表面流与潜流式生态床处理农村污水

刘超翔，胡洪营，张健，黄霞，施汉昌，钱易
(清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京　100084)

　　摘　要： 采用表面流和潜流式两种人工复合生态床对滇池地区低浓度农村污水进行的处理试验结果表明，在高水力负荷(30 cm/d)条件下，潜流式床体对COD、TN、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为70.6%、60.6%、80.9%和66.0%，表面流床体则分别为63.1%、61.2%、90.2%和60.2%；表面流床体中芦苇、茭白等植物对氮、磷的吸收量要大于潜流式床体；潜流式床体依靠植物吸收去除的氮、磷量为1625kgN/(hm²·a)和148 kgP/(hm²·a)，表面流床体则为1999kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。
　　关键词：人工复合生态床；面源污染；农村污水；水生植物
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：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体污染的主要原因之一，根据对某示范控制区的调查结果，暴雨径流、台地水土流失、村镇生活污水和农业废水是构成面源污染的主要来源，而河道和沟渠则是污染物的最终入湖途径，因此有效地控制村镇农业生产和生活所带来的氮、磷等污染物量，对于控制水体富营养化具有重要的意义。
　　人工复合生态床污水处理技术被认为是控制面源污染的一种费用低廉、实用有效的方法^[1、2]，为此针对滇池地区农村生活污水与流域村庄农田排灌水混合后具有污染物浓度低但流量大的特点，采用高水力负荷下表面流和潜流式两种生态床进行了现场试验，并分析比较了水生植物对氮、磷的去除作用。

1　试验装置及方法

1.1 试验装置
　　试验在滇池流域某一示范控制区进行，共设3个单元床体，即对照床、潜流式床和表面流床。对照床为无植物床体，而在潜流式床和表面流床的前1/3段种植芦苇(16株/m²)，后2/3段种植茭白(12株/m²)。每个床体宽为1m,长为6m，床深为0.7m，坡度为1%。在对照床和潜流式床体的底部铺设10cm厚的碎石(直径为2～4cm)层，中部为40cm的炉渣层，上部为10cm的土壤，污水在床体内部水平流动。布水区和集水区分别填充直径为2～5cm的卵石，宽度为40cm。在集水区底部安装有多孔集水管并与外部一出水高度可调的竖管相联接，水深保持在50cm左右。表面流床体内部均匀填充一定配比的炉渣和土壤混合物，深度为40cm。床体表面维持20cm深的自由水面，其深度由出口溢流堰调节。
1.2　植物栽培
　　试验选用滇池流域常见的水生植物芦苇和茭白。2001年2月底在滇池附近的沼泽地选择壮实的植物芽尖，取20cm×20cm×40cm(长×宽×高)的带土芽尖移植到各单元床体。栽完后立即充水，保持根部浸泡在水中，半个月后开始进污水^[3]。
1.3　试验条件
　　试验系统自2001年2月底开始建设，3月底开始运行，共运行5个月。原水来自该示范控制区的某沟渠下游(该沟渠经过农田和村镇，最后进入滇池)，以生活污水为主，混有一部分农田排灌水和雨水。试验期间原水水质见表1，运行条件如表2所示。主要分析项目有COD、TN、NH₄⁺-N和TP等，分析频次为每周1～2次，采用国家环保局推荐的方法。

表1　原水水质 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　运行条件 水力负荷(cm/d) COD负荷[g/(m³·d)] 总氮负荷[gN/(m³·d)] 总磷负荷[gP/(m³·d)] 30 21.6 1.97 0.21

2　结果与讨论

2.1　生态床对污染物的去除效果
　　三种生态床对污染物的去除效果见表3。

表3　三种生态床对污染物的去除效果(2001年3月—2001年7月) 项目 COD TN NH₄⁺-N TP 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 对照床 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 潜流式 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

　　从表3可以看出，有植物的床体对污染物的去除效果优于无植物床体。植物能够提高处理效果的主要原因可归纳为：一是植物的生长改变了生态床的流态，如生长的植物根系和植物茎杆对水流的阻碍作用(表面流床体)有利于均匀布水，延长了系统实际的水力停留时间；二是植物的根系和残枝败叶为水中微生物的生长提供了栖息场所^[4]，根系会创造有利于各种微生物生长的微环境，植物根茎的延伸会在植物根系附近形成有利硝化作用的好氧微区，同时在远离根系的厌氧区里含有大量可利用的碳源，这又提供了反硝化条件^[5]；三是植物生长对各种营养物尤其是硝酸盐氮具有吸收作用。
2.2　不同流态床体的除污效果比较
　　在潜流式床体中，由于污水在填料内部渗流，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种作用来处理污水^[6]；而在表面流床体中污染物主要是在自由水面进行分解的，植物的水下茎杆和残枝败叶可能起最主要的作用，它们为水中微生物的生长提供了栖息场所。
　　从表3可以看出，潜流式床体对COD的去除率要高于表面流床体，另外潜流式床体的出水很清澈，而表面流床体出水中可见到明显的悬浮物。这是因为在潜流式生态床系统中可沉降的那部分有机物可由沉积和过滤作用快速去除，而溶解的那部分有机物的去除主要是依靠填料和根系表面附着生长微生物的作用；在表面流生态床系统中有机物的去除主要依靠水面近乎静止沉淀的条件和表面茎杆附着的微生物的作用。由于前者具有良好的过滤作用，且微生物反应区面积较大，故对有机物的去除效果要明显高于后者。
　　表面流床体对TN的去除效果与潜流式床体相近，但对NH₄⁺-N的去除效率明显好于潜流式床体。生态床系统的除氮机理主要包括水生植物的吸收和微生物的硝化/反硝化。试验中表面流床体中所种植的水生植物长势要明显好于潜流式床体，特别是茭白，其枝叶粗大繁密，在4个月的时间内由0.4m长高到3.0m(潜流式床体中茭白的高度为2.5m)，其生长量大于潜流式床体中的植物(见表4)，这与茭白嗜水的习性有着密切的关系。水生植物的茁壮生长会使根系有更强的输氧作用，对硝化反应有促进作用。另外，表面流床体的水面长有一层浮萍，长势非常迅速，其对NH4+-N的去除也起到了一定的作用。许多湿地植物可直接利用氨氮作为氮源，从而在生长过程中能去除大量氮素，尽管表面流系统中污水与微生物接触的面积要小于潜流式，但依靠水生植物的直接作用(见表5)仍可使其对氨氮的去除好于潜流式床体。

表4　各床体植物的收割量(湿重)kg 床体 芦苇 茭白 浮萍 潜流式 7.9 16.7 　 表面流式 7 22.1 3.6

表5　3种水生植物的氮、磷含量和含水率　　% 项目 芦苇 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、磷含量均按干物质含量计算求得。

　　生态床系统中磷的去除主要靠形成不溶性的钙、铁、铝等化合物的沉淀和介质的吸附，此外磷也是生态床植物必需的养分。表面流系统由于与污水接触有限，故除磷效果较差。
　　从以上分析可知，潜流式床体为较适宜的床体型式，其对各污染物的综合去除效果较好，但表面流床体对氨氮的去除效果很好。若表面流床体与潜流式床体进行工艺组合，则可进一步强化对污染物的综合去除效果。
2.3　植物在氮、磷去除中的作用
　　生活污水中的氮通常以有机氮和氨(也可以是铵离子)的形式存在。在土壤—植物系统中有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为铵态氮，由于土壤颗粒带有负电荷，铵离子很容易被吸附，土壤微生物通过硝化作用将铵离子转化为NO₃-，土壤又可恢复对铵离子的吸附功能。土壤对带负电荷的NO3-没有吸附截留能力，NO₃-可以被植物根系吸收而成为植物营养成分或通过反硝化过程最终转化为N₂或者N₂O而挥发掉。由于本次试验进、出水的pH值均在中性左右，因此氨态氮的挥发是可以忽略的。同样，植物的生长也需要吸收磷作为营养源。
　　在试验进行的第120天，对系统中植物的一些指标进行了测定(见表4、5)。由表4、5可以计 算出运行期间通过植物吸收所去除的总氮量(Nplant)和总磷量(Pplant)。由进、出水总氮和总磷浓度和进、出水流量可以得到120d内投配的总氮总量(Nin)和排放总量(Nout)、总磷的投配总量(Pin)和排放总量(Pout)。通过下式可得到系统运行期间通过生物脱氮而去除的氮量(Nb)以及通过沉淀和介质吸附去除的磷量(Pa)，计算结果如图1、2所示。

　　　　　　?Nb＝Nin-N_plant-Nout　　　(1)
?　　　　　　Pa＝Pin-Pplant-Pout?　　(2)
　　由植物氮、磷含量和生长量计算结果可知，潜流式床体依靠植物吸收去除的氮、磷量为1625kgN/(hm²·a)和148kgP/(hm²·a)，表面流床体则为1999 kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。鉴于水生植物对污水中的氮、磷具有一定的吸收能力，故定期收割生态床系统中的植物也能促进系统对氮、磷的去除。

　　

3　结论

　　①在高水力负荷(30cm/d)的条件下，两种生态床系统的出水水质较好，满足《污水综合排放标准》的要求。对COD、TN、NH₄⁺-N和TP的平均去除率，潜流式床体分别为70.6%、60.6%、80.9%和66.0%，表面流床体则分别为63.1%、61.2%、90.2%和60.2%。
　　②表面流床体中植物对氮、磷的吸收量要大于潜流式床体。潜流式床体依靠植物吸收带走的氮、磷量为1625kgN/(hm²·a)和148 kgP/(hm²·a)，表面流床体则为1999kgN/(hm²·a)和223kgP/(hm²·a)。

参考文献：

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　　 [2]KAOM，WU M J.Control of non-point source pollution by anature wetland[J].WatRes，1999，20(3)：47-54.
　　 [3]丁庭华.污水芦苇湿地处理系统示范工程的研究[J].环境科学，1991,13(2)：8-13.
　　 [4]Huang J.Nitrogen removal in constructed wetlands employed to treat domestic wast ewater[J].Wat Res，2000，34(9):2582-2588.
　　 [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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　　作者简介：刘超翔(1974-)，男，湖北鄂洲人，清华大学在读博士研究生，研究方向为水污染控制。?
　　电　　话：(010)62778943(O)
　　E-mail:liucx99g@mails.tsinghua.edu.cn
　　收稿日期：2002-07-24