 量少，浓度低，硝化菌是严格的好氧菌，潜流人工湿
摘 要：采用氧化塘和人工湿地组成水平潜流人工湿地复合系统处理上海市崇明岛前卫村某河流高浊度富营养化
水体。氧化塘内的生态纤维填料强化了微生物的种类和浓度，形成了藻菌共生体系；人工湿地内的基质陶粒比表面
积大，易于微生物附着生长和吸附悬浮颗粒物。研究结果表明，COD、TN、TP、浊度、浮游植物的去除率较高，年平均
氮在污水中的主要存在形式有分子态氮、有机
叶绿素 a，分析方法均为国家标准方法[8]。
态氮、氨态氮、亚硝态氮和硝态氮；磷在污水中的存
2 结果与讨论
填料采用人工方式挂膜，从城市污水处理厂的
在形式有正磷酸盐、酸式水解磷酸盐、可溶性有机磷 酸盐和单质磷[9]。SSHF-ICWs 对水中 N 的去除作用 主要包括生态纤维填料和陶粒的吸附截留作用，附
a a a a aa
高，叶绿素 a 的含量也较高，表现出高浊度、强富营
图 2 不同系统对 COD 的去除率 Fig.2 Removal of COD at different systems
养化现象。水质状况见表 1。
1.3 水质分析指标及方法
2.2 N、P 的去除效果
分析指标有 COD、NH4+-N、TN、TP、TDP、浊度、
拟天然湿地，由植物、微生物、原生动物和基质构成
的人造水生态系统。
本研究采用水平潜流人工湿地复合系统
（SSHF-ICWs） 净化农村地区的高浊度富营养化水
体，SSHF-ICWs 由氧化塘和人工湿地有机组成。微 生物的种类和浓度对净化污水的效率起到了至关重
图 1 小试装置结构图 Fig.1 Layout of experimental SSHF-ICWs
造成河水中含有大量的有机不溶悬浮物，这些物质 着温度的升高开始大量繁殖，一直维持到 11 月份，
极易与悬浮在水中的泥沙形成相对稳定的结合物， 此阶段叶绿素 a 的去除率处于低谷，但是该阶段
处于一种悬浮状态，且由于崇明岛本身就是冲积岛， SSHF-ICWs 对污水中有机质和营养化元素的去除
其水体中含泥沙相对较高，从而造就了源水河流的 效果明显，可见浮游植物的生长繁殖对水体中有机
来综合分析水质变化情况。小试装置稳定运行时间 为 2007 年 4 月到 2008 年 3 月，连续运行一年的时 间。以香蒲为湿地植物的 SSHF-ICWs 简写为 HF-1， 以灯芯草为湿地植物的 SSHF-ICWs 简写为 HF-2， 对运行结果进行对照分析。 2.1 COD 的去除效果
SSHF-ICWs 对污水中有机质去除主要包括氧 化塘内藻菌共生体的催化降解作用和人工湿地内基 质 - 植物 - 微生物复合体的吸收净化作用。由图 2 可以看出，SSHF-ICWs 对 COD 的去除率均较高，且 呈现出季节性变化，夏季的去除效果最好，在 8 月份 达到顶峰，两个系统的去除率分别达到 59.4%和 56.5%，其次是春、秋季节，冬季效果最差。由此表明 温度对系统的运行效率有着一定的影响。相比较而 言，HF-1 的去除率略高于 HF-2 的，这表明香蒲对有 机质的降解效果要略高于灯芯草。
Fig.4 Removal of TP and TDP at different systems
出，在小试刚开始的 4～6 月，叶绿素 a 的去除率在
2.3 浊度、浮游植物的去除效果
逐渐增加，这表明该阶段氧化塘内浮游植物的生长
本次小试的源水河流由于受纳部分生活污水， 状况不理想；进入 7 月份后，气温升高，浮游植物随
65
60
水力负荷为 0.12 m3·m-·2 d-1。
55
1.2 试验水体 50
进水为上海市崇明岛前卫村某河流水，该河流
45
为农田水及部分生活污水排放的受纳水体。该水体 40
流动性差，透明度低（约为 20～30 cm），水体中的 溶解氧含量低（均在 3.5 mg·L-1 以下），氮、磷含量
35 0 4 52 6 74 8 96 10 118 12 110 2 312
20
逐渐衰亡分解，最终被植物和微生物吸收利用，因此
10 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3
人工湿地内上层砾石对浮游植物起到了高效的过滤 作用。本研究中用水体中叶绿素 a 的含量来表征
图 4 不同系统对 TP、TDP 的去除率
SSHF-ICWs 对浮游植物的去除效果。由图 5 可以看
的监测。以一个月为一个周期，取一个周期内平均值 地的内部环境不利于硝化菌的生长。系统对NH4+-N
表 1 源水水质
Table 1 Characteristics of raw water of the experiment
COD/mg·L-1
NH4+-N/mg·L-1
TN/mg·L-1
TP/mg·L-1
60 50 40
ÅÆÂ30
但不明显。
Fig.5
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3
aaaa aa
图 5 不同系统对浊度、叶绿素 a 的去除率
Removal of turbidity and chlorophyll-a at different systems
去除率分别为 50.5%、38.3 %、51.5%、88.6%和 31.6%，TDP、NH4+-N 的去除率较差，去除率分别为 15.4%和 16.5%，处
理效果呈现出季节性变化，夏季净化效果最好；在湿地植物选择上，香蒲的净化效果要优于灯芯草。
关键词：氧化塘；人工湿地；生态纤维填料；陶粒；高浊度
中图分类号：X703.1
人工湿地作为一种污水处理技术已经有 20 多 年的历史，它具有投资少、能耗低、出水水质稳定、耐 冲击力强和美化环境等优点，很快的得到了国内外 环保人士的认可，并普遍的应用于世界各国的水处
生态陶粒，上层为砾石，这种结构有利于微生物的附 着 生 长 和 防 止 堵 塞 ； 湿 地 植 物 选 择 香 蒲（Typha angustifolia）和灯芯草（Rush），不但净化污水的效 果理想，而且植物本身还具有一定的美学价值和经 济价值。
二沉池取来活性污泥加入氧化塘内，3 d 后，可以看 着在生态纤维填料和陶粒表面上微生物膜的脱氮作
到填料的弹性丝上面有明显的黄褐色生物膜。生物 膜在氧化塘内厚度不一致，从进水口到出水口，生物 膜厚度呈现出线性变薄的现象，最厚的约为 3.0 mm，最薄的约为 0.8 mm。挂膜一个月后，小试装置 运行稳定，每 3 d 对源水以及出水的 COD、氨氮 （NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、可溶性总磷酸 盐（TDP）、浊度、叶绿素 a 的浓度变化进行不间断
高浊度。
质和营养化元素的净化效果有一定的正比例关系；
SSHF-ICWs 对浊度的降低源于以下三个因素： 进入 12 月份后，气温下降，浮游植物的生长受到温
一是氧化塘内的物化沉淀作用，水中部分离散颗粒 度的限制，出水中的叶绿素 a 的含量也随之下降，去
和絮凝颗粒在重力作用下发生沉降作用，沉积在氧 除率明显提高。相比较而言，人工湿地植物的选择对
浊度 /NTU
叶绿素 a/mg·L-1
56 . 5 ～ 138 . 7
0.46～0.94
2.58～6.15
0.55～1.35
55.0～86.7
Leabharlann Baidu
41.9～195.3
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水处理技术
第 35 卷 第 2 期
aaa/% /%
aaa/%
去除仅仅停留在氨化阶段，氨态氮得不到进一步的 氧化分解；SSHF-ICWs 对 P 的去除作用主要依靠物 化作用，微生物对可溶性磷酸盐的同化吸收作用不 明显。相比较而言，HF-1 的去除率都高于 HF-2 的，
aaa/%
ÁÂÃÄÅÆ 张增胜等，水平潜流人工湿地复合系统净化农村高浊度富营养化水体的研究
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Φ=80 mm，有效长度 0.4 m，纤维丝直径 Φ=0.5 mm， 中心绳直径 Φ=3.5 mm，每米纤维丝为 2000 根，表 面积为 0.5 m2，丝条布置呈立体状，丝条表面呈微波 形状。
人 工 湿 地 从 上 至 下 依 次 填 充 粒 径 为 10 ～15 mm 的砾石及粒径为 3～5 mm 的生态陶粒，填充厚 度均为 0.2 m，经测定床体的平均孔隙率分别为 65%和 39%。人工湿地的堵塞一般发生在表层以下 10～15 cm 处[7]，在上层填充粒径较大的砾石，可以 防止堵塞现象发生。陶粒表面粗糙，内部有微孔和中 孔，比表面积大，提供了适于微生物生长栖息、繁衍 的稳定环境。湿地植物分别为香蒲和灯芯草，栽种密 度分别约为 30 株·m-2、20 株·m-2。在氧化塘和人工 湿地出水处分别设置取样口，并在氧化塘和人工湿 地之间设立挡板。污水先通过布水管均匀进入氧化 塘，再经表面溢流后，下出水进入人工湿地，人工湿 地的下出水为 SSHF-ICWs 的最终出水。试验期间， 小试装置露天放置，连续进水，水力停留时间为 3 d，
第 35 卷 第 2 期
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2009 年 2 月
水处理技术 TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.35 No.2 Feb.,2009
水平潜流人工湿地复合系统净化农村高浊度
富营养化水体Á的研究 张增胜 1，徐功娣 1，2，李 方 1，季 兵 1，刘振鸿 1，陈季华 1
（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 200051； 2.齐齐哈尔大学化工学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）
ÁÁÂÂÃÃÁÄÄÅÁÆÇÁÈÉÅÁÂÃÄÆÅÇÆÈÉÂÁÂÃÁÄÅÁÂÆÈÇ 这表明香蒲对N、P的净化作用都要高于灯芯草，可
见植物的选择对去除效果有一定的影响。
60
ÆÂ 50
40 30 20 10
0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3
a a a a aa 图 3 不同系统对 TN、NH4+-N 的去除率 Fig.3 Removal of TN and NH4+-N at different systems
要的作用[6]。在氧化塘内，均匀布置生态纤维填料，
氧化塘内均匀布置模拟天然水草形态的生态纤
为微生物提供载体，便于挂膜，人为强化了微生物的 维弹性填料，填料顶端设置塑料浮盘，依靠其在水中
种类和浓度，提高了净化效率；人工湿地底层填料为 的浮力将填料拉紧，弹性填料垂直悬挂。填料直径
收稿日期：2008-06-20 基金项目：上海市科学技术委员会基金项目（06dz12307） 作者简介：张增胜（1984-），男，博士研究生，研究方向为水污染控制与水体生态修复；联系电话：15921530428；E-mail：zhangzs@mail.dhu.edu.cn。
1 材料与方法
1.1 连续小试模型 2 个 SSHF-ICWs 小试装置由 PVC 板制成，长
宽高分别为 1.2 m×0.3 m×0.6 m，水面高度为 0.4 m，
理中[2-4]。湿地专家 Hammer 等[5]对人工湿地做出了 横向分为两个单元，第一单元为氧化塘，第二单元为
如下的定义：一个经过人工设计和人为强化，通过模 人工湿地，长度分别为 0.4 m 和 0.8 m（见图 1）。
文献标识码：A
文章编号：1000-3700(2009)02-046-04
随着农药、化肥和洗涤剂等广泛应用于农业生 产与农村居民生活，大量含有氮、磷的污水排入河流 湖泊，导致农村地区的天然水体受到污染，富营养化 水域不断增多，生态系统已经遭到严重破坏。如何有 效的净化富营养化水体、修复水体生态环境，已经成 为人们关注的热点课题[1]。