人工濕地的污染物去除機理包括吸附過(guò)濾、離子交換與共沉、植物吸收與微生物降解等多重作用，與常規的污水處理工藝相比，具有處理效果好、氮磷去除能力強、運轉維護管理方便、工程基建和運轉費用低以及對負荷變化適應能力強等顯著(zhù)特點(diǎn)。
通常情況下，按照系統布水方式的不同，可以將人工濕地劃分為表面流型和潛流型，潛流型人工濕地又可劃分為水平潛流型和垂直潛流型：表面流型人工濕地設計水位較淺，一般控制在0.3～0.5m，主要依靠濕地內部水生植物的攔截以及附著(zhù)在植物根莖上生物膜的生物降解作用，具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運行費用低等優(yōu)點(diǎn)，但占地面積較大，水力負荷率較小，去污能力有限。水平潛流型人工濕地通常由一個(gè)或多個(gè)填料床構成，內設吸附能力較強的填料，底部敷設有防滲膜或者其他防滲層用于防止污染地下水，能夠承載相對較大的水力負荷，對BOD5、COD、SS、重金屬等污染物質(zhì)具有較好的去除效果，在水平潛流型人工濕地中，水面在填料以下，污水能夠從池體進(jìn)水端水平流向出水端，可有效避免污水惡臭以及蚊蠅孳生等問(wèn)題。同時(shí)，能夠適應一定程度的溫差變化，但是水平潛流型人工濕地的代謝需氧量主要來(lái)自大氣復氧，容易出現溶解氧含量不足，因而對氨氮、有機氮類(lèi)污染物的去除能力有限。垂直潛流型人工濕地的填料床體處于不飽和狀態(tài)，污水從填料床的縱向進(jìn)入到填料床的底部，與此同時(shí)氧氣可以通過(guò)大氣擴散以及植物的根莖傳輸作用進(jìn)入到人工濕地系統，垂直潛流型人工濕地系統具有較高的硝化能力，對氮、磷的去除效果較好，但是垂直潛流型人工濕地對進(jìn)水懸浮物濃度要求比較嚴格，對有機污染物的去除能力相對較弱，且落干/淹水周期較長(cháng)、夏季蚊蠅孳生現象嚴重。
基于以上原因，自主研發(fā)并已成功申請發(fā)明專(zhuān)利的“表潛結合式”人工濕地能夠將表面流型人工濕地和潛流型人工濕地有機地融為一體，工程實(shí)施后外觀(guān)為表面流型人工濕地，實(shí)際水體處于潛流狀態(tài)，既能充分發(fā)揮表面流型人工濕地的生態(tài)景觀(guān)效果，又能實(shí)現潛流型人工濕地的水質(zhì)凈化高效率，具有占地小、凈水能力強、景觀(guān)效果好等顯著(zhù)特點(diǎn)。
現以北京某地表微污染水體的生態(tài)處理工程為例，對“表潛結合式”人工濕地的凈水原理、設計參數以及污染物去除效果等進(jìn)行探討。
1、工程概況
本項目設計處理對象為北京某地表微污染水體，設計處理規模為5×104m3/d，項目建設于2017年5月，主體處理工藝為“表潛結合式”人工濕地，項目區占地20hm2，“表潛結合式”人工濕地有效占地10.2hm2，設計污染物COD、NH3-N削減量分別可達182.50、9.13t/a，具有良好的環(huán)境效益，出水水質(zhì)能夠穩定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)的Ⅳ類(lèi)標準，滿(mǎn)足下游景觀(guān)公園的用水水質(zhì)需求，具有良好的社會(huì )效益。
1.1 設計進(jìn)、出水水質(zhì)和處理目標
設計進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表1。根據人工濕地污染物去除負荷，同時(shí)結合本項目設計處理目標，“表潛結合式”人工濕地設計進(jìn)水水質(zhì)執行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)的Ⅴ類(lèi)標準，即COD≤40mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TP≤0.4mg/L。通過(guò)“表潛結合式”人工濕地的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用，濕地出水最終能達到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類(lèi)標準。
1.2 工藝流程
工藝流程見(jiàn)圖1。
依賴(lài)新建的液位可調式景觀(guān)水壩形成壅水，在“表潛結合式”人工濕地建設區上下游形成液位差：新建水壩上游來(lái)水依靠重力流，通過(guò)“八”字取水口進(jìn)入到“表潛結合式”人工濕地生態(tài)系統，在濕地系統的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用下，實(shí)現對微污染水體中各類(lèi)污染物質(zhì)的有效削減，出水達到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類(lèi)標準的水質(zhì)設計要求后，經(jīng)由末端的景觀(guān)跌水堰進(jìn)行富氧曝氣，隨后再次退回到下游河道內，對河道內現有污染物進(jìn)行進(jìn)一步的稀釋凈化，最終出水補充下游的景觀(guān)公園用水。
2、工程設計
2.1 工藝選擇
本次設計優(yōu)先采用自主研發(fā)并成功申請發(fā)明專(zhuān)利的“表潛結合式”人工濕地，該技術(shù)能夠實(shí)現表面流型人工濕地和潛流型人工濕地的空間立體結合(上層為表面流型人工濕地部分和下層為潛流型人工濕地部分)，在同一投影面內既能體現表面流型人工濕地的景觀(guān)效果，又能實(shí)現潛流型人工濕地的凈水能力，有效降低了人工濕地對土地占用面積的限制需求，具有占地面積小、凈水能力強、景觀(guān)效果好等顯著(zhù)特點(diǎn)。
2.2 參數設計
參照并對《人工濕地污水處理工程技術(shù)規范》(HJ2005—2010)的相關(guān)參數進(jìn)行優(yōu)化，本項目設計處理規模為5×104m3/d，“表潛結合式”人工濕地有效占地10.2hm2，下層潛流型人工濕地部分填料床有效高度為1.2m，上層表面流型人工濕地部分設計水深控制在0.3～1.2m，平均水深為0.5m。人工濕地主要設計參數見(jiàn)表2。
2.3 填料設計
2.3.1 填料選擇
為了實(shí)現對建筑垃圾的資源化利用，優(yōu)先采用再生填料(主要成分為碎磚陶粒濾料)，該類(lèi)填料應用于人工濕地水質(zhì)凈化領(lǐng)域應滿(mǎn)足如下主要技術(shù)參數要求：
?、俨缓梢?jiàn)泥土、粉屑或有機雜質(zhì)。
?、谒榇u陶粒濾料不應使濾后水產(chǎn)生有毒、有害成分。
?、鬯榇u陶粒濾料的粒徑為8～16mm。
?、芩榇u陶粒濾料不均勻系數≤1.6。
?、萘?lt;8mm、粒徑>16mm的量均不應大于5%。
?、藜庸げ牧蠎詮U磚為主， >
?、卟煌萎a(chǎn)品堆積密度差距<10%。
2.3.2 填料床設計
“表潛結合式”人工濕地下層潛流型人工濕地部分填料床有效設計高度為1.2m，采用級配填料進(jìn)行填充，由下往上依次為夯實(shí)粘土(200mm厚)、HDPE防水土工膜(450g/m2)、d50～80mm碎磚陶粒濾料(600mm厚)、d20～50mm碎磚陶粒濾料(300mm)、d10～20mm碎磚陶粒濾料(300mm厚)。
2.4 植物設計
“表潛結合式”人工濕地的水生植物全部在上層表面流型人工濕地部分種植，該部分設計水深控制在0.3～1.2m之間，平均水深為0.5m。
濕地植物選擇污染水體適應能力強、污染物去除效果好、生態(tài)景觀(guān)塑造功能顯著(zhù)的土著(zhù)類(lèi)水生植物，淺水區(0.3～0.5m)主要種植蘆葦、香蒲、千屈菜，種植密度均為16株/m2。中水區(0.5～0.8m)主要種植荷花、睡蓮，種植密度均為4株/m2。深水區(0.8～1.2m)主要種植菹草、狐尾藻、眼子菜，種植密度均為30株/m2。同時(shí)對“表潛結合式”人工濕地周邊的植物緩沖帶進(jìn)行了優(yōu)化配置，與“表潛結合式”人工濕地一起構建了一個(gè)生物多樣性豐富、水質(zhì)凈化效果穩定的生態(tài)景觀(guān)型人工濕地生態(tài)系統。
3、運行結果與討論
3.1 人工濕地對COD去除效果
“表潛結合式”人工濕地對水體中COD的去除機理以濕地植物根區生物膜的吸附降解作用為主，此外還兼有自然沉淀、物理過(guò)濾、填料吸附等多重作用。對2018年5月—8月的實(shí)際現場(chǎng)監測結果進(jìn)行定量分析，得出“表潛結合式”人工濕地對微污染地表水體中COD的實(shí)際去除效果如圖2所示。
由圖2可知，在連續4個(gè)月的實(shí)際運行中，盡管濕地進(jìn)水COD濃度存在一定程度的波動(dòng)，尤其是在5月的兩次檢測中，由于河道上游農田灌溉等原因造成濕地進(jìn)水COD濃度超過(guò)了設計進(jìn)水限值，但是經(jīng)過(guò)濕地的填料吸附、植物吸收，尤其是根區微生物的代謝降解作用，始終能將濕地出水COD濃度控制在30mg/L及以下，濕地出水COD濃度能夠滿(mǎn)足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)規定的Ⅳ類(lèi)水限值要求。在實(shí)際檢測中，濕地進(jìn)水COD濃度在7月達到了最低值，隨后在8月又出現了上升，這主要是7月降雨量達到了最大，對濕地上游河道內COD具有一定程度的稀釋作用，8月降雨量減少，濕地上游河道內COD又出現了上升趨勢，但是整個(gè)檢測周期內，濕地生態(tài)系統始終處于一個(gè)逐漸自我完善的過(guò)程，尤其是在7月、8月濕地系統的生物多樣性及系統穩定性達到最高，對上游來(lái)水的水質(zhì)、水量波動(dòng)適應能力最強，濕地系統對上游來(lái)水中的COD去除率基本維持在20%～40%，符合濕地生態(tài)系統對COD的去除規律。
3.2 人工濕地對NH3-N去除效果
“表潛結合式”人工濕地對水體中NH3-N的去除機理主要是濕地植物根系生物膜的硝化、反硝化作用，將NH3-N轉化為N2或N2O進(jìn)而從濕地系統逸出。2018年5月—8月連續4個(gè)月的進(jìn)出水NH3-N濃度分析結果如圖3所示。
由于存在灌溉退水等原因，濕地系統在5月的進(jìn)水NH3-N濃度最大，甚至超出了濕地進(jìn)水的設計限值，隨后在6月出現降低，在7月達到最低值，8月份降雨減少，濕地進(jìn)水NH3-N濃度又出現回升，但整個(gè)檢測周期內，濕地系統都能夠通過(guò)自身的調節功能將NH3-N的去除能力控制在29%～33%的范圍內，濕地出水NH3-N始終保持在1.5mg/L以下，能夠滿(mǎn)足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)Ⅳ類(lèi)水的限值要求。在實(shí)際檢測中，濕地對NH3-N的去除效果與COD表現出了基本類(lèi)似的規律，在7月、8月濕地系統的生物多樣性及系統穩定性達到最大，濕地植物生長(cháng)、根區微生物的代謝過(guò)程對氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)的需求量最大，濕地出水NH3-N甚至降低了1.2mg/L左右，表現出了顯著(zhù)的氮、磷去除效果。
4、結論
?、倮靡何豢烧{式景觀(guān)水壩上下游的水頭差，依靠重力進(jìn)入“表潛結合式”人工濕地，在水質(zhì)達到甚至優(yōu)于地表Ⅳ類(lèi)標準的水質(zhì)設計要求后，再依靠重力退回到河道下游，整個(gè)水質(zhì)凈化過(guò)程無(wú)動(dòng)力消耗，實(shí)現了污水處理的“零成本”運行。
?、诓捎谩氨頋摻Y合式”人工濕地，在同一投影面內既能體現表面流型人工濕地的景觀(guān)效果，又能實(shí)現潛流型人工濕地的凈水能力，有效降低了人工濕地對土地占用面積的限制需求。
?、蹆?yōu)先采用了再生填料，主要成分為碎磚陶粒濾料，實(shí)現了對建筑垃圾的資源化利用。
?、鼙M管進(jìn)水COD、NH3-N濃度在一定范圍內出現了波動(dòng)，甚至部分時(shí)段超出了設計進(jìn)水濃度限值，但是濕地系統都能夠通過(guò)自身的調節機制將出水COD、NH3-N濃度分別控制在30、1.5mg/L及以下，濕地出水能夠滿(mǎn)足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)Ⅳ類(lèi)水限值要求。( >
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