表流人工湿地COD去除影响因素研究

摘要：研究了表流人工湿地系统中COD去除率的影响因素，根据南四湖、东平湖表流人工湿地中试试验基地3年的 COD、DO、HRT、温度、植物要素等的监测结果，分析了系统不同运行条件下的COD去除率。结果表明：在未校正由较大渗透量引起的污染物浓缩情况下该中试系统对COD的平均去除率为26.4%，且去除场所主要位于湿地A段，占72%；在进水COD浓度60～120.3 mg/L范围内，出水COD浓度随系统进水COD浓度呈线性变化，表流人工湿地系统不具备高效处理的能力。系统的COD去除率在5～10月份逐月增长，10月份达到最大33.9%；COD去除率与溶解氧浓度具有大致同步的增减变化过程，且溶解氧的补给主要依靠大气复氧；在HRT月平均值范围2～12 d内，COD去除率随HRT的延长而提高，较长的水力停留时间有利于提高COD去除率，但会降低去除COD的能力。

关键词：人工湿地；污水处理；COD去除；影响因素

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8002804

1引言

城市生活污水在经过常规的二级处理后，尽管污染物已被大幅度去除，但排入自然水体中仍会造成污染。在二级处理后常采用常规三级处理，如反渗透法、离子交换法和电渗析法等[1～3]，常规三级处理虽然可提高排放水的质量，但其建设及运行费用非常昂贵，大大提高了回用水的成本。同时，由于二级处理工艺的出水污染物浓度在现有水平上已没有大幅下降的空间，故采用经济、高效的三级处理工艺在污水处理中就尤为重要。人工湿地工艺设备简单、运行维护管理方便、能耗低并且具有非常好的生态环境效益[4，5]。现有的表流人工湿地去除COD的研究大多局限在COD的去除率表现上[6～8]，但对其去除率影响因素的探究较少，而且针对人工湿地去除COD的季节及年际变化研究较多[9～11]，针对月份变化的研究较少。因此，试验以南四湖、东平湖人工湿地中试试验基地为平台，将系统COD去除率分别与月份、DO、HRT、水力负荷结合进行分析，探究了各因素对COD去除率的影响，并探讨其可能机理。

2材料与方法

2.1进水水质

中试试验基地进水为济宁市污水厂二级出水，试验水量50～100 m3/d，试验进水水质见表1。

2.2表流湿地系统介绍

该人工湿地水质净化系统占地面积约为2000 m2，有效湿地池面积1000 m2，处理工艺见图1。采用串、并联组合的表流运行方式，设计为A-B两段处理工艺，分为1#、2#两个并联试验系统。A1、B1两池串联组成1#系统，A2、B2两池串联组成2#系统，每个处理单元面积为250 m2，长宽比大致为4∶1，单池尺寸均为31.25 m×8 m。A1、B1、A2三池选择种植芦苇，B2池选择种植香蒲。湿地池设计水深0.15～0.50 m。

2.3研究方法

人工湿地中试试验在2003～2005年分时段检测，试验进水、1#、2#试验系统A段、B段出水采用同步采样，检测频次为每周2～5次，COD检测值共计1350个。由于湿地试验系统的水力停留时间一般在2～15 d，湿地试验系统中水流的移流离散和反应动力学特性为推流型，当天同步采样的进、出水水质没有直接的因果关系，而受前些天的进水水质影响很大，所以采用月平均值进行分析。并且在自然环境条件下，月份综合反映了南四湖、东平湖区域芦苇及其它湿地植物的生长阶段、植物叶面积指数LAI、生物量及湿地的水温和溶解氧的动态变化过程[12，13]，也比较直观。采用重铬酸钾法测定COD（GB11914-89）；采用稀释接种法测定BOD5（GB7488-87）；用810型DO测试仪测定DO。

蒸发蒸腾损失是湿地的共性特征，所以在该中试试验系统中无需进行污染物浓缩作用的修正，而渗透损失受试验场地和试验系统本身的影响，渗透量相对较大，致使检测的污染物出水浓度偏高，由此计算的污染物去除率偏小，该去除率为试验系统的最小去除率，以η下用表示。在去除率计算中，对因渗透损失水量而引起的污染物浓缩作用予以扣除从而对污染物去除率加以修正。忽略渗透水中可能带走的少量污染物，将其渗透水量作为系统出水量进行加权，以此修正出水的污染物浓度，再计算污染物去除率，该去除率可以理解为试验系统的最大去除率，以下用η上表示之。它们的计算公式分别为：

η下=1-CeC0×100%（1）

η上=1-QeCe（Qe+I）C0×100%

=1-QeCe（Q0-ET）C0×100%（2）

式中：C0橄低辰水污染物浓度，Ce为A段出水/B段出水污染物浓度，可得到A段或系统的下去除率。I为渗透损失水量，ET为蒸散损失水量，Q0为湿地试验系统进水流量，Qe为A段出水/B段出水流量，可得到A段或系统的上去除率。

3结果与分析

3.1常规水质监测结果

三年的COD监测结果见图2。监测时间内系统出水COD浓度范围为41.0～108.4 mg/L，平均为62.1 mg/L， COD的平均去除率为26.4%，相对较低。分析原因有两点：①原水的可生化性较差，试验进水BOD5 /COD的总平均值为0.17，月平均最大值也只有0.29。②水流在湿地表面流动无法充分利用植物根系的泌氧能力[14]。由图2可以看出，湿地试验系统的进水、A出水和B出水月平均COD浓度的动态变化过程相似，A出水和B出水的月平均COD浓度随试验系统进水月平均COD浓度的增大而增大，反之也是同样的规律。说明表流人工湿地水质净化系统不同于一般的污水处理系统，它不具备高效去除COD的能力，而是在原来的基础上通过过滤、沉淀、吸附、植物吸收和微生物的生化作用起到一定的净化效果[15]，其出水COD随进水COD的变化而变化。

扣除2003年6月和2004年4月两个特殊的COD试验点，将其它1#、2#试验系统的所有月平均进出水COD浓度绘于图3，可清晰看到A、B出水COD与进水COD 的关系。试验系统COD浓度削减范围为6.7～35.2 mg/L，平均削减22.0 mg/L。其中A段占试验系统削减量的72%， B段占试验系统削减量的28%，因此人工湿地水质净化系统在初始段对COD的去除能力较强，随着流程的增加湿地试验系统对COD的去除能力明显衰减[16]。

3.2不同月份表现出的COD去除率

2003～2005年检测时段内1#、2#试验系统的所有实验结果按月取平均，将系统COD下去除率η下和上去除率η上的动态变化过程绘于图4。可以看出检测时段总体上的月平均COD上、下去除率变化情况：在5～10月份COD去除率是逐月增长，10月份COD去除率达到最大（η下=33.9%，η上=48.8%），在10～12月份COD去除率是逐月下降，12月份COD去除率降低为η下=11.2%，η上=45.7%，次年1月COD下去除率略有回升。8月份植物叶面积指数LAI最大，植物生长最快，水温也最高，但溶解氧最低，湿地池浓密的大型挺水植物和浮水植物限制了大气中氧气向水中的扩散，晚上活性植物的呼吸作用可能会将白天的光合作用完全抵消，以至于使湿地池水体处于缺氧（厌氧）状态，大大减小了湿地池中好氧微生物的生化降解作用，降低了水质净化效率。10月份水温相对较高，湿地植物处于成熟期，仍需要吸收一定的营养物，并且植物叶子枯死，湿地透气、溶解氧浓度迅速提升，所以表现出10月份COD去除率最大。4月份（2、3月份未作检测，下同）温度回升，湿地底泥会释放出有机污染物，致使COD下去除率出现负值。 月份反映了各因素综合作用的结果。以月份序号作为自变量进行回归分析，见图5。

3.3DO对COD去除的影响

将1#与2#试验系统对应的COD月平均去除率进行平均得到系统整体的月平均COD去除率，系统整体的月平均DO浓度同理。将系统的COD去除率和DO浓度绘于图6。可以看出，人工湿地的COD去除率与DO浓度最大值出现的月份相同，COD去除率与DO浓度具有大致同步的增减变化过程。试验检测时段（春、冬季未检测）月平均DO变化情况：6～8月份较低为0.5～0.7 mg/L，10、11月份较高为1.1～1.9 mg/L，同时，后者的COD去除率明显高于前者。6～8月份处于芦苇的拔节生长阶段，生长旺盛，植物根系输氧能力较强，但同时由于植物叶密闭导致大气自然复氧能力较低。10、11月处于芦苇扬花成熟阶段，发育减缓，根系输氧能力下降，同时叶子枯死，湿地的透气、大气复氧能力增强。可知，在该中试表流湿地中COD去除所需的氧气主要来自大气复氧，植物向根区的输氧对COD去除所做的贡献较少 [17]。另一方面， 2004年挖除了B2池中的部分香蒲，B2池形成部分开敞性水面，大气复氧作用明显，使得B2池溶解氧达到1.51 mg/L，超过A2池溶解氧（0.84 mg/L）的80%，同样证明上述观点。

3.4HRT对COD去除的影响

检测时间内HRT月平均值范围为2～12 d，将系统的COD月平均去除率与对应的HRT绘于图7。在完全自然环境条件下进行人工湿地中试试验研究，这既有一年的季节性气候变化、降雨和渗透等影响，也有湿地植物生长阶段与收割、水温和DO变化等影响，虽然图7中试验点有些分散，但除去2003年6月和 2004年4月因底泥释放污染物去除率为负值的2个试验点，仍能看出人工湿地中试试验整体COD去除率随HRT的增大而增长的规律。

3.5水力负荷对COD去除的影响

水力负荷是湿地运行的一个重要参数，将直接影响湿地的处理效果[18]。定义湿地试验系统单位表面积上的污染物去除量为污染物表面去除负荷（AELR），单位体积上的污染物去除量为污染物容积去除负荷（VELR），可表示单位面积或体积湿地的污染物去除能力。其定义式如下：

AELR=Q0C0-QeCeA（3）

VELR=Q0C0-QeCeV（4）

将1#与2#试验系统对应的月平均水力负荷进行平均得到系统整体的月平均水力负荷，系统整体的月平均去除负荷同理。对试验数据进行综合整理分析，图8给出了系统整体的COD表面去除负荷、COD容积去除负荷与水力负荷的相关关系， 系统水力负荷月平均值的范围为4～15 cm/d。可以看出，人工湿地水质净化工程的COD表面去除荷与水力负荷的相关性密切，COD容积去除负荷与水力负荷的相关性比较密切。在试验水力负荷范围内，COD表面去除负荷和COD容积去除负荷均随水力负荷的增加而增大。因此，在人工湿地水质净化工程其他设计要素许可的情况下，应适当提高人工湿地的设计水力负荷。

4结论

（1）采用月份反映南四湖、东平湖人工湿地中试试验系统各变量的综合作用，并建立了月份与COD去除率的拟合曲线，通过曲线更直观详细地掌握人工湿地水质净化工程水质净化效果的季节性动态变化过程。

（2）从系统的COD去除率来看，该中试系统对COD的下去除率平均为26.4%，且出水COD随进水COD的变化而变化，不具备高效处理的能力。

（3）表流湿地系统的COD去除率随DO浓度的增大而增大，主要通过大气复氧增加系统的溶解氧，适当地间隙性布置开敞水域、沉水植物、浮水植物，对水体复氧、增强好氧微生物活性和提高污染物去除率具有良好的促进作用。

（4）水力负荷在4～15 cm/d的范围内，在其他设计要素许可的情况下可提高其水力负荷来提高表流湿地COD的去除能力。

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