潜流型人工湿地对农田排水的净化效果

摘 要：利用潜流型人工湿地对模拟农田排水进行了净化试验。检验了不同水力停留时间、不同水深以及不同进水浓度对农田排水中主要污染物氮、磷的去除效果的影响。结果表明，此系统的运行存在一个最佳水力停留时间3d，较大的水深有利于污水的净化，而进水浓度对处理效果影响不大。系统对总磷有较高的去除效率为63%～85%，但除氮效率相对较低，从净化机理上分析了产生此种结果的原因。

关键词：人工湿地；氨氮；总氮；总磷；去除率

氮、磷是农田排水中的主要污染物质，是造成地表水富营养化的一个主要原因，其水质随化肥农药的施用量、区域降水过程等变化较大，农田排水这些不同于生活污水和工业废水的特点，使得传统的水处理技术难以适应，而且传统方法运行费用高，依我国经济基础薄弱的现状也无法广泛采用，因而需要寻求一种高效、经济的治理技术。利用自然过程进行污染物降解的人工湿地污水处理系统被认为可以成为许多地区农田排水的处理方式。目前我国对于人工湿地污水处理的研究大多集中在对生活污水的处理上，处理农田排水的研究较少。人工湿地的水力条件是维持系统正常运行，使系统充分发挥净化效果的重要因素^［1～4］。探讨水力条件对湿地净化效果的影响及其规律，对人工湿地技术在控制农业污染中的推广应用，以及对实际工程中的设计管理都有着重要的意义。本试验在西安利用潜流型人工湿地研究分析了水深、水力停留时间对农田排水净化效果的影响。同时，鉴于农田排水水质变化较大的特点，考虑了进水浓度对系统的影响。

1 试验概况

1．1 试验设计

人工污水存放于储水池中，经水泵加压进入高位水箱，而后通过配水管向人工湿地系统配水。流程示意图如下：

两组处理床均为5．8m×0．5m×1m的水平潜流湿地。处理床前后分别设有宽度为0．4m的布水区和集水区，填充粒径2～8cm的卵石，尾部安装有可调高度的出水管。床体内部填充0．85m深的天然土壤，上面密植西安常见的湿地植物芦苇和香蒲。考虑到新建的湿地系统基质中碳含量较低，为保证微生物活动所需碳源在土壤中人工添加有机堆肥。

1．2 系统运行状况

湿地植物生长状况见表1。系统正常运行时为间歇式进水，试验的第一阶段控制平均污水深度75cm，第二阶段取平均污水深度45cm（水面到池底距离），分别检测不同水力停留时间（1d、3d、5d、7d）时水中的主要污染物浓度。

1．3 供试污水特性

供试污水特性（如表2）参考实测宁夏银南灌区农田排水水质配制。根据其特点，选取高、低两种浓度，用化肥（磷酸二铵）配制供试污水。

1．4 水样的采集与指标测定

图1为取样点分布示意图。取样点1、2、3、4距进水区分别为：0．25、1．75、3．25、4．75m。

由于关心主要污染物氮、磷，因此测试中检验了氨氮、硝氮以及总氮、总磷的浓度。同时鉴于氮、磷的转化与土壤的pH值、氧化还原电位有很大的关系，这里同时进行了这两个个指标的测量。pH值、氧化还原电位用PHS-3C型pH计测定，氨氮用纳氏试剂光度法，硝氮采用紫外分光光度法^［5］，总氮、总磷用过硫酸钾氧化-紫外分光光度联合测定法^［6］测定。

2 结果与分析

2．1 不同水力停留时间对处理效果的影响

人工湿地的水力停留时间是系统中积水或达

到某一水位高程的持续时间，系统的处理效率在 很大程度上受污染物与微生物接触时间的影响^［7、8］。图2反映了平均水深75cm、高进水浓度下水力停留时间对氨氮、总氮和总磷的去除效果的影响。由图2（a）、（b），湿地系统对氨氮的去除率为59%～85%；对总氮的去除率明显低于氨氮的去除率，最高也只有64%。湿地对氮的去除主要通过微生物的硝化-反硝化过程来完成，氨氮转化为硝氮的硝化作用只改变了氮的形式，只有经过反硝化作用使氮以气体的形式挥发后，才能实现氮从系统的去除。池内的氧化还原电位为-103～-179mV（如图3），整个系统处于厌氧状态，抑制了好氧硝化反应的发生，被转化的氨氮可能有部分被基质所吸附，实测系统中的硝氮含量很低，约为氨氮含量的1/4～1/19，使反硝化反应受阻，造成了系统较低的除氮效率。氨氮和总氮的去除趋势相似，随着水力停留时间的增加，两者的去除率升高，在3d时达到最大值后，去除率开始下降。分析认为因为基质吸附的部分氮在较长停留时间里重新向系统释放，以及基质中加入的有机堆肥里的氮磷营养物质的释放对出流也有一定影响。而且，较长的停留时间使系统的厌氧状态加剧，造成除氮效率的下降。

磷负荷主要通过颗粒状态运移，进入系统中的磷多数沉积在土壤中，因此控制污水在湿地的滞留时间能达到持留磷的目的。由图2（c）看出，1池对总磷的去除率呈现出先上升后下降的趋势，在水力停留时间为3d时达到最大值85%。2池对总磷的去除率除在1d时为66%，而后的去除率较平稳，均在70%以上。结果从一定程度上反映了湿地基质对磷的持留是可逆过程，土壤吸附的一部分磷有可能重新释放到水里，因此过长的水力停留时间对磷的去除不利。

2．2 不同水深对处理效果的影响

图4显示水深为75cm时不同水力停留时间下的污染物去除率均明显高于水深45cm时的去除率，反映了植物根系在污染物去除中的作用。因为发达的根系增加了对污染物的拦截能力，并且可以充分利用附着在根系上的微生物对污染物进行降解。植物根还有着向系统输氧的作用，根系周围的好氧微环境有利于氨氮向硝氮的转化，为总氮的去除提供条件。较低的水位处，植物根系减少，供氧条件恶化，硝化水平随之降低。因此合理的水深对湿地的净化效果具有重要意义。

由图4（c）看到75cm水深时的除磷效率略高于45cm水深时，两者差值在停留时间为7d时为最高，为10%，可见水深对总磷的影响相对较小。从人工湿地除磷的机理分析，虽然湿地对磷的去除包括植物吸收、微生物的同化作用以及与填料的物理化学作用，但是其中占主导地位的是与填料的物理化学作用，即土壤中的磷酸根与Ca²⁺等阳离子发生的沉淀反应以及填料对磷的吸附作用。较高的水深利于植物对持留在土壤中的无机磷进行吸收，可能是造成较高水深时的去除率略高的原因。

2．3 不同进水浓度对处理效果的影响

农田排水的水质具有不稳定性，本试验考查了进水浓度对净化效果的影响，如图5所示。进水浓度不同，氨氮、总氮和总磷的去除曲线很靠近，最大差值为8%、5%、9%，说明进水浓度对污染物的去除影响不大，因此潜流型人工湿地系统的生物和物理作用可以适应农田排水水质变化较大的特点。

3 结论

（1）构建的湿地系统对总磷有较好的去除效果。虽然对氨氮的去除率也较高，但是由于潜流型人工湿地中污水在土壤表面下流动，系统的充氧能力较低，硝化反应在较低水平下进行，抑制了硝化-反硝化脱氮反应的顺畅进行，造成了较低的总氮去除率。在实际工程中，要提高湿地的氮去除效率，必须着力于改善潜流人工湿地的好氧环境，如：选种根系发达、输氧能力强的植物，采取多点、间歇布水，选用通气能力强的基质等措施。

（2）水力停留时间和水深是影响人工湿地处理净化效果的重要因素，在本系统中过短和过长的水力停留时间对污染物的去除均不利，存在着一个最佳的水力停留时间为3d，在这个水力停留时间下，氮、磷有最高的处理效率。水深对除磷的效率影响相对较小，而较大的水深有利于氮的去除，合理设计水深可以促进对湿地氮的去除效果。

（3）不同的进水浓度对人工湿地的脱氮除磷效果影响较小，该湿地污水处理系统的抗氮磷污染物冲击能力较强，可以适应农田排水的不稳定特性。

参考文献：

［1］ 崔保山，刘兴土．湿地生态系统设计的一些基本问题探讨［J］．应用生态学报，2001，12（1）：145-150．

［2］ 华涛，周启星，贾宏宇．人工湿地污水处理工艺设计关键及生态学问题［J］．应用生态学报，2004，15（7）：1289-1293．

［3］ 王世和，王薇，俞燕．水力条件对人工湿地处理效果的影响［J］．东南大学学报（自然科学版），2003，33（3）：359-362．

［4］ Burchell M R，Skaggs R W，et al．Effect of substrate organic matter addition on nitrate removal efficiency in surface-flow constructed wetlands［M］．Trans．ASAE，2002．

［5］ 国家环境保护总局．水和废水监测分析方法，第四版［M］．北京：中国环境科学出版社，2002：266-268，277-280．

［6］ 王继国，冯莉霞，史晓慧．总氮总磷联合测定方法研究［J］．化工环保：1995，15（6）：367-370．

［7］ Machate T，Noll H．et al．Degradation of phenanthrene and hydraulic characteristics in a constructed wetland［J］．Water research，1997，31（3）：554-560．

［8］ R．A．科比特．环境工程标准手册［M］．北京：科学出版社，2003：6．105-6．112．

作者简介： 周晓夏（1979-），女，广西柳州人，西安理工大学在读硕士；贾忠华（1967-），男，新疆塔城人，西安理工大学副教授，环境科研所副所长。