宁波碧城生态科技有限公司 刘亮，赵燎原，许宁宁

一、概述

人工湿地是基于生态学原理，通过基质填料的过滤、吸附、沉淀、离子交换、络合反应，微生物吸收、分解、同化、氮素的硝化与反硝化作用和植物对营养元素的摄取等实现对污水的高效净化。自从上个世纪末引入国内后，在低水力负荷（0.2～0.4m3/m2·d）下运行能达到良好的效果，而且运行维护费用也低，逐渐成为主流的生态水处理工艺。但是，低水力负荷的人工湿地所需占地面积大，为了提高土地的利用率，高水力负荷（≥1.0m3/m2·d）人工湿地水处理工艺开始出现[1]。

台州湾人工湿地是台州湾现代农业水生态工程的重要组成部分，位于台州市集聚区聚海大道与绿脉南路交叉位置，承担着净化月湖水质和为其补水的重要功能。该人工强化湿地占地约232.5亩，设计处理规模为1.3×105m3/d，水力表面负荷为2.22m3/m2·d，其采用的水处理工艺为：自月湖/洪家场浦河进水→植物沉淀塘→格栅→提升泵→垂直流人工强化湿地→水平流人工强化湿地→表面流人工强化湿地→出水到月湖，且垂直流和水平流人工强化湿地是该水处理工艺的核心。通过该工艺的处理，使水质由地表水Ⅴ类净化到地表水Ⅳ类标准，保证整个月湖水系为地表水Ⅳ类水质。

为便于今后高水力负荷人工湿地的设计优化和运行控制，宁波碧城生态科技有限公司成立长三角湿地研究中心，以水力负荷、水生植物、垂直流人工强化湿地填料深度和水平流人工湿地水平长度为参数，采用上述工艺的核心垂直-水平流复合人工湿地对洪家场浦河水进行净化效果的研究。

二、试验条件

（一）垂直-水平流复合人工湿地的结构

垂直-水平流复合人工湿地系统由垂直流人工湿地和水平流人工湿地先后串联而成，池体均为钢筋混凝土结构。其中，垂直流人工湿地池体内采用平铺PVC管小孔出流的布水方式形成垂直流，从上到下装填0.4m厚度的细粒径（5～10mm）、中粒径（10～20mm）和粗粒径（20～30mm）碎石，表面栽种水生植物；水平流人工湿地池体内采用从一侧渠道进水的布水方式形成水平流，从水流进口到出口填充粗粒径（20～30mm）、中粒径（10～20mm）和细粒径（5～10mm）碎石，表面栽种水生植物。

（二）人工湿地栽种的水生植物

试验采用的水生植物为水生美人蕉。

（三）试验用水

试验用水为洪家场浦河下游河水。

（四）水质指标与化验设备

（1）水质指标

试验中检测的水质指标有溶解氧、CODCr、氨氮、总氮和总磷。

（2）化验设备

化验设备如图1所示。

图1 化验仪器

三、结果与讨论

（一）水力负荷对垂直-水平流复合人工湿地净水效果的影响

试验研究了水力负荷为2.22、1.11和0.55m3/m2·d三种运行工况下垂直-水平流复合人工湿地对洪家场浦河水净化效果的影响。试验结果见表1。

表1 水力负荷对垂直-水平流复合人工湿地净水效果的影响

从表1可以看出，随着水力负荷的逐渐降低，出水水质指标 COD、NH3-N、TN和 TP呈 逐渐下降的趋势，并且水力负荷从2.22m3/m2·d变 为 1.11m3/m2·d时的去除量要大于水力负荷从1.11m3/m2·d变 为 0.55m3/m2·d的去除量。考虑到投资成本的因素，设计时可采用的水力表面负荷为1.11m3/m2·d左右。这是因为：水力负荷降低，停留时间增加，反应进行的较为彻底，所以随着水力负荷的降低而使出水水质逐渐变好。

（二）水生植物对垂直-水平流复合人工湿地净水效果的影响

水生植物在人工湿地净化污水过程中的功能主要表现在：（1）对污水中营养物质的直接吸收、利用；（2）输送氧气到根区，提供根区微生物生长、繁殖和降解反应所需的氧气；（3）增强和维持介质的水力传输能力[2]。

本试验在水力负荷2.22m3/m2·d的条件下，进行了植物种植前后垂直-水平流复合人工湿地净水效果的影响。

数据采集与处理：对植物种植前和植物种植生长半年后的垂直-水平流复合人工湿地的净水结果数据进行连续一个月的数据采集，然后计算其平均值进行水处理效果的评价。结果见图2。

图2 水生植物对垂直-水平流复合人工强化湿地净水效果的影响

从图2可以看出：与未种植水生植物相比，种植水生植物半年后的人工湿地对水质各指标的去除率提高了15～25%。可见，植物在人工湿地对水质的净化过程中起着非常重要的作用。这主要是因为：（1）种植在人工湿地中的植物一般具有生长迅速、生物量大和吸收能力强的特征。这些植物能够直接吸收、利用污水中的营养元素，并经过同化作用将其转化为自身组分，最后，通过收割植物，将水中的营养元素去除。（2）水生植物具有的发达根系，一方面为微生物的聚集和生存繁衍提供了合适场所；另一方面能够将其通过光合作用产生的氧气通过气道传递到根区。这样在植物根部周围依次形成了好氧区、缺氧区和厌氧区，通过微生物反应实现水中营养物的去除。

（三）填料深度对复合人工湿地中垂直流部分净水效果的影响

填料深度主要对复合人工湿地中的垂直流部分形成影响，会造成水中竖向上溶解氧含量的梯度变化，从而形成不同的微生物环境，进而影响出水水质。

（1）填料深度与水中溶解氧含量的关系

试验进行了复合人工湿地中垂直流部分的填料深度与水中溶解氧含量关系的研究，考察的填料深度位置点依次为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2m，结果见图3。

图3 填料深度与水中溶解氧含量的关系

从图3可以看出，随着填料深度的增加，溶解氧呈逐渐下降的趋势。在深度大于0.6m后溶解氧的含量变化很小，约在0.5～1.0mg/l之间而呈缺氧环境。这是因为：垂直流人工湿地的水流从上到下，水中溶解氧在好氧微生物的作用下发生膜生物反应而被不断地消耗，导致填料深度方向上水中溶解氧呈逐渐降低的趋势，直到呈现厌氧状态。

（2）填料深度对水处理效果的影响

填料深度主要对复合人工湿地中的垂直流部分形成影响，其大小直接影响到填料的截留、吸附能力和微生物反应的完全性[3]。填料深度较小时，填料的截留、吸附能力不够以及造成微生物反应不彻底，造成水中污染物去除率的降低。反之，则能提高污染物的去除率，但也不应过大，否则会造成填料的浪费和出水水质变差。

本试验在水力负荷2.22m3/m2·d的条件下，进行了复合人工湿地中垂直流部分的填料深度与处理水质效果关系的试验，考察的填料深度位置点依次为0.3、0.6、0.9和1.2m，结果见图4。

图4 填料深度对水处理效果的影响

从图4可以看出，随着填料深度的增加，各水质指标COD、NH3-N、TN和TP呈先增加后保持不变的趋势，即在填料深度0.9m时，各水质指标的去除率都达到了最大。这是因为：填料深度0.9m时，填料的截留、吸附和微生物反应达到了最佳状态。

由此可知，从上述两个试验可以看出，在该试验条件下，复合人工湿地中垂直流部分填料深度宜为0.6～0.9m。

（四）水平长度对复合人工湿地中水平流部分净水效果的影响

水平长度主要对复合人工湿地中的水平流部分形成影响，主要表现为随着水在水平推流的作用下，其水质指标在不断地发生变化。试验在水力负荷为2.22m3/m2·d的条件下，进行了水平流人工湿地水平长度对处理水质处理效果的影响。试验考察的水平长度为6、12、18、24和30m处五个位置点，采样深度为0.4m。结果见图5。从图5可以看出：随着水平距离的逐渐增加，COD、氨氮、总磷和总氮的去除率呈逐渐增加的趋势，并在第四个采样点位置（距离进水口24m）各水质指标的去除率达到最大。这是因为：复合人工湿地中的水平流部分在水流方向上距离进水口24m时，填料的截留、吸附和微生物反应达到了最佳状态。可见，复合人工湿地的水平流部分的长度宜为24m。

图5 水平长度与水质指标的处理效果

四、结论

（1）水力负荷从2.22m3/m2·d变为 1.11m3/m2·d时的去除量要大于水力负荷从1.11m3/m2·d 变为 0.55m3/m2·d。考虑到投资成本的因素，设计时宜采用的水力负荷为1.11m3/m2·d。

（2）与未种植水生植物相比，种植水生植物半年后的人工湿地对水质各指标的去除率提高了15～25%。

（3）在水力负荷从2.22m3/m2·d的条件下，复合人工湿地中垂直流部分的填料深度宜为0.6～0.9m，水平流部分的长度宜为24m。