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摘要：针对传统湿地床地面积大，处理效率低，容易堵塞的问题，试验对人工湿地在结构上进行重新设计，使其在运行上得到改善。分别对水力停留时间为55h、36h、28h、18h、14h、10h的情况下进行了人工湿地处理初期雨水效能试验研究，通过以上试验结果来分析与确定人工湿地的运行效果和最佳运行参数。
关键词：人工湿地；水力负荷；初期雨水；景观用水
中图分类号： P901文献标识码：A
近年来，初期雨水的污染问题越来越受到国内外专家学者的重视。目前，美国和欧洲已经制定了一整套雨水收集、处理和管理的方法。而国内有关初期雨水的研究正成为一个热点。鲁敏[1]等人在武汉东湖面污染控制研究中，采用植草凹地等方法来截留处理初期雨水取得了明显效果，其中雨水径流量减少50%~70%，TN和TP的去除率均为47.1%~85.4%。
初期雨水处理工艺的选择与其本身的水质、兴建地方和回用目的息息相关。人工湿地在解决城市雨水径流有其独特的效果，具有调蓄水量、净化水质、美化环境等多方面的功效。加上其投资低、绿色节能、运行简易等内在优点，使得人工湿地在处理初期雨水方面得到了众多学者的关注。
1.试验设计与方法
1.1试验装置
试验的主体装置为水平潜流型人工湿地床，床体墙用砖和水泥砂浆砌成，床底用混泥土打底，用高标号水泥抹面作防渗处理。
为提高湿地中的溶解氧水平，在湿地中设置通风管（共设8根，平均距离约2m设置一根），采用自然通风的方式增加溶解氧。通风管由管径50mm的PVC管制成，管身均匀打满直径5mm的小孔以达到自然通风的效果，通风管同时作为试验的采样管。
水平潜流型人工湿地分2组做工况试验以节省试验运行时间，每组由进水池，潜流型人工湿地床，出水池等三部分组成。进水池和出水池均为一边长0.80m的正方形，主体潜流型湿地床分三条沟槽组成，每条沟槽的有效宽度为0.80m，湿地床总长度为19.4m，湿地里面填料高0.60m，超高0.4m，总高度为1.0m，三条沟槽分别由两个长×宽：0.2m×0.2m的过水孔相连通。整个湿地装置有效面积为16.80m2，最大有效容积为10.08m3。
1.2试验设计
试验填料布置情况为：粒径级配按下层0.2m高铺设鹅卵石，0.2m至0.7m高铺设砾石；砾石级配顺序由前到后依次减小，在人工湿地前段，距进水井10m的范围内铺设粒径为20~30mm砾石，其孔隙率约为43%；人工湿地10m处至出水池铺设粒径为10~20mm的砾石，其空隙率约为49%。
根据文献报道[1, 2]和植物特性[3, 4]，并结合重庆地区水生植物特性，选择风车草和菖蒲作为实验装置湿地组栽种的植物。同时，采用混合栽种的形式，种植初始种植深度为0.2~0.3m，种植密度为菖蒲20~25株/m2，风车草40~50株/m2。
1.3试验水质和内容
试验按照进水的不同分为两种情况：第一阶段全部以真实的降雨径流雨水作为试验原水，将道路路面雨水收集到调蓄池内；第二阶段，引入生活污水并且接入自来水进行混合来混合模拟降雨径流水质进行试验研究，同样将混合污水储存在调蓄池内。用水泵将其提升至进水槽，水量由位于进水槽至人工湿地床的进水管上的阀门控制，多余的水回流到蓄水池中。试验期间每组人工湿地的进水水量控制在4.71m3/d~25.92m3/d。两个试验阶段的水质情况见表1所示（均为平均值）。
表1 试验进水水质
试验主要考察水力负荷或水力停留时间和污染负荷对人工湿地处理效能的影响，即分别对水力停留时间55h、36h、28h、18h、14h、10h进行研究，在试验结果的基础上分析人工湿地的处理效能及相关参数。
2. 试验结果及分析
2.1人工湿地启动试验研究
湿地床的挂膜启动是采用自然挂膜，初期间歇进水和水位控制，中期和后期采用连续进水的方式进行。连续进水启动期间，流量控制在Q=4.5~5.0m3/d，水力停留时间为55h左右。
人工湿地床的启动试验历时一个多月。启动最初的阶段大约10天内悬浮物质去除效果不理想外，这主要是由于滤料上的可溶性有机污染物溶入处理水中，残留在装置四壁和滤料上的无机杂质被水流冲刷进入出水，使得出水CODcr和浊度值较高，甚至高于进水值，運行一段时间后，这些污染物质随处理水排除系统，出水的有机物和悬浮物质含量逐渐降低，湿地床能稳定、有效的降低水中悬浮和胶体物质含量。稳定后浊度值去除率达75%~80%。同时，启动在春季进行，此时植物生长迅速，气候温暖，日照适中，移栽的植物能够快速地恢复，植物的快速生长也能促进微生物的增长。通过对运行后期填料上生物膜的生物相观察，发现生物膜上以大量的细菌为主，主要以菌胶团的形式存在。另外，还发现了各种藻类和草履虫、等枝虫以及线虫等微型动物。上述结果表明，人工湿地经一个月的启动运行，启动成功。
2.2人工湿地处理初期雨水效能研究
本试验出水以景观用水为目的，因此人工湿地的运行性能是以《城市污水再生利用景观用水水质》（GB/T18921-2002）这个国家标准来衡量，评价指标为浊度、CODcr、NH3-N、TP、溶解氧、pH值以及感官性状指标嗅。
试验出水感官性状良好，没有明显的、令人厌恶的色、嗅；出水的pH值保持在6.0~7.5之间；出水溶解氧含量维持在2.5mg/L~3.7mg/L范围内。其它指标在各工况下平均进、出水值见表2。
表2 各工况下进出水水质情况
由表2可知，对于低浓度进水，人工湿地去除有机污染物的效果很好，出水CODcr的最大值为58mg/L，各工况平均出水值45mg/L以下；出水浊度的最大值为7.56NTU，各工况平均出水值5NTU以下；出水TP的最大值为0.305mg/L，各工况平均出水值0.1mg/L以下；出水NH3-N的最大值为4.94mg/L，各工况平均出水值3mg/L以下；在第一阶段试验运行期间，各工况条件下，出水均能满足景观用水水质要求，优于地表水V类水质。而第二阶段试验运行期间，只有当水力负荷低于0.429m3/(m2·d)，出水才能满足水质要求。
对比第一阶段和第二阶段的试验结果，我们可知，虽然雨水进水水质波动较大，但人工湿地的出水水质比较稳定，尤其是对于污染物浓度非常低的进水，出水水质维持在一个非常稳定的范围，受水力负荷和面积负荷的变化影响非常小。
在第二阶段试验过程，即模拟雨水试验阶段，在重庆少雨季节引入生活污水与自来水混合，模拟路面雨水进行试验。由于是人工配水，因此水质可以控制在比较稳定的范围。浓度也比真实的雨水高一些，但仍属于低浓度污水。这一阶段的试验数据比较能够说明人工湿地在雨水处理过程中所发挥的作用。由表2可知，各项指标的去除效果都一定程度上受到水力停留时间和面积负荷的影响。
试验结果表明，在较高进水浓度的条件下，不同进水负荷条件下，人工湿地对CODcr均有一定的去除效果，出水CODcr浓度变化幅度不大，说明湿地系统对CODcr具有较好的耐冲击负荷能力。同时也看出，水力负荷为1.543 m3/(m2·d)时出水CODcr浓度高于水力负荷为0.285 m3/(m2·d)时的CODcr出水浓度。可见，高水力负荷相对于低水力负荷对湿地的影响要大。
湿地除磷有一定的效果，不同冲击负荷下的除磷率可达80%以上。但是水力负荷为1.543m3/(m2·d)时的处理率比水力负荷为0.285 m3/(m2·d)的处理率低9.6%。高水力负荷引起系统对总磷的去除率明显下降，分析其原因是磷在潜流湿地中主要依靠吸附和沉淀作用得以去除，较高的水力负荷会对填料表面产生冲刷作用，同时也缩短了颗粒的沉淀时间，故在高负荷时磷的去除率下降较大。
湿地系统在受到不同水力冲击负荷情况下，系统对氨氮的去除率可达75%以上，系统对氨氮的耐冲击负荷能力较差。分析其原因可能系统内部的微生态环境（主要指对氨氮起作用的硝化菌和反硝化菌）没有完全恢复和成熟；同时冲击负荷对基质的冲刷作用也可能是导致氨氮去除效果不理想的原因之一。
可见，人工湿地能去除的有机污染物主要是不溶性的有机颗粒、有机交替和易于生物降解的可溶性有机物，主要依靠过滤作用和土壤内微生物的生物降解来实现。由于进水水力负荷不大，污水呈层流状态流经滤料表面，其中的有机颗粒或有机交替物质首先在惯性作用、沉淀作用、扩散作用和截留作用下附着在颗粒表面，然后由微生物降解。
试验结果表明，当降雨强度较低时，由于雨水经生态边沟绿化带净化后，水质较好，水力负荷对人工湿地处理效能的影响较小，此时，可只运行其中一组湿地。但是当遇到降雨强度较大的大雨或暴雨时，应同时运行两组人工湿地，并控制水力负荷低于0.429m3/(m2·d)。
3.结论
采用人工湿地处理初期雨水，可实现雨水的有效净化。对于低强度降雨，人工湿地对污染物的去除效果较好，各工况条件下，出水均能满足景观用水水质要求，优于地表水V类水质。而对于高强度降雨，只有当水力负荷低于0.429m3/(m2•d)，出水才能满足水质要求。
参考文献
鲁敏, 曾庆福. 七种植物的人工湿地处理生活污水的研究[J]. 武汉科技学院学报, 2004, 17(2): 32-35
吴建强, 阮晓红, 王雪. 人工湿地中水生植物的作用和选择[J]. 水资源保护, 2005, 21(1): 1-6.
中國科学院《中国植物志》编辑委员会. 中国植物志（第九卷第二分册/第十三卷第二分册）[M]. 北京: 科学出版社, 2002
Griffin P, Pamplin C. The advantages of a constructed reed bed based strategy for small sewage treatment works [J]. Water Science and Technology, 1998, 38(3): 143-150
关键词：人工湿地；水力负荷；初期雨水；景观用水
中图分类号： P901文献标识码：A
近年来，初期雨水的污染问题越来越受到国内外专家学者的重视。目前，美国和欧洲已经制定了一整套雨水收集、处理和管理的方法。而国内有关初期雨水的研究正成为一个热点。鲁敏[1]等人在武汉东湖面污染控制研究中，采用植草凹地等方法来截留处理初期雨水取得了明显效果，其中雨水径流量减少50%~70%，TN和TP的去除率均为47.1%~85.4%。
初期雨水处理工艺的选择与其本身的水质、兴建地方和回用目的息息相关。人工湿地在解决城市雨水径流有其独特的效果，具有调蓄水量、净化水质、美化环境等多方面的功效。加上其投资低、绿色节能、运行简易等内在优点，使得人工湿地在处理初期雨水方面得到了众多学者的关注。
1.试验设计与方法
1.1试验装置
试验的主体装置为水平潜流型人工湿地床，床体墙用砖和水泥砂浆砌成，床底用混泥土打底，用高标号水泥抹面作防渗处理。
为提高湿地中的溶解氧水平，在湿地中设置通风管（共设8根，平均距离约2m设置一根），采用自然通风的方式增加溶解氧。通风管由管径50mm的PVC管制成，管身均匀打满直径5mm的小孔以达到自然通风的效果，通风管同时作为试验的采样管。
水平潜流型人工湿地分2组做工况试验以节省试验运行时间，每组由进水池，潜流型人工湿地床，出水池等三部分组成。进水池和出水池均为一边长0.80m的正方形，主体潜流型湿地床分三条沟槽组成，每条沟槽的有效宽度为0.80m，湿地床总长度为19.4m，湿地里面填料高0.60m，超高0.4m，总高度为1.0m，三条沟槽分别由两个长×宽：0.2m×0.2m的过水孔相连通。整个湿地装置有效面积为16.80m2，最大有效容积为10.08m3。
1.2试验设计
试验填料布置情况为：粒径级配按下层0.2m高铺设鹅卵石，0.2m至0.7m高铺设砾石；砾石级配顺序由前到后依次减小，在人工湿地前段，距进水井10m的范围内铺设粒径为20~30mm砾石，其孔隙率约为43%；人工湿地10m处至出水池铺设粒径为10~20mm的砾石，其空隙率约为49%。
根据文献报道[1, 2]和植物特性[3, 4]，并结合重庆地区水生植物特性，选择风车草和菖蒲作为实验装置湿地组栽种的植物。同时，采用混合栽种的形式，种植初始种植深度为0.2~0.3m，种植密度为菖蒲20~25株/m2，风车草40~50株/m2。
1.3试验水质和内容
试验按照进水的不同分为两种情况：第一阶段全部以真实的降雨径流雨水作为试验原水，将道路路面雨水收集到调蓄池内；第二阶段，引入生活污水并且接入自来水进行混合来混合模拟降雨径流水质进行试验研究，同样将混合污水储存在调蓄池内。用水泵将其提升至进水槽，水量由位于进水槽至人工湿地床的进水管上的阀门控制，多余的水回流到蓄水池中。试验期间每组人工湿地的进水水量控制在4.71m3/d~25.92m3/d。两个试验阶段的水质情况见表1所示（均为平均值）。
表1 试验进水水质
试验主要考察水力负荷或水力停留时间和污染负荷对人工湿地处理效能的影响，即分别对水力停留时间55h、36h、28h、18h、14h、10h进行研究，在试验结果的基础上分析人工湿地的处理效能及相关参数。
2. 试验结果及分析
2.1人工湿地启动试验研究
湿地床的挂膜启动是采用自然挂膜，初期间歇进水和水位控制，中期和后期采用连续进水的方式进行。连续进水启动期间，流量控制在Q=4.5~5.0m3/d，水力停留时间为55h左右。
人工湿地床的启动试验历时一个多月。启动最初的阶段大约10天内悬浮物质去除效果不理想外，这主要是由于滤料上的可溶性有机污染物溶入处理水中，残留在装置四壁和滤料上的无机杂质被水流冲刷进入出水，使得出水CODcr和浊度值较高，甚至高于进水值，運行一段时间后，这些污染物质随处理水排除系统，出水的有机物和悬浮物质含量逐渐降低，湿地床能稳定、有效的降低水中悬浮和胶体物质含量。稳定后浊度值去除率达75%~80%。同时，启动在春季进行，此时植物生长迅速，气候温暖，日照适中，移栽的植物能够快速地恢复，植物的快速生长也能促进微生物的增长。通过对运行后期填料上生物膜的生物相观察，发现生物膜上以大量的细菌为主，主要以菌胶团的形式存在。另外，还发现了各种藻类和草履虫、等枝虫以及线虫等微型动物。上述结果表明，人工湿地经一个月的启动运行，启动成功。
2.2人工湿地处理初期雨水效能研究
本试验出水以景观用水为目的，因此人工湿地的运行性能是以《城市污水再生利用景观用水水质》（GB/T18921-2002）这个国家标准来衡量，评价指标为浊度、CODcr、NH3-N、TP、溶解氧、pH值以及感官性状指标嗅。
试验出水感官性状良好，没有明显的、令人厌恶的色、嗅；出水的pH值保持在6.0~7.5之间；出水溶解氧含量维持在2.5mg/L~3.7mg/L范围内。其它指标在各工况下平均进、出水值见表2。
表2 各工况下进出水水质情况
由表2可知，对于低浓度进水，人工湿地去除有机污染物的效果很好，出水CODcr的最大值为58mg/L，各工况平均出水值45mg/L以下；出水浊度的最大值为7.56NTU，各工况平均出水值5NTU以下；出水TP的最大值为0.305mg/L，各工况平均出水值0.1mg/L以下；出水NH3-N的最大值为4.94mg/L，各工况平均出水值3mg/L以下；在第一阶段试验运行期间，各工况条件下，出水均能满足景观用水水质要求，优于地表水V类水质。而第二阶段试验运行期间，只有当水力负荷低于0.429m3/(m2·d)，出水才能满足水质要求。
对比第一阶段和第二阶段的试验结果，我们可知，虽然雨水进水水质波动较大，但人工湿地的出水水质比较稳定，尤其是对于污染物浓度非常低的进水，出水水质维持在一个非常稳定的范围，受水力负荷和面积负荷的变化影响非常小。
在第二阶段试验过程，即模拟雨水试验阶段，在重庆少雨季节引入生活污水与自来水混合，模拟路面雨水进行试验。由于是人工配水，因此水质可以控制在比较稳定的范围。浓度也比真实的雨水高一些，但仍属于低浓度污水。这一阶段的试验数据比较能够说明人工湿地在雨水处理过程中所发挥的作用。由表2可知，各项指标的去除效果都一定程度上受到水力停留时间和面积负荷的影响。
试验结果表明，在较高进水浓度的条件下，不同进水负荷条件下，人工湿地对CODcr均有一定的去除效果，出水CODcr浓度变化幅度不大，说明湿地系统对CODcr具有较好的耐冲击负荷能力。同时也看出，水力负荷为1.543 m3/(m2·d)时出水CODcr浓度高于水力负荷为0.285 m3/(m2·d)时的CODcr出水浓度。可见，高水力负荷相对于低水力负荷对湿地的影响要大。
湿地除磷有一定的效果，不同冲击负荷下的除磷率可达80%以上。但是水力负荷为1.543m3/(m2·d)时的处理率比水力负荷为0.285 m3/(m2·d)的处理率低9.6%。高水力负荷引起系统对总磷的去除率明显下降，分析其原因是磷在潜流湿地中主要依靠吸附和沉淀作用得以去除，较高的水力负荷会对填料表面产生冲刷作用，同时也缩短了颗粒的沉淀时间，故在高负荷时磷的去除率下降较大。
湿地系统在受到不同水力冲击负荷情况下，系统对氨氮的去除率可达75%以上，系统对氨氮的耐冲击负荷能力较差。分析其原因可能系统内部的微生态环境（主要指对氨氮起作用的硝化菌和反硝化菌）没有完全恢复和成熟；同时冲击负荷对基质的冲刷作用也可能是导致氨氮去除效果不理想的原因之一。
可见，人工湿地能去除的有机污染物主要是不溶性的有机颗粒、有机交替和易于生物降解的可溶性有机物，主要依靠过滤作用和土壤内微生物的生物降解来实现。由于进水水力负荷不大，污水呈层流状态流经滤料表面，其中的有机颗粒或有机交替物质首先在惯性作用、沉淀作用、扩散作用和截留作用下附着在颗粒表面，然后由微生物降解。
试验结果表明，当降雨强度较低时，由于雨水经生态边沟绿化带净化后，水质较好，水力负荷对人工湿地处理效能的影响较小，此时，可只运行其中一组湿地。但是当遇到降雨强度较大的大雨或暴雨时，应同时运行两组人工湿地，并控制水力负荷低于0.429m3/(m2·d)。
3.结论
采用人工湿地处理初期雨水，可实现雨水的有效净化。对于低强度降雨，人工湿地对污染物的去除效果较好，各工况条件下，出水均能满足景观用水水质要求，优于地表水V类水质。而对于高强度降雨，只有当水力负荷低于0.429m3/(m2•d)，出水才能满足水质要求。
参考文献
鲁敏, 曾庆福. 七种植物的人工湿地处理生活污水的研究[J]. 武汉科技学院学报, 2004, 17(2): 32-35
吴建强, 阮晓红, 王雪. 人工湿地中水生植物的作用和选择[J]. 水资源保护, 2005, 21(1): 1-6.
中國科学院《中国植物志》编辑委员会. 中国植物志（第九卷第二分册/第十三卷第二分册）[M]. 北京: 科学出版社, 2002
Griffin P, Pamplin C. The advantages of a constructed reed bed based strategy for small sewage treatment works [J]. Water Science and Technology, 1998, 38(3): 143-150