和丽萍，范泽文，陈 静，杨逢乐，田 军

(1.云南省环境科学研究院，昆明 650034;2.镇雄县环境科研监测站，云南昭通 657200)

湿地污水处理系统主要分为天然湿地、表面流人工湿地和地下潜流人工湿地3类，其中以人工湿地应用最为广泛。国外有目的地利用湿地来处理污水始于20世纪70年代，美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、英国及日本等国都进行过这方面的尝试，20世纪80年代后期人工湿地由试验阶段进入到应用阶段，在人工湿地污水处理能力及作用机理等基础研究方面作了大量研究，并取得了巨大成就。美国、加拿大、澳大利亚、墨西哥、巴西、荷兰、丹麦、英国及日本许多国家建造了相当数量的人工湿地污水处理系统，目前该技术已被广泛应用到农业面源污染控制、暴雨径流污染控制、村镇污水控制、养殖废水处理及现行常规污水处理厂出水深度净化等领域。我国对人工湿地的研究及实际应用始于20世纪80年代后期～21世纪初，主要包括北京昌平自由水面湿地试验研究 (1988年)、华南环科所深圳白泥坑人工湿地处理城镇污水示范工程(1990年)、天津环科所芦苇湿地处理城市污水试验研究、中国环科院人工湿地控制农田径流污染试验研究 (1994年)、中科院南京植物所人工湿地处理酸性铁矿废水试验研究，成都活水公园人工湿地(1998年)，深圳环科所洪湖公园人工湿地示范工程 (1999年)等。

一般来说，人工湿地抵抗水力负荷变化的能力较强，水力负荷在湿地系统能够承受的范围内波动，不会对其净化效果造成明显的影响，但水力负荷过大，使湿地水力停留时间缩短，导致湿地物理、化学及生物作用所需的时间不能得到满足，影响出水水质［1］。本研究在对国内外人工湿地研究和应用实例深入调查研究及总结经验教训的基础上，对抚仙湖马料河人工湿地及窑泥沟人工湿地约30次水质、水量监测数据进行了详细分析，同时对现有人工湿地工程设计参数进行深入分析论证，提出符合当地自然条件、生态特征及污染特征的人工湿地工程水力负荷设计参数，为人工湿地工程设计提供技术参考，同时指导人工湿地的规划、建设、运行及维护管理工作。

1 研究条件与方法

1.1 人工湿地建设及处理工艺

试验选取建设于抚仙湖北岸污染较为严重的马料河、窑泥沟的两个人工湿地。

两个人工湿地均采用独创式复合型人工湿地自流净化工艺，工艺流程如图1。

图1 人工湿地工艺流程Fig.1 Flowchart of the constructed wetland process

1.1.1 马料河人工湿地

抚仙湖马料河人工湿地位于抚仙湖北岸，占地面积1.99 hm2，设计处理能力为1.5万 m3/d，主要接纳抚仙湖北岸马料河流域的农业面源及村落污水。设计采用独创的复合型人工湿地自流净化工艺，工艺流程为拦污栅—沉淀池—生物氧化塘—潜流湿地—表流湿地。工程2003年6月开工，同年10月建成并投入试运行，运行结果表明，污染物去除率 COD55%，BOD50%，SS90%，TN60%，NH3－N60%，TP50%，TP31%，出水水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类标准，工程投资333.5万元 (含征地费)。

1.1.2 窑泥沟人工湿地

抚仙湖窑泥沟人工湿地位于抚仙湖北岸，占地面积2.20 hm2，设计处理能力为1.0万m3/d，主要处理上游澄江县城市生活污水、县城污水处理厂排水、沿途13个村庄的生活污水和上万亩农田径流形成的混合污水。设计采用拦污栅—沉淀池—生物氧化塘—潜流湿地—表流湿地的复合型人工湿地工艺。该湿地于2001年11月建成运行，工程吨水建设投资191元 (不含租地费)，吨水处理运行费0.10元左右，不使用化学药剂，主要产物可二次利用，并利用原有湖滩地的自然高差实现无能耗自流运行。工程运行结果表明，污染物去除率COD58%，BOD535%，SS97%，TN45%，TP31%，明显削减了窑泥沟入湖污染负荷。但由于进水浓度过高，该人工湿地运行1年左右潜流湿地完全堵塞，潜流湿地变成了表流湿地。2003年～2004年实施了湿地改扩建工程，新增湿地面积约1倍，增加了垃圾拦污栅和污泥清除措施，并将原有潜流湿地床进行了彻底清理，2005年继续投入运行。

1.2 人工湿地进水水量

为了解马料河人工湿地、窑泥沟人工湿地的处理水量情况及其对水质净化效果的影响，我们在采样监测水质的同期，也测量了进水水量。测量结果表明，马料河人工湿地平、枯、丰3个不同水期进水量为2929～16542 m3/d，平均为9023 m3/d，马料河人工湿地占地面积约为19868 m2，由此可以计算出其水力负荷为0.147～0.833 m3/m2·d，平均为0.454 m3/m2·d。窑泥沟人工湿地平、枯、丰3个不同水期进水量为3231～31948 m3/d，平均为7103 m3/d，占地面积约为10060m2，水力负荷为0.10～3.18 m3/m2·d，平均为0.76 m3/m2·d。人工湿地进水水量及水力负荷如表1所示。

1.3 测试项目及方法

根据2003～2008年间，分别对马料河人工湿地、窑泥沟人工湿地各4个采样点的4项水质指标进行了30次采样监测，4个采样点分别为湿地进水口、氧化塘出水口、潜流湿地出水口、表面流湿地出水口。4项水质指标为 TN、NH3－N、TP、CODcr、CODMn、SS及BOD5等。监测方法均采用国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法》，具体监测方法为:TN采用碱性过硫酸钾分光光度法，NH3－N采用水杨酸分光光度法，TP采用钼酸铵分光光度法，CODcr采用重铬酸盐法，SS采用采用重量法，BOD5采用稀释与接种法。

2 不同水力负荷条件下的净化效果

马料河人工湿地、窑泥沟人工湿地由于受季节及农事影响，进水流量变化幅度较大，马料河人工湿地水力负荷范围在0.15～2.18 m3/m2·d之间，湿地系统设计处理污水能力只有0.73 m3/m2·d;窑泥沟人工湿地水力负荷范围在0.10～3.18 m3/m2·d之间，湿地系统设计处理污水能力只有0.76 m3/m2·d。当进水流量最大时，高出设计处理能力约3～4倍，相应的处理效果较差;而在旱季缺水的条件下，进水水量仅为0.13～0.15 m3/m2·d，低于设计要求，处理效果较好。水力负荷与污染物去除率的相关性见表2与表3，水力负荷对去除效果的影响见图2与图3。

表2 马料河人工湿地水力负荷与污染物去除率的相关性Tab.2 The correlation of hydraulic loading and removal rate of constructed wetland in Maliao River

2.1 对TN去除效率的影响

由表1及表2可以看出，TN去除率随着水力负荷的增加而下降［2］。马料河人工湿地当水力负荷为0.1～0.3 m3/m2·d之间时，TN去除率为60% ～65%;当水力负荷为0.4～0.6 m3/m2·d之间时，TN去除率为50%左右;当水力负荷为0.7～0.8 m3/m2·d之间时，TN去除率为40%左右;当水力负荷为2.0 m3/m2·d以上时，TN去除率仅为20%以下。窑泥沟人工湿地当水力负荷为0.1～0.3 m3/m2·d之间时，TN去除率为40%以上;当水力负荷为0.4～0.8 m3/m2·d之间时，TN去除率为33%左右;当水力负荷为0.8～2.0 m3/m2·d之间时，TN去除率为10%～20%;当水力负荷为2.0 m3/m2·d以上时，TN去除率仅为10%以下。分析水力负荷对TN去除效率的原因，主要是人工湿地系统对氮的去除效果主要是通过硝化和反硝化反应及水生植物的吸收。当水力负荷较小时，污水在湿地系统内的停留时间较长，污水在湿地系统中的硝化和反硝化反应较为充分，污水中的污染物质能够得以相对彻底地分解，同时湿地系统的植物及微生物对污水中物质吸收较为充分，使得水体中污染物浓度可以得以明显下降。水力负荷过大时，水力停留时间过短，湿地系统中的硝化菌及反硝化菌的世代时间严重不足，甚至部分硝化菌及反硝化菌易随水流带出系统，从而抑制了硝化菌的硝化作用及反硝化菌的反硝化作用，从而使TN去除率下降［3］。

2.2 对TP去除效率的影响

TP去除率开始时去除率随水力负荷的增高而迅速升高，达到最大值后，又逐渐下降。马料河人工湿地当水力负荷为0.1～0.4 m3/m2·d之间时，TP去除率为40－50%;当水力负荷为0.5～0.6 m3/m2·d之间时，TP去除率为30%左右;当水力负荷为0.7～0.8 m3/m2·d之间时，TP去除率为20%以下;当水力负荷为2.0 m3/m2·d以上时，TP去除率仅为10%以下。窑泥沟人工湿地当水力负荷为0.1～0.3 m3/m2·d之间时，TP去除率为40% ～50%;当水力负荷为0.3～1.0 m3/m2·d之间时，TP去除率为30%左右;当水力负荷为2.0～3.0 m3/m2·d之间时，TP去除率仅为20%以下。分析水力负荷对TP去除效率的原因，主要是湿地系统中的磷几乎是通过微生物及植物的吸收和填料的物理化学作用去除的。水力负荷过低，易造成湿地系统中的厌氧，微生物原先在好氧环境下过量吸收的磷又重新释放，致使TP去除率下降;而水力负荷过大时，污水的流速过大，对填料的冲击也使原先被吸附在填料或植物根茎表面的磷冲出系统，造成TP去除率下降［4］。

图2 马料河人工湿地水力负荷对污染物去除效果的影响Fig.2 The influence of hydraulic loading on pollutants removal rate of constructed wetland in Maliao river

图3 窑泥沟人工湿地水力负荷对污染物去除效果的影响Fig.3 The influence of hydraulic loading on pollutants removal rate of constructed wetland in Yaonigou

2.3 对COD去除效率的影响

COD去除率受水力负荷的影响程度相对较小［2］。在项目监测周期内，马料河人工湿地当水力负荷0.1～2.0 m3/m2·d之间变化，COD去除率基本在20%～70%之间波动，平均去除率为42.2%。窑泥沟人工湿地当水力负荷0.1～2.0 m3/m2·d之间变化，COD去除率基本在10% ～80%之间波动，平均去除率为46.5%。这是因为湿地系统中大部分有机物首先被植物根际、填料表面的生物膜吸附，继而被微生物逐步降解。在水力负荷较低时，有机物的生物膜吸附及微生物降解较为充分，但容易造成厌氧状态，影响净化效果;在水力负荷较高时，水体中氧份较为充足，有利于有机质的降解，但随水力负荷升高，部分吸附在生物膜表面的有机物未来得及被降解 (即降解滞后)即随出水带出，故使COD去除率下降。

2.4 对SS去除效率的影响

SS去除率与TN、TP去除率的变化趋势基本一致，即随着水力负荷的逐渐增大，SS去除率逐渐下降［4］。马料河人工湿地当水力负荷为0.1～0.2 m3/m2·d之间时，SS去除率为90%以上;当水力负荷为0.3～0.6 m3/m2·d之间时，SS去除率为60% ～70%左右;当水力负荷为0.7～0.8 m3/m2·d之间时，SS去除率为50%左右;当水力负荷为2.0 m3/m2·d以上时，SS去除率仅为40%以下。窑泥沟人工湿地当水力负荷为0.1～0.5 m3/m2·d之间时，SS去除率为80%以上;当水力负荷为0.5～2.0 m3/m2·d之间时，SS去除率为70%以上;当水力负荷为2.0～3.0 m3/m2·d之间时，SS去除率为50%左右。分析水力负荷对SS去除效率的原因，主要是湿地有机物系统中具有沉降性的物质，通过沉积和过滤可很快被去除，即湿地系统中的SS主要是通过沉降、填料过滤和拦截作用去除的。当水力负荷较小时，湿地系统对SS的拦截、沉降及过滤作用较强;随着水力负荷的增大，大量的悬浮物质被拦截、沉降于湿地系统，促成SS去除率逐渐增大。水力负荷达到峰值后，因人工湿地系统内的水流水量太大，悬浮物质不能被人工湿地拦截、沉降而是随着水流被冲走，SS去除率又随水力负荷的增大而减小。

3 研究结论

(1)人工湿地抵抗水力负荷变化的能力较强，水力负荷在湿地系统能够承受的范围内波动不会对其净化效果造成明显的影响，但水力负荷过大，使湿地水力停留时间缩短，导致湿地物理、化学及生物作用所需的时间不能得到满足，影响出水水质。

(2)TN、TP及SS去除率随着水力负荷的增加而下降，COD去除率受水力负荷的影响程度相对较小。马料河人工湿地进水负荷为0.1～0.3 m3/m2·d之间时，TN、TP去除率均在50%以上;BOD5和COD去除率受水力负荷的影响程度相对较小;水力负荷为0.4 m3/m2·d时，NH3－N去除率在60%以上。窑泥沟人工湿地当水力负荷为0.1～0.3 m3/m2·d之间时，TN、TP去除率在40%以上，当水力负荷为0.3～0.5 m3/m2·d之间时，NH3－N、BOD5和COD去除率均在40%以上。

(3)综合考虑水力负荷对氮磷、有机物及悬浮物等水质净化效果的影响，如果不考虑其它因素，仅从系统处理效果的角度选择水力负荷，马料河人工湿地系统的最佳水力负荷为0.1～0.4 m3/m2·d，窑泥沟人工湿地系统的最佳水力负荷为0.1～0.5 m3/m2·d。据此判断，人工湿地系统的最佳水力负荷为0.5 m3/m2·d以下。

［1］ 汪俊三，覃 环.高水力负荷人工湿地处理富营养化湖水［J］. 中国给水排水，2005，21(1):1－4.

［2］ 吴振斌，李 谷，付贵萍，贺 锋，成水平.基于人工湿地的循环水产养殖系统工艺设计及净化效能［J］.农业工程学报，2006，22(1):129－133.

［3］ 聂志丹，年跃刚，李林锋，谢爱军，周 炜.水力负荷及季节变化对人工湿地处理效率的影响［J］.给水排水，2006，32(11):28－31.

［4］ 程慧艳，贾忠华，刘建刚.西安市污水土地处理系统水力负荷的模拟分析［J］. 水利学报，2005，2(2):1－6.