北方多级复合人工湿地对微污染河水的净化效率.docx

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1、北方多级复合人工湿地对微污染河水的净化效率：以廊坊龙河湿地为例人工湿地广泛应用于污水处理厂尾水深度处理、微污染河水净化、微污染水源水质提升等领域，多级复合人工湿地通过组合不同类型人工湿地，有效提升湿地系统对污染物的去除率。本研究在河北廊坊龙河进行试验，以高效沉淀池为预处理，组合两级潜流湿地与表流湿地建成多级复合人工湿地，研究了湿地及不同功能单元对微污染河水的净化效率，探究了不同基质及植物配置条件的湿地单元在不同季节对化学耗氧量(CoDCr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)等污染物的去除率及其驱动因子。O1人工湿地试验设计多级复合人工湿地位于廊坊市安次区龙河下游段，东张务防洪闸至龙河出境断面处

2、，采用“高效沉淀池(预处理)+多级复合人工湿地”工艺，其中多级复合人工湿地由两级水平潜流湿地与表流湿地串联而成。湿地建设水平潜流湿地面积约6万m2,表流湿地面积约2万m2,处理规模3万m3d,设计进水浓度为悬浮物(SS)60mg1,五日生化需氧量(BOD5)W20mg1,CoDaW60mg1,NH4+-N6.0mg1,TP1.5mg1,设计出水浓度为SS20mg1,BOD510mg1,CODcr40mg1,NH4+-N2.0mg1,TP0.4mg1o龙河湿地各单元布局如图1所示，龙河原水经旁路提升系统引入高效沉淀池进行预处理，再经过两级串联水平潜流人工湿地净化后排入龙河河道表流湿地。潜流湿地单

3、元处理规格为15mX35m,底部采用HDPE土工膜防渗，湿地总进水采用多级管道配水系统，进入湿地后采用多孔管配水装置，出水区的末端填料层底部设置穿孔集水管,同时设置旋转弯头和水位调节器以调节湿地水位。1Hi龙河网前水.GXt高效沉淀池出水YJh一级潜流潺地1出水OYJ2：一级海派涔地2出水.EJh二级潜流湿地I出水QEJ2：二级潜流湿地2出水。B1,表旅湿地末塔出水fI综合海流湿地单元1/1综合潜流湿地单元2河道表流禳地河迹表流湿地图1龙河多级复合人工湿地各单元布局及采样点位示意图Fie.11avoutandsamp1ingpointsofeachunitof1onehemu1ti-staee

4、compositeconstructedwet1and为研究不同基质、植物的配置对潜流湿地净化效率的影响，本研究在两级潜流湿地中设计了不同的基质-植物搭配，其中一级潜流湿地基质为碎石(40100mm),二级潜流湿地基质为碎石与沸石(1632mm)以1:4比例均匀混合，基质厚度1.0m,平均运行水深0.85m。湿地植物选用本地水生植物中净化效果较好的芦苇(Phragmitesaustra1is)和香蒲(TyPhaeIatifo1ia),芦苇种植密度为25丛m2,香蒲种植密度为16丛/n?。02采样设计本研究共设置7个采样点，分别为龙河闸前水（1H）、高效沉淀池出水（GX）、一级潜流湿地1出水（Y

5、J1,基质为碎石，植物为芦苇）、一级潜流湿地2出水（YJ2,基质为碎石，植物为香蒲）、二级潜流湿地1出水（EJ1,基质为碎石+沸石，植物为香蒲）、二级潜流湿地2出水（EJ2,基质为碎石+沸石，植物为芦苇）、表流湿地末端出水（B1）。03湿地系统净化效率分析龙河湿地主要污染物CODCr、NH3-N.TP进出水浓度全年变化如图2所示。CODe、NH3-N.TP在湿地最后1个处理单元表流湿地末端出水均优于地表水环境质量III类标准（GB3838-2002）,平均削减浓度分别为13.3mg1（图2a）、分别为0.395mg1（图2b）、0.086mg1（图2c）,平均去除率分别达到48.4%、75.5

6、%、57.9%o4030-20-IO-2019/122023/012023)22023)32O2OM2023/052023/062023)72023/082023/092023/102023/111.0采样日期0.8-0.6-0.4-0.2-0.0-2019/122023)12023)22O2(M)3202(2023/052023/062023)72O2Q)82023/092023/102023/11采样日期2019/122023)12023/022023)32023/042023)52023/062023/072023/082023/092023/102023/11采样日期0.0(a)COD

7、cr;(b)NH3-N;(c)TP图2龙河湿地对污染物去除率Fig.2Po11utantremova1effiencyof1ongheconstnctedwet1and不同季度龙河湿地进出水中污染物浓度及其去除率存在较大差异。夏季人工湿地出水平均CoDCr浓度为14.4mg1,显著高于冬季和春秋，而夏季CoDCr平均去除率仅为45.9%,也显著低于冬季和春秋(PV0.05)o夏季温度较高且CODCr浓度较高，微生物在高温下对CODcr的去除率下降。龙河湿地NH3-N和TP去除率均在春秋达到较高水平，平均去除率分别为77.2%和63.6%,显著高于冬季和夏季的去除率(P0.05),但造成这一结果

8、的原因却不相同。人工湿地进水NH3-N浓度在春秋达0.569mg1,比冬季和夏季分别高出18.0%和15.2%,而不同季度人工湿地出水NHyN浓度之间差异较小，说明人工湿地对NH3-N指标的控制效果较为稳定，当进水NH3-N浓度较大时，去除率也可达到较高的水平。而在TP方面，除了春秋TP去除率最高外，人工湿地春秋进出水中TP平均浓度也显著低于其他季度(P0.05),一方面可能是因为春季植物生长对磷的吸收能力更强,另一方面也可能是因为春秋季的温度(2030C)更适宜聚磷菌的生长。04各功能单元去除污染物贡献分析湿地各功能单元PH值和DO平均值如图3所示，采样点1H全年平均PH值为7.87,显著高

9、于后续其他单元(P0.05),但DC)浓度由于不同季节气温变化显著而呈现冬季低、春夏季高的趋势。注：显苦水平为005.小写字母我示差异性Notes:Thesignificance1eve1was0.05.aud1owercase1ettersrepresenteddiffereuce图3龙河湿地各采样点PH值和DO平均值及差异性分析Themeanva1ueauddifferenceana1ysisofpHaudDOateachSaUIPIiUgpointof1ougheconstructedwet1aud龙河湿地各功能单元对污染物去除均有不可忽视的贡献（图4）o各单元对CoDC1的去除贡献排序

10、为：高效沉淀池一级潜流湿地二级潜流湿地表流湿地。各单元对NH3-N的去除贡献排序为：一级潜流湿地高效沉淀池二级潜流湿地表流湿地。各单元对TP的去除贡献排序为：一级潜流湿地高效沉淀池二级潜流湿地表流湿地。(a)CODo:(b)NHj-N:(c)TP图4汨地告功能单元不同季度对污染物的去除贡IttFig.4 Contributionofeachfunctioua1unitoftheCOnStnK1edwet1audtopo11utantremova1indifferentseasons05潜流湿地污染物去除季度差异分析不同配置潜流湿地单元在不同季度对CoD、NH3-N和TP的去除率如图5所示。在相

11、同基质配置的情况下，种植香蒲的YJ2和EJ1对CoDCr的净化效率分别显著高于YJ1和EJ2(P0.05),说明香蒲比芦苇更有利于潜流湿地对微污染河水中CoDa的去除。YJ1和EJ2对CODQ的去除率在春秋季显著高于夏季和冬季(P0.05)。这一结果说明种植芦苇的潜流湿地受季节的影响大于种植香蒲的潜流湿地,可能是因为芦苇生长的季节性较香蒲更强，而香蒲对CODCr的去除率更稳定。注：(a)CODc,c(b)NHj-Ni(C)TP,星号数量代表显著性差异，显若性水平为0.05Notes:(a)CODc,:(b)NHrN;(c)TP.Thenumberofasterisksrepresentedsi

12、gnificantdifferences,withasignificance1eve1of0.05图5潜流湿地单元不同季度对污染物的去除睾Fig.5 Po11utantremova1effiencyofsubsurfacef1owIiniISwithindifferentseasonsYJ1和YJ2对NH3-N去除率显著高于EJ1和EJ2(P0.05),说明芦苇和香蒲对于NH3-N的去除效果差异不大。4种不同配置的湿地单元对TP的去除率排序为：YJ2YJ1EJ2EJ1o两个一级湿地对TP去除显著高于两个二级湿地，主要是因为一级潜流湿地进水中TP浓度显著高于二级潜流湿地的进水。而YJ1与YJ2、

13、EJ1与EJ2的去除率之间均不存在显著差异(P0.05),说明芦苇和香蒲对于TP的去除效果差异不大。06潜流湿地净化效率影响因子龙河湿地系统及湿地各个功能单元对CODCr、NH3-N和TP的去除率均在春秋季达到最高。一方面，随着温度的增加，湿地对有机物的去除呈现先上升后下降的趋势，因此在温度过高时，COD去除率会呈现下降趋势。另一方面，秋季是湿地微生物量达到最高的季节，且秋季温度适宜，有利于微生物对污染物的去除。以综合潜流湿地单元1(YJ1+EJ1)和单元2(YJ2+EJ2)为分析对象，对湿地进水各指标及污染物去除率进行Pearson相关性分析，两个综合湿地单元表现出相似的规律(图6)o潜流湿

14、地中DO与温度(T)呈显著正相关，温度越高，水中溶解氧的浓度就越高，有利于湿地中微生物的新陈代谢。同时潜流湿地中CoDa的总去除率与CODCr浓度显著负相关，TP的总去除率与TP、SS的浓度呈显著负相关关系，说明在一定范围内CODCr和TP浓度越高，潜流湿地对这两种污染物的去除效率就越低。另外，相关性分析结果表明，NH3-N的去除率与温度和Do具有显著的负相关关系。一般来说，温度与DO越高，越有利于潜流湿地中的微生物进行硝化-反硝化作用去除NH3-No但另一方面，温度也与NHvN浓度显著正相关，说明在龙河湿地潜流单元中,污染物浓度是影响去除率更重要的驱动因子。a丹雄/S3a小心(a)(b)注(a)综合潜流湿地单元1；(b)综合潜流湿地单元2.ReoD为CODei去除率.RNHJ为NH3-N去除率.RTP为TP去除率。Notes:(a)comprehensiveunit1;(b)comprehensiveImi12.RCODmeanstheefficiencyofCODcnRNHjmeanstheefficiencyofNHJ-N:RTPmeanstheefficiencyofTP图6综合潜流湿地单元各指标Poarson相关性分析Fig.6 Pearsoucorre1atiman