復(fù)合人工濕地系統(tǒng)處理城市污水的降解過程

冒麗娜，湯楊楊，劉琴，陸憶夏，王世和，喬紅杰，王為進(jìn)

（1.東南大學(xué) 市政工程系，南京 210096；2.南京江寧水務(wù)集團(tuán)有限公司，南京 211100）

當(dāng)前，水環(huán)境污染及水資源短缺已成為世界各國所面臨的共同問題，對于中國尤其如此。人工濕地作為一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，不僅具有良好的有機(jī)物去除效果，而且具有較好的除磷脫氮功能，被廣泛應(yīng)用于生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染、富營養(yǎng)化水體等多種污水的處理[1]。國家“十二”五規(guī)劃中明確提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，加快社會主義新農(nóng)村建設(shè)，由于人工濕地污水處理技術(shù)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，在包括農(nóng)村生活污水處理在內(nèi)的多方面得到廣泛應(yīng)用。鑒于此，受國家自然科學(xué)基金及南京市科技計(jì)劃項(xiàng)目支持，結(jié)合示范工程建設(shè)，進(jìn)行了復(fù)合人工濕地處理城市污水降解過程的研究，以期為人工濕地的產(chǎn)業(yè)化及大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置及流程

1.1 工藝概況及流程

文中所述復(fù)合人工濕地系統(tǒng)，是課題組針對近年來人工濕地實(shí)際應(yīng)用中的易堵塞、因溶解氧不足導(dǎo)致有機(jī)物去除率低、氨氮硝化率不充分和除磷率每況愈下等問題提出的一項(xiàng)實(shí)用新技術(shù)組合，工藝流程如圖1所示。組合系統(tǒng)由高負(fù)荷水解池、自然復(fù)氧／沉淀一體化裝置及人工濕地本體3部分組成。人工濕地本體又包括進(jìn)水分布器[2]、強(qiáng)化除磷脫氮槽[3]和出水收集器[4]等部分。人工濕地本體段長30m，寬10m，總高0.9m，底坡為1%。在濕地的15m和25m處各設(shè)置寬度為30cm、與濕地等寬等深的強(qiáng)化除磷脫氮槽，濕地內(nèi)填充0.6m厚2種不等徑礫石，上鋪0.2m厚的瓜子片，其上栽種植物。綜合考慮凈化功能及美觀效果，濕地植物主選適合南京生長的西伯利亞鳶尾、美人蕉、香蒲和細(xì)葉麥冬。

圖1 復(fù)合人工濕地系統(tǒng)工藝流程

1.2 原水水質(zhì)

以在南京江寧水務(wù)集團(tuán)有限公司科學(xué)園污水處理廠的廠進(jìn)廠污水（典型的城市污水）為試驗(yàn)用水，具體水質(zhì)條件見表1。

表1 原水水質(zhì)

1.3 水樣采集及指標(biāo)測定

為全面探討污染物的降解過程，沿程共設(shè)置8個取樣點(diǎn)，如圖2所示。分別位于水解池前與后、一體化裝置后、2個強(qiáng)化除磷脫氮槽的前與后及濕地出水端。

圖2 濕地系統(tǒng)采樣點(diǎn)設(shè)置示意圖

測定項(xiàng)目包括DO、pH、CODCr、TP、TN、♂－N及SS等，分析方法見表2[5]：

表2 主要水質(zhì)參數(shù)和測定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 水力停留時間的選擇

水力停留時間（HRT）是人工濕地污水處理系統(tǒng)的重要運(yùn)行參數(shù)之一。研究表明，停留時間過短，生化反應(yīng)不充分，停留時間過長，易引起污水滯留和厭氧區(qū)擴(kuò)大，影響處理效果[6]。因此，水力停留時間的選擇對最終污水處理效果至關(guān)重要。

圖3為試驗(yàn)測得的CODCr、TN、、TP、SS在不同HRT下的平均去除效果。可見，隨著HRT的延長，各自均呈現(xiàn)出先上升再下降的趨勢，各自去除率最高時相應(yīng)的HRT分別為4、3、4、3d。以氮、磷為控制因子，濕地系統(tǒng)的最佳水力停留時間選擇4d較為理想。因此，試驗(yàn)將系統(tǒng)進(jìn)水量控制在30L／min（43.2t／d），對應(yīng) HRT為4d。

圖3 HRT對人工濕地系統(tǒng)去除效果的影響

2.2 污染物沿程去除效果分析

2.2.1 COD

在HRT為4d，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，采取微曝氣和添加除磷材料等強(qiáng)化措施時人工濕地系統(tǒng)中CODCr及累計(jì)去除率如圖4所示。

圖4 人工濕地系統(tǒng)CODCr沿程去除效果

由圖4結(jié)果可見，總體上污水中的有機(jī)物濃度沿程呈逐漸下降的趨勢，并在水解池段、人工濕地第一段（第一個強(qiáng)化除磷脫氮槽前）和人工濕地第2段（第2個強(qiáng)化除磷脫氮槽前）的3段內(nèi)下降趨勢明顯快于其他各段。當(dāng)污水進(jìn)入水解池時，有機(jī)物濃度迅速下降，水解池對有機(jī)物的去除率約占全系統(tǒng)總?cè)コ实?4%，水解改變了污水中有機(jī)物的形態(tài)，污水中的有機(jī)物通過與水解池中水解微生物的接觸，部分有機(jī)性SS和溶解性CODCr（SCODCr）得到一定的去除[7]，故此階段對有機(jī)物的去除率占比較大；在一體化裝置段，有機(jī)物的去除率占全系統(tǒng)總?cè)コ实?5%左右。一體化裝置的主要功能是對污水進(jìn)行自然復(fù)氧及進(jìn)一步降低進(jìn)入濕地的SS濃度，故對污水中溶解性有機(jī)物的去除率較低；污水進(jìn)入人工濕地中第1段及第2段后，有機(jī)物濃度下降趨勢明顯加快，對應(yīng)的有機(jī)物去除率分別占全系統(tǒng)總?cè)コ实?5%和23%左右。

2.2.2 TP

在HRT為4d，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，強(qiáng)化除磷脫氮槽內(nèi)實(shí)施微曝氣（氣水比為5左右），在添加除磷材料和未添加除磷材料時人工濕地對污水中TP的去除效果如圖5所示。

圖5 人工濕地系統(tǒng)TP的沿程去除效果

由圖5可見，污水中TP濃度沿程總體上呈下降趨勢，在水解池和一體化裝置段去除率均較低，去除效果主要在人工濕地本體段。在強(qiáng)化除磷脫氮槽內(nèi)添加和未添加除磷材料2種工況下，污水在進(jìn)入濕地本體到達(dá)強(qiáng)化槽1前，TP濃度均有較大幅度的下降，分別占總?cè)コ康?3%和49%，主要是通過基質(zhì)的物理化學(xué)吸附、植物吸收和微生物的同化作用[8]；污水通過強(qiáng)化除磷脫氮槽1和強(qiáng)化除磷脫氮槽2時，在未添加除磷材料的時，TP濃度變化不大，而在添加除磷材料后，TP濃度均呈較大幅度的下降，相對于未添加除磷材料時，強(qiáng)化槽1和2的去除率分別提高了9%和5%左右；在添加除磷材料時，系統(tǒng)TP的總?cè)コ蕿?7.54%。未添加時為79.18%，平均提高了8.36%，說明添加除磷材料對磷去除率提高效果明顯。

在HRT為4d，實(shí)施強(qiáng)化微曝氣及添加強(qiáng)化除磷材料情況下，系統(tǒng)沿程各段TN和及累計(jì)去除率如圖6所示。

圖6 人工濕地系統(tǒng)TN／的沿程去除效果

由圖6可見，TN濃度沿系統(tǒng)流程呈下降趨勢。污水進(jìn)入人工濕地本體后，TN濃度降低明顯，其中，濕地第一段、第二段和第三段分別去除了TN總?cè)コ康?9%、29%和4%，濕地中3個階段對氮的去除所占比例逐漸下降的主要原因是由于剛開始污水進(jìn)入人工濕地時，通過基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀、氨的揮發(fā)及微生物的硝化和反硝化作用，氮類物質(zhì)大部分被去除[9]，經(jīng)強(qiáng)化槽后，由于強(qiáng)化微曝氣作用，使?jié)竦刂蠨O水平得到一定提升，從而在其后形成了好氧微環(huán)境，反硝化細(xì)菌的生長和活性均受到限制，阻礙了反硝化過程的進(jìn)行，所以，到濕地第二段后去除所占比例下降，而到了濕地第三段后，除了上述原因之外，由于C／N比下降，有機(jī)碳源不充分成為影響系統(tǒng)反硝化的關(guān)鍵因素，因而，濕地第3段對氮類物質(zhì)的去除率顯著降低。系統(tǒng)中的濃度除了在水解池出水那一點(diǎn)有升高外，其余各點(diǎn)均保持與TN濃度相同的規(guī)律。沿程呈下降的趨勢，在水解池段，對氨氮的去除率出現(xiàn)負(fù)值，使?jié)舛绕骄吡?8%。這是由于污水中含有大量大分子有機(jī)物及其降解產(chǎn)物，水中的大分子有機(jī)物被微生物分解為小分子有機(jī)物，污水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為小分子的離子態(tài)氮。

2.2.4 SS

在HRT為4d，強(qiáng)化微曝氣及添加強(qiáng)化除磷材料條件下，全系統(tǒng)沿程各段SS濃度變化及累積去除率如圖7所示。

圖7 人工濕地系統(tǒng)SS的沿程去除效果

由圖7可見，污水中SS沿程呈下降趨勢，進(jìn)入水解池后，經(jīng)過充分的水解，去除率占全系統(tǒng)SS總?cè)コ康?9%左右，隨后，進(jìn)入一體化裝置，經(jīng)過沉淀后，去除SS量占總?cè)コ康?5%左右，進(jìn)入人工濕地后，污水中SS在濕地基質(zhì)形成空隙內(nèi)沉淀，濕地中的植物根系對污水中的SS也起到攔截作用，從而去除了大量的SS[10]。系統(tǒng)最后出水SS平均值為17.99mg／L，濕地去除效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好，出水SS達(dá)到 GB18918-2002[11]一級 A標(biāo)準(zhǔn)（SS≤20mg／L）。

3 結(jié) 論

1）在最佳水力停留時間為4d并進(jìn)行微曝氣和添加除磷材料的條件下，污水中CODCr沿程呈逐漸下降的趨勢，并在水解段、人工濕地第一段和人工濕地第二段的3段內(nèi)下降趨勢明顯快于其他段。

2）在最佳水力停留時間為4d并進(jìn)行微曝氣及添加除磷材料的條件下，TP濃度沿程呈下降趨勢，添加除磷材料后，強(qiáng)化槽對TP的去除率比未添加除磷材料時提高了約14%，系統(tǒng)出水比未添加除磷時TP去除率平均提高了8.36%，說明添加除磷材料作為強(qiáng)化手段對系統(tǒng)中TP的去除有著良好的效果。

3）在最佳水力停留時間為4d并進(jìn)行微曝氣及添加除磷材料的條件下，TN濃度沿流程呈下降趨勢，濃度除在水解池出水處升高外，其余均保持與TN濃度相同的沿程下降的規(guī)律。

試驗(yàn)和分析表明，本組合工藝系統(tǒng)對不同類污染物采取不同的強(qiáng)化措施，對各類污染物的去除均有一定的貢獻(xiàn)。特別是對TN、TP的強(qiáng)化處理，可確保出水中各類污染物全面達(dá)到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。對我國正在實(shí)施的污染物減排、生態(tài)修復(fù)及提標(biāo)改造具有重要意義。

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