人工濕地一般由人工基質和生長在其上的水生植物組成，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水 的高效凈化，是一個獨特的基質—植物—微生物生態系統。人工濕地以其高效低耗和易于維護管理等優點，被廣泛應用于各類不同水體的水質凈化，包括城鎮生活污水〔1-2〕、工業廢水〔3-4〕、農業污水〔5-6〕等。近20 年來，人工濕地還被引入處理富營養化水體，如美國大型淺水湖Apopka 湖〔7-8〕、英國Thames River〔9〕等均采用了人工濕地技術，但國外大多采用表面流人工濕地。國內在人工濕地技術應用于富營養化水體治理方面也做了一些研究工作，如張榮社等〔10〕開展了潛流濕地中植物對脫氮除磷效果的影響中試研究，萬明輝等〔11〕運用復合型人工生態濕地處理羅時江水和永安江水。生物繩填料是一種新型水處理材料，其以醛化纖綸為基本材料，模擬天然水草形態加工而成，近年來在污水處理中得到了廣泛應用。針對洱海支流水質情況以及大理的地域性質，筆者研究了PP+K-45 型立體彈性填料結合挺水植物組成的折流式人工濕地對污水的處理效果。
1 材料與方法
1.1 進水情況及分析方法
用氮肥、磷肥、工業葡萄糖、燒堿、淀粉等來模擬洱海支流羅時江的水質，總氨（TN）、總磷（TP）、CODMn、總可溶性磷酸鹽（TDP）分別為1.8~2.2、0.18~0.22、15~20、0.17~0.19 mg/L。試驗過程中控制水力停留時間（HRT）為24 h，水力負荷為0.5 m3/（m2·d）。試驗起止時間為2011-03-18—2011-08-24，期間進水的水溫為14~27 ℃，pH 為6.73～8.24。定期采集2個裝置的進出水水樣，按文獻〔12〕中規定的方法測定TN、TP、TDP、CODMn。
1.2 生物繩填料
試驗所用填料來自上海TBR 株式會社生產的PP+K-45 型立體彈性填料，其外徑45 mm、比表面積1.6 m2/m3、空隙率99%。PP+K-45 型立體彈性填料呈環狀，由細纖維加工而成，具有優異的耐久性，使用時可以持續保持大量微生物在其上，產品結構具有不易堵塞的特性；可以保持99%以上的空隙率，使得多種微生物能夠同時生存，得到高標準處理出水的同時，通過延長食物鏈降低污泥的產生率；由于污泥既容易附著也容易剝離，因此可以加速微生物的更新。
1.3 試驗裝置
試驗在洱海項目沙坪工作站進行，采用圖1 所示裝置模擬人工濕地進行試驗。圖1 中折流裝置A、B 尺寸均為1.2 m×0.5 m×0.8 m，每個裝置設3 個上下折流板，均分成4 個槽，以生物填料為基質，每個槽中均勻垂直懸掛彈性填料20 根，其中裝置A 中每根填料周圍種有3 株水蔥，與裝置B 進行對照試驗。裝置供水是通過1 個2 m3的配水箱經過水泵輸送到裝置A 和裝置B 中，其中水力負荷通過玻璃轉子流量計進行控制。
圖1 人工濕地試驗裝置
2 試驗結果與分析
2.1 裝置對CODMn的去除效果
裝置A、B 中進出水CODMn變化趨勢以及去除率的比較見圖2。
由圖2 可以看出，同樣進水條件下，兩個裝置的出水CODMn相對穩定，變化一致，CODMn的去除率相差不是很大，均在75%左右。
圖2 CODMn去除效果對比
人工濕地對有機物有較強的降解能力，廢水中的不溶性有機物通過濕地沉淀、過濾作用從廢水中截留下來而被微生物利用；可溶性有機物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過程被去除。由圖2 可知，裝置A 和裝置B 對CODMn的平均去除率分別為76.2%、74.3%，可見，對于洱海支流這類低有機污染的水體，構造這種生態填料的人工濕地去除其中的有機污染物效果會比較理想。兩個裝置的出水CODMn均在5~6 mg/L，已達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準。其中種有水蔥的裝置A 對有機物的去除效果略優于無水蔥的裝置B。
2.2 裝置對TP 的去除效果
裝置A、B 中進出水TP 變化趨勢以及去除率的比較見圖3。
圖3 TP 去除效果對比
由圖3 可以看出，裝置A、B 對TP 的去除效果理想，分別為64.8％、59.6%。當進水TP 的平均質量濃度為0.21 mg/L 時，裝置A、B 出水的TP 均小于0.1 mg/L，已達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類標準。
人工濕地對磷的去除作用包括基質的吸收和過濾、植物吸收、微生物去除及物理化學作用。成熟的人工濕地中植物、微生物、填料三者之間處于一種動力學平衡狀態，使得三者之間交換吸附磷的能力不斷得到恢復，因而除磷效果較好，其中微生物起主要作用，其次是植物的吸收作用。本試驗選用正處于生長季節的水蔥作為濕地植物，水蔥由于有發達的根和莖等通氣組織的存在，能夠運輸氧到根部，這些氧除了滿足根部的有氧呼吸之外，還有一部分在運輸過程中通過根軸徑向釋放到根際水中〔13〕，并在根際還原態介質中形成氧化態的微環境，為好氧微生物的生長提供適宜的小環境，有利于對TP 等污染物的吸收降解。因此有植物的人工濕地系統比無植物的人工濕地系統有著更好的除磷效果。
圖中TP 去除率曲線變化波動較大，分析原因應該是進出水濃度較低，取值時易造成誤差所致。
2.3 裝置對TDP 的去除效果
裝置A、B 中進出水TDP 變化趨勢以及去除率的比較見圖4。
圖4 TDP 去除效果對比
由圖4 可以看出，當進水TDP 的平均質量濃度為0.19 mg/L，裝置A、B 出水的TDP 均小于0.1 mg/L，種有水蔥的裝置A 去除TDP 的效果要比裝置B好。
由圖4 可知，裝置A 和裝置B 對TDP 的去除效果前期波動性較大，這可能與裝置內藻類的生長有關〔14-15〕；后期裝置對TDP 的去除效果相對平穩，去除率在48%~56%范圍內變化。
由出水濃度曲線可以發現，TDP 和TP 存在相同問題，即在出水相對穩定的情況下，由于濃度差別不大，計算誤差引起去除率曲線變化較大。
2.4 裝置對TN 的去除效果
裝置A、B 中進出水TN 變化趨勢以及去除率的比較見圖5。
圖5 TN 去除效果對比
由圖5 可知，系統TN 濃度總體變化趨勢除前期有小波動外，后期一直相對穩定，平均質量濃度為1.8 mg/L，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）湖、庫Ⅴ類水平，裝置A、B 出水TN 平均為0.98~1.03 mg/L，達到《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）湖、庫Ⅲ類水平。
由圖5 可知，裝置A、B 進出水TN 變化趨勢基本一致，TN 主要是通過硝化和反硝化作用得以去除，微生物是此過程的主要承擔者，進水中的無機氮包括NH3-N 和NO3--N，均可以被人工濕地中的植物吸收，合成植物蛋白質，最后通過植物的收割形式從人工濕地的廢水中去除；一部分NH3-N 轉化成NH3后，以氣態的形式揮發到大氣中。裝置A、B 對TN 的平均去除率分別為48.3%、42.3%，可見，裝置A 對TN 的去除效果要優于裝置B。這是因為本試驗裝置是折流式潛流，水生植物光合作用產生的氧氣通過根部釋放至格室的上部空間的水中，使得格室上部空間的水為好氧狀態，然而上部空間微生物分解有機物消耗了溶解氧，上部空間的水潛流至下部空間時，溶解氧濃度降低，使得下部空間處于厭氧狀態，從而在裝置A 內實現了硝化反硝化作用，強化了對TN 的去除。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
本試驗裝置自2011 年3 月運行起至2011 年8月，在掛膜穩定后，比較了不同水力停留時間下種有水蔥的裝置A 和無水蔥的裝置B 構成的人工濕地系統對低污染水源水的處理效果，其中在水力停留時間HRT 為24 h，水力負荷為0.5 m3/（m2·d）情況下，裝置A、B 對低污染水源水的凈化均效果良好，說明PP+K-45 型生物填料與水蔥構成的人工濕地可用于對低污染水源水的凈化處理。
（1）裝置A 和裝置B 對TN 的平均去除率分別為48.3％和40.2％；對TP 的平均去除率分別為65.8％和55.9％；對CODMn的平均去除率分別為75.2％和74.8%；對TDP 的平均去除率分別為55.9％和50.3％。
（2）本試驗所用的生物繩填料對微污染水具有較好的凈化作用。填料絲條不僅能使微生物較好生長，而且對水體中的懸浮物具有一定的吸附作用，使水體濁度降低，觀賞度得到改善。
（3）試驗是在春夏季進行，但實際運行過程中，秋冬季的低溫可能會限制微生物的生長活性。所以將在后續的研究中繼續觀察摸索人工濕地對低溫低污染水的處理情況。并將進行人工濕地系統在實際應用中有關最佳運行條件的摸索、運行參數的控制、濕地植物的篩選的研究，以進一步提高人工濕地系統對低污染廢水的處理效果。
