人工構造濕地可利用植物、微生物和基質間的物理、化學及生物作用共同達到污水凈化的目的。植物根系能形成網絡，傳遞和釋放氧，吸收一部分營養物質，為微生物提供生長場所，并提供好氧、厭氧條件，但植物有一定的生長期，且需要收割。好氧微生物可將有機物分解成CO2和H2O，硝化細菌和反硝化細菌可去除氮，聚磷菌去除磷?；|能截留污染物、吸附氨氮、沉淀磷，并沉淀吸附懸浮物質，為微生物提供附著面，其主要作用為吸附沉淀，但存在吸附飽和度。目前對人工濕地去除污染物的機理研究比較深入，但對人工濕地中污染物隨高度變化的凈化程度很少有研究報道。為此，筆者考察了潛流濕地系統中污染物沿高度的凈化程度，并對COD、氮、磷的去除機理及其遷移轉化規律進行分析。

1實驗部分

1.1實驗裝置

實驗裝置見圖1。該裝置有效高度80cm，超高20cm，直徑30cm，壁上設置一排間距為15cm的取樣口，用于取樣和排水。

1.2污水水質

針對天津濱海高新區代表性湖泊及周邊水域的水質情況，采用人工配水方式模擬其水環境特點，其中COD由葡萄糖提供，堿度由NaHCO3提供，氨氮由NH4Cl提供，硝態氮由KNO3提供，KH2PO4提供磷。進水水質見表1。

1.3填料種類及組合

目前，人工濕地去除污染物主要是通過控制不同因素來實現的。這些因素有基質選擇、濕干比、配水周期、基質厚度等。前期實驗結果表明，種植植物與不種植植物對污染物的去除作用差別不大，因此本實驗運行并不種植植物。

人工潛流濕地處理系統的基質填充深度是根據種植的植物根系能夠到達的深度確定的，種植蘆葦一般可達到60~70cm。本實驗的填料厚度定為75cm，其中承托層厚度為15cm。

為了綜合發揮各基質優勢，潛流濕地床往往由多種基質組成。一般來說，基質比表面積越大，污水與基質的接觸面積越大，凈化效率也會相對增加〔4〕。傳統人工濕地的基質采用土壤、砂、礫石等，雒維國等〔5〕對比了土壤、礫石、煤渣對NH4+-N的吸附效果，結果表明，在基質未達到吸附飽和度之前，煤渣的脫氮效果最好。而陶粒是目前研究較多的新型基質，具有較大的比表面積，質輕多孔。因此本實驗基質選擇礫石、土壤、陶粒、煤渣進行組合，其中煤渣粒徑在2~5mm，陶粒粒徑10mm，下層以礫石做承托層，高度15cm，中間填充煤渣，高度30cm，上層對土壤和陶粒的去除污染物能力進行對比，高度30cm。

1.4濕干比

適宜的濕干比能確保人工濕地系統高效、穩定地運行〔6〕。優化系統運行濕干比參數、促進氮脫除，是提高濕地脫氮效率的關鍵。干濕交替的工作方式最早源于快滲系統，其可以防止快滲系統的表層孔隙被過度堵塞，有效恢復系統的滲透性能，并保持穩定的處理水量；同時可對系統進行復氧，使系統內部潛層剖面上交替形成氧化、還原環境，以利于有機污染物的降解〔7〕。李英華等〔8〕從系統脫氮效果及處理效率角度推薦系統穩定濕干比為1∶1。本實驗在相同進水周期條件下，設計了兩種濕干比，分別為濕干比較小的1∶6和濕干比接近1∶1的3∶4。

1.5實驗運行方式

綜上所述，實驗共設計4組人工濕地系統模擬裝置，在不同填料組成及不同濕干比條件下，考察污染物沿高度的凈化程度。實驗運行情況見表2。

1.6分析方法

分析項目及檢測方法〔9〕：NH4+-N采用納氏試劑光度法；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3--N采用紫外分光光度法；TN采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；TP采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法。

2結果與討論

2.1污染物去除效果的整體分析

兩種填料組合在不同濕干比下對COD、TN、NH4+-N、TP的去除效果見圖2。

由圖2可知，對于相同組合填料的濕地系統，濕干比為3∶4的凈化效果要優于濕干比為1∶6。這是因為濕干比為1∶6時，落干時間長，雖然系統內的復氧充分，但容易造成土壤中微生物的營養物質缺乏，致使其生長緩慢、活性變差，最終影響出水水質；而濕干比為3∶4時，既可以恢復系統內的好氧環境，又不影響微生物活性，所以去除率較高。

濕干比在1∶6或3∶4時，陶粒+煤渣組合填料的凈化效果均好于土壤+煤渣組合填料。這是因為陶粒輕質，內部多孔，比表面積大，化學和熱穩定性好，具有較好的吸附性能，對氨氮和COD有較強的去除作用。此外土壤一般帶負電荷，而陶粒表面一般帶正電荷且親水性好，更有利于微生物固著生長。

2.2COD沿高度的變化

COD沿高度的變化情況見圖3。由圖3可知，在上層30cm處，4組實驗裝置對COD的去除率分別為62.15%、77.34%、58.48%、60.79%。

4組裝置的COD去除率曲線可用二項式模擬，其方程分別為：

1#：y=-0.097x2+0.752x-0.606（R2=0.952）；

2#：y=-0.103x2+0.793x-0.602（R2=0.868）；

3#：y=-0.075x2+0.647x-0.521（R2=0.953）；

4#：y=-0.088x2+0.720x-0.585（R2=0.959）。

這說明4個系統對COD的去除效果是顯著的，而且均集中在上層（此時COD去除率呈線性），隨著深度的增加，去除率降低。有機物的去除主要由過濾截留、吸附和生物降解作用共同完成；其中不溶性有機物主要通過填料的過濾截留、沉淀作用而被微生物吸附利用；可溶性有機物則通過填料表層生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解而被去除。由于系統上層可接觸空氣，復氧充分，有利于好氧微生物分解有機物，所以COD可通過好氧微生物的降解作用得到去除。

2.3TP沿高度變化情況

TP沿高度的變化情況見圖4。由圖4可知，1#、2#系統在上層的TP去除率呈線性關系，TP去除率分別為91.45%、86.12%，說明土壤層對TP的去除效果非常好。3#、4#系統在上層的TP去除率幾乎呈線性，分別為49.86%、59.54%，由于陶粒的孔隙率比土壤高，對磷的吸附截留相對較差，所以3#、4#在上層的除磷效果劣于1#、2#。到中層時1#~4#的TP去除率分別為95.01%、97.97%、96.34%、95.58%。由于人工濕地對磷的去除主要是靠填料的吸附和沉淀作用，說明中層填料對磷的吸附已經基本完成。4組裝置中TP去除率隨高度的變化曲線能用二項式曲線模擬，且相關系數都在0.96以上：

1#：y=-0.011x2+0.090x+0.776（R2=0.999）；

2#：y=-0.032x2+0.269x+0.444（R2=0.962）；

3#：y=-0.111x2+0.942x-0.934（R2=0.973）；

4#：y=-0.092x2+0.770x-0.567（R2=0.960）。

實驗結果表明，4組裝置對TP的去除主要發生在上層和中層。

2.4TN沿高度變化及氮基質的濃度變化

TN沿高度的變化情況見圖5。由圖5可知，4#系統出水的TN質量濃度＜3#＜2#＜1#。系統對TN的去除發生在上、中、下層，說明去除TN經歷的時間較長，這與硝化細菌的世代時間長有一定關系。采用二項式曲線進行模擬，得到4組裝置的TN去除率曲線方程：

人工濕地對TN、氨氮具有良好的降解效果，其中微生物的硝化與反硝化是人工濕地脫氮的主要作用〔2〕。實驗考察了4組裝置的三氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）沿高度的變化情況。氨氮去除率分別為86.9%、91.8%、52.2%、84.5%，亞硝酸鹽積累率（NO2--N/NOx--N）分別為21.1%、60.8%、66.5%、81.9%。4個裝置上層均出現亞硝態氮積累和氨氮的減少，說明實驗裝置上層去除氨氮只是將其轉化為亞硝態氮和硝態氮等其他形式的氮。而裝置中層和下層的亞硝態氮和硝態氮減少，說明發生了反硝化反應。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

3結論

（1）對于相同組合填料的濕地系統中，濕干比為3∶4的凈化效果優于1∶6。濕干比為1∶6和3∶4時，陶粒+煤渣組合填料的凈化效果均好于土壤+煤渣組合填料。

（2）4個裝置沿程去除COD、TN、TP具有類似的規律。COD的去除主要發生在上層（30cm），TP主要在上層和中層去除，TN的去除率發生在上、中、下整個裝置中，其中上層主要去除氨態氮，中、下層發生反硝化反應，最終脫氮。

（3）各污染物去除率沿程變化關系可用二項式模擬，且相關系數均在0.8以上。實際工程中可用二項式模擬曲線計算系統凈化COD、TP、TN所需的填料厚度，為工程應用提供指導。

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