摘要：用菖蒲、蘆葦2種植物和石英砂、活性炭、煤矸石3種基質(zhì)構(gòu)建了6套人工濕地系統(tǒng)，分別命名為裝置1#， 2#， 3#， 4#， 5#， 6#，探究了植物、基質(zhì)及水力停留時(shí)間對(duì)處理農(nóng)村生活污水效果的影響。結(jié)果表明，隨著水力停留時(shí)間的增加，6套裝置系統(tǒng)對(duì)各污染物的去除效果均越來(lái)越好，當(dāng)水力停留時(shí)間為48h時(shí)，6套裝置系統(tǒng)對(duì)各污染物的去除效果達(dá)到最佳。菖蒲-活性炭3#裝置在48h水力停留時(shí)間下，化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、氨氮（ammonia nitrogen，NH+4N）、全磷（total phosphorus，TP）的去除率分別為97.34%， 92.19%， 79.50%，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)及以上，說(shuō)明該系統(tǒng)可用于農(nóng)村生活污水處理。

關(guān)鍵詞：人工濕地; 農(nóng)村生活污水; 水力停留時(shí)間; 基質(zhì); 污染物去除率

中圖分類(lèi)號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2024.02.005

CUI Song LYU Yan CHEN Lanfeng TONG Deli WU Yannan LI Yueyao LIU Lu

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Liaoning Fuxin Hydrology Bureau， Fuxin 123000， China）

Abstract：Six constructed wetland systems， named device 1#， 2#， 3#， 4#， 5# and 6#， were constructed with two kinds of plants， calamus and reed， and three kinds of substrates， quartz sand， activated carbon and coal gangue. The effects of plants， substrates and hydraulic residence time on the treatment of rural domestic sewage were investigated. The results showed that the removal effect of the six device systems on each pollutant became better and better with the increase of hydraulic residence time. When the hydraulic residence time was 48h， the removal effect of the six device systems on each pollutant reached the best. Under 48h hydraulic retention time， the chemical oxygen demand （COD）， ammonia nitrogen （NH+4N）， and total phosphorus （TP） of calamusactivated carbon device 3# were 97.34%， 92.19% and 79.50%， respectively. The effluent quality reached the first class B standard or above of the \"Pollutont Discharge Standard of Urban Sewage Treatment Plants\"（GB 18918—2002）， indicating that the system could be used for rural domestic sewage treatment.

Key words：constructed wetland; rural domestic sewage; hydraulic residence time; matrix; pollutant removal rate

隨著全面建成小康社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我國(guó)居民生活質(zhì)量明顯提升，用水量逐漸增加，生活污水排放量也明顯增加。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)生活污水處理率僅為31%左右，以生物處理方式為主［1］。其中，利用土壤-動(dòng)植物-微生物的耦合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污水中的污染物進(jìn)行降解凈化的土地滲濾技術(shù)具有投資費(fèi)用低、操作管理簡(jiǎn)單、動(dòng)力消耗低和再生水可回用等優(yōu)點(diǎn)［2-3］，但其缺點(diǎn)是占地面積大，容易堵塞。穩(wěn)定塘技術(shù)利用湖底沉積物的自?xún)糇饔煤秃嫔鷳B(tài)系統(tǒng)的生物鏈循環(huán)對(duì)受污染水體進(jìn)行凈化和修復(fù)，具有處理成本低、比較耐負(fù)荷沖擊、能較好地去除污水中的致病微生物的優(yōu)點(diǎn)［4］。用人工濕地模擬自然濕地對(duì)污水進(jìn)行凈化，污水處理過(guò)程更可控。人工濕地以其處理相對(duì)簡(jiǎn)單便捷、投資和運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)村生活污水處理中占有巨大優(yōu)勢(shì)。人工濕地對(duì)污染物的去除效果受水力停留時(shí)間、濕地內(nèi)部溶解氧濃度、污水pH和外界環(huán)境溫度影響較大［5］。本文構(gòu)建的人工濕地通過(guò)系統(tǒng)中的基質(zhì)、植物、微生物的作用對(duì)生活污水中的污染物進(jìn)行處理，具有耗能低、操作簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)較好、節(jié)能綠色等優(yōu)點(diǎn)［6］。

1材料與方法

1.1人工濕地裝置的構(gòu)建

本研究構(gòu)建了6套模擬人工濕地系統(tǒng)（constructed wetland system，CWS），分別編號(hào)為1#，2#，3#，4#，5#，6#，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于沈陽(yáng)師范大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。人工濕地裝置示意圖和實(shí)物圖如圖1和圖2所示。

人工濕地系統(tǒng)裝置的主體為由聚丙烯塑料制成的圓柱體，直徑為0.09m，高為0.47m，底部均鋪設(shè)了5cm的鵝卵石以防止底部出水管堵塞。6套人工濕地裝置填料結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。裝置通過(guò)融柏恒流蠕動(dòng)泵（BT1002J）控制進(jìn)水。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為模擬生活污水，人工垂直潛流濕地進(jìn)水采用連續(xù)流的方式。采用較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間模擬生活污水，以較緩的流速流經(jīng)垂直流人工濕地進(jìn)行馴化，穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月后取濕地出水水樣進(jìn)行檢測(cè)，待人工垂直潛流濕地出水中的各項(xiàng)污染物指標(biāo)趨于穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，設(shè)置不同的水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT），依次為12，16，24，48h，每個(gè)裝置系統(tǒng)依次經(jīng)過(guò)一個(gè)周期（12，16，24，48h）后，將裝置中的水排凈，然后立即補(bǔ)充新的人工污水，再進(jìn)行新一輪的周期。在裝置中的水排凈之前，取對(duì)應(yīng)的進(jìn)出水水樣分析各裝置的進(jìn)出水中有機(jī)物、氮、磷的濃度。分析不同水力停留時(shí)間下各系統(tǒng)對(duì)濕地除污效能的影響，并篩選最佳人工濕地系統(tǒng)。

1.3進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水采用葡萄糖（C₆H₁₂O₆）、硫酸銨［（NH₄）2SO4］、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、氯化鈣（CaCl2）、硫酸亞鐵（FeSO4）和硫酸鎂（MgSO4）配制的模擬生活污水。進(jìn)水中NH+4N的濃度穩(wěn)定在30～40mg/L，COD的濃度穩(wěn)定在200～300mg/L，TP的濃度穩(wěn)定在3～7mg/L。具體進(jìn)水水質(zhì)與排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

1.4分析方法

采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD，鉬銻抗分光光度法測(cè)定TP，納氏試劑比色法測(cè)定NH+4N，可見(jiàn)分光光度計(jì)法測(cè)定NO-3N［7］。所有的樣本均于4℃保存在冰箱中，24h之內(nèi)進(jìn)行分析，每個(gè)樣品重復(fù)分析3次。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；Origin 2019繪制數(shù)據(jù)圖形。

2結(jié)果與分析

2.1水力停留時(shí)間對(duì)COD去除效果的影響

如圖3所示，當(dāng)水力停留時(shí)間分別為12，16，24，48h時(shí)，1#裝置的COD去除率分別為90.57%，91.51%，93.60%，95.49%；2#裝置的COD去除率分別為87.57%，90.00%，91.72%，95.15%；3#裝置的COD去除率分別為93.49%，94.48%，95.97%，97.34%；4#裝置的COD去除率分別為93.27%，93.95%，94.16%，97.20%；5#裝置的COD去除率分別為93.21%，93.68%，93.73%，96.92%；6#裝置的COD去除率分別為91.43%，92.16%，93.53%，96.92%。1#裝置的COD出水濃度分別為25.12，22.65，17.42，11.83mg/L；2#裝置的COD出水濃度分別為33.11，26.66，22.52，12.72mg/L；3#裝置的COD出水濃度分別為17.33，14.73，10.96，6.98mg/L；4#裝置的COD出水濃度分別為17.93，16.14，15.90，7.34mg/L；5#裝置的COD出水濃度分別為18.08，16.87，17.05，8.08mg/L；6#裝置的COD出水濃度分別為22.83，20.92，17.59，8.08mg/L。

各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間下出水COD濃度均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且去除率均在87%以上。隨著水力停留時(shí)間的增加，污水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間變長(zhǎng)，有機(jī)物能得到充分的氧化分解［8］，COD的去除率逐漸升高，當(dāng)水力停留時(shí)間為48 h時(shí)，COD的去除效果均最佳。COD的去除還通過(guò)植物根系、基質(zhì)的降解吸附和微生物的活動(dòng)分解等進(jìn)行［9］。當(dāng)水力停留時(shí)間較少時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)含水量不斷增加，會(huì)使基質(zhì)吸附與截留能力下降，致使部分有機(jī)物未能及時(shí)被吸附或者降解，從而未能在凈化污水的過(guò)程中排出裝置系統(tǒng)，該結(jié)果與賈軍等［1011］的研究結(jié)果相一致。

2.2水力停留時(shí)間對(duì)NH+4N去除效果的影響

如圖4所示，當(dāng)水力停留時(shí)間分別為12，16，24，48h時(shí)，1#裝置的出水NH+4N濃度分別為29.87，24.44，25.02，24.74mg/L，去除率分別為21.44%，30.75%，30.89%，34.43%；2#裝置的出水NH+4N濃度分別為30.66，27.55，26.99，25.81mg/L，去除率分別為19.38%，21.94%，25.43%，31.59%；3#裝置的出水NH+4N濃度分別為10.15，8.90，5.89，2.95mg/L，去除率分別為73.31%，74.77%，83.72%，92.19%；4#裝置的出水NH+4N濃度分別為17.96，14.91，8.24，7.61mg/L，去除率分別為52.77%，57.76%，77.24%，79.83%；5#裝置的出水NH+4N濃度分別為21.09，20.34，15.82，15.79mg/L，去除率分別為44.54%，42.35%，56.29%，58.14%；6#裝置的出水NH+4N濃度分別為22.75，20.50，21.64，17.79mg/L，去除率分別為40.17%，41.91%，40.21%，52.86%。

除1#，2#裝置外，其余各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間下出水NH+4N濃度均符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且去除率均在40%以上。人工濕地對(duì)NH+4N的去除主要依靠基質(zhì)吸附和微生物硝化反硝化作用［11］。NH+4N首先會(huì)被基質(zhì)吸附，然后被基質(zhì)內(nèi)的硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，最后經(jīng)過(guò)反硝化作用變成氮?dú)猓?2］。在本研究中，隨著水力停留時(shí)間的增加，NH+4N的去除率逐漸升高。當(dāng)水力停留時(shí)間為48h時(shí)，6套CWS裝置的NH+4N去除效果最佳。

2.3水力停留時(shí)間對(duì)TP去除效果的影響

如圖5所示，在設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間下，1#裝置的出水TP濃度分別為4.55，3.48，3.34，2.78mg/L，去除率分別為8.68%，25.61%，30.72%，39.59%；2#裝置的出水TP濃度分別為3.21，3.06，3.01，2.54mg/L，去除率分別為35.56%，34.46%，37.58%，44.71%；3#裝置的出水TP濃度分別為1.74，1.45，1.30，0.94mg/L，去除率分別為65.06%，68.96%，73.08%，79.50%；4#裝置的出水TP濃度分別為2.46，1.64，1.48，0.74mg/L，去除率分別為50.57%，64.95%，69.38%，83.96%；5#裝置的出水TP濃度分別為4.44，3.09，2.48，2.34mg/L，去除率分別為10.84%，33.82%，48.65%，49.06%；6#裝置的出水TP濃度分別為4.03，3.24，2.73，2.10mg/L，去除率分別為19.09%，30.60%，43.38%，54.28%。

1#，2#裝置在48h水力停留時(shí)間下，出水TP濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；3#，4#裝置在設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間下出水TP濃度均符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；5#，6#裝置在24，48h水力停留時(shí)間下，出水TP濃度均符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。人工濕地對(duì)TP的去除主要靠基質(zhì)的吸附和攔截作用［13］，當(dāng)水力停留時(shí)間不斷減少時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)含水量不斷增加，會(huì)使基質(zhì)吸附與截留能力下降，致使系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果逐漸降低。隨著水力停留時(shí)間的增加，TP的去除率逐漸升高。

2.4水力停留時(shí)間對(duì)出水NO^-₃N和NO^-₂N的影響

如圖6所示，在設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間下，1#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為2.03，3.86，4.14，4.21mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0013，0.0009，0.0006，0.0003mg/L；2#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為1.30，2.00，3.22，3.53mg/L，NO_-2N的出水濃度分別為0.0029，0.0015，0.0011，0.0008mg/L；3#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為11.54，14.16，23.84，25.36mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0090，0.0026，0.0019，0.0010mg/L；4#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為2.11，2.34，20.72，23.95mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0548，0.0322，0.0316，0.0109mg/L；5#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為5.25，6.30，11.82，19.85mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0017，0.0012，0.0010，0.0009mg/L；6#裝置的NO^-₃N出水濃度分別為4.21，4.59，8.45，8.78 mg/L，NO^-₂N的出水濃度分別為0.0234，0.0088，0.0012，0.0010mg/L。

隨著水力停留時(shí)間的增加，6套裝置的NO^-₃N出水濃度逐漸升高，NO^-₂N的出水濃度逐漸降低，這可能是由于隨著水力停留時(shí)間的增加，污水可以更加充分地與基質(zhì)接觸進(jìn)行吸附，并且能夠充分利用基質(zhì)中的微生物發(fā)生作用［1415］。在上層好氧基質(zhì)中，主要通過(guò)微生物亞硝化菌、硝化菌的作用進(jìn)行硝化反應(yīng)，生成的大量NO^-₂N，NO^-₃N，NO^-₂N在上層好氧基質(zhì)中極易氧化生成NO^-₃N，而在下層厭氧基質(zhì)中，主要通過(guò)反硝化菌的作用進(jìn)行反硝化反應(yīng)，其原因可能是污水到了下層基質(zhì)中可利用的有機(jī)物含量過(guò)低，反硝化作用被抑制，從而導(dǎo)致NO^-₃N的積累［16］。在水力停留時(shí)間為48h時(shí)，相比于水力停留時(shí)間較短的12h，硝化反應(yīng)更徹底，因而隨著水力停留時(shí)間的增加生成的NO^-₃N越來(lái)越多，NO^-₂N越來(lái)越少，對(duì)NH+4N的去除效果越來(lái)越好。

2.5不同植物、基質(zhì)對(duì)污水處理效果的影響

如圖7所示，在最佳水力停留時(shí)間48h時(shí)，1#，2#裝置對(duì)COD的去除率分別為95.49%，95.15%；活性炭3#，4#裝置對(duì)COD的去除率分別為97.34%，97.20%；煤矸石5#，6#裝置對(duì)COD的去除率分別為96.92%，96.92%。不同基質(zhì)對(duì)COD的去除效果為活性炭＞煤矸石＞石英砂?；钚蕴垦b置的去除效果最佳，其原因是加入活性炭會(huì)增加基質(zhì)的通氣性能，使有機(jī)物更容易氧化分解。在相同基質(zhì)的條件下，不同植物對(duì)COD的去除效果不同，總體表現(xiàn)為菖蒲優(yōu)于蘆葦，這可能是因?yàn)檩牌训母岛屯饨M織較發(fā)達(dá)，有利于根系微生物的生存，所以其 COD 去除效果較好。

在最佳水力停留時(shí)間48 h時(shí)，1#，2#裝置對(duì)NH+4N的去除率分別為34.43%，31.59%；3#，4#裝置對(duì)NH+4N的去除率分別為92.19%，79.83%；5#，6#裝置對(duì)NH+4N的去除率分別為58.14%，52.86%?？傮w表現(xiàn)為活性炭＞煤矸石＞石英砂?；钚蕴垦b置對(duì)NH+4N的去除率最高，主要是因?yàn)榛钚蕴坑卸嗫捉Y(jié)構(gòu)，其在系統(tǒng)填料選擇上是一種較優(yōu)的生物載體原料，有利于各類(lèi)微生物的附著和生存，在活性炭上的微生物可以利用有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化為氨氮。在相同基質(zhì)的條件下，不同植物對(duì)NH+4N的去除效果不同，具體表現(xiàn)為菖蒲優(yōu)于蘆葦。

在最佳水力停留時(shí)間48h時(shí)，1#，2#裝置對(duì)TP的去除率分別為39.59%，44.71%；3#，4#裝置對(duì)TP的去除率分別為79.50%，83.96%；5#，6#裝置對(duì)TP的去除率分別為49.06%，54.28%。不同基質(zhì)對(duì)TP的去除效果為活性炭＞煤矸石＞石英砂。在相同基質(zhì)的條件下，不同植物對(duì)TP的去除效果不同，總體表現(xiàn)為蘆葦優(yōu)于菖蒲。

3結(jié)論

隨著水力停留時(shí)間的增加，6套裝置系統(tǒng)對(duì)COD，NH+4N，TP的去除率逐漸升高，48h為6套裝置系統(tǒng)的最佳水力停留時(shí)間。在最佳水力停留時(shí)間下，裝置1#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為95.49%，34.43%，39.59%；裝置2#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為95.15%，31.59%，44.71%；裝置3#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為97.34%，92.19%，79.50%；裝置4#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為97.20%，79.83%，83.96%；裝置5#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為96.92%，58.14%，49.06%；裝置6#中的COD，NH+4N，TP去除率分別為96.92%，52.86%，54.28%。水力停留時(shí)間對(duì)6套裝置系統(tǒng)的NO^-₃N，NO^-₂N出水濃度無(wú)顯著影響。

在最佳水力停留時(shí)間48h時(shí)，不同基質(zhì)對(duì)COD，NH+4N，TP的去除效果不同，均表現(xiàn)為活性炭＞煤矸石＞石英砂?；钚蕴?#，4#裝置對(duì)COD，NH+4N，TP的去除效果最佳，分別為97.34%，92.19%，79.50%，97.20%，79.83%，83.96%。在相同基質(zhì)的條件下，菖蒲對(duì)COD，NH+4N的去除效果好于蘆葦，而蘆葦對(duì)TP的去除效果好于菖蒲。綜上，對(duì)COD，NH+4N去除效果最佳的裝置為3#（菖蒲-活性炭裝置），對(duì)TP去除效果最佳的裝置為4#（蘆葦-活性炭裝置）?？傮w來(lái)說(shuō)，裝置3#（菖蒲-活性炭裝置）為最佳系統(tǒng)裝置，其對(duì)COD，NH+4N，TP的去除率均較高且出水水質(zhì)達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

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【責(zé)任編輯：王瑞丹】