不同進(jìn)水濃度對(duì)組合式垂直流人工濕地 污水處理效果的影響

洪海燕

（安徽三聯(lián)學(xué)院，合肥 230601）

隨著污水處理要求的提高，人工濕地從最初主要用于處理污水中懸浮物和有機(jī)物逐漸朝脫氮除磷方向發(fā)展[1]。與磷在人工濕地中主要借助基質(zhì)吸附與沉淀作用去除不同，氮在人工濕地中主要依靠微生物的硝化/反硝化作用去除。具體應(yīng)用中，一般的人工濕地脫氮效率不超過50%，利用垂直流濕地對(duì)污水中NH3-N 平均去除率為60.0%[1]。由于垂直流人工濕地系統(tǒng)植物根系中氧的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)，所以氮的生物硝化能力強(qiáng)，而氮的反硝化作用減弱。

在氮的反硝化過程中，用各種各樣的有機(jī)底物（碳源）作為電子受體，碳源的不足影響了氮的反硝化能力，因此補(bǔ)充碳源能提高濕地的有機(jī)物氧化分解能力，增加脫氮效率。為了提高人工濕地氮去除效率，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合式垂直流人工濕地系統(tǒng)，采用“下行-上行-下行”水流方式的組合形式，一方面可以通過水流重力的無動(dòng)力，降低污水處理的能耗；另一方面可以通過分級(jí)進(jìn)水增加碳源，促進(jìn)反硝化作用，加強(qiáng)脫氮效果。

1 材料與方法

1.1 組合式垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

安裝組建4 套“下行-上行-下行”組合式垂直流人工濕地小試系統(tǒng)，如圖1所示。每套人工濕地系統(tǒng)裝置由3 級(jí)填充不同基質(zhì)的垂直流人工濕地單元組合而成，第一級(jí)濕地填充的基質(zhì)是7～18 mm 的沸石，第二級(jí)濕地填充的基質(zhì)是6～9 mm 的頁巖，第三級(jí)濕地填充的基質(zhì)是5～10 mm 的陶粒。3 種基質(zhì)填充的高度都為0.5 m。濕地種植的植物選用西伯利亞鳶尾，因其具有粗壯的根狀莖，能有效攔截污水中的有機(jī)物質(zhì)，既耐寒又耐熱，具有很好的觀賞價(jià)值，種植密度為20 株/m2。

圖1 組合式垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

將直徑25 mm 已穿孔的PVC 管布置在每級(jí)濕地單元的池子頂部及底部，用于均勻分布進(jìn)水和收集出水。第三級(jí)濕地出水口設(shè)置虹吸管，虹吸管出口位于30 cm 處。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前連接好布水管、集水管等裝置，移栽種植處于生長期的西伯利亞鳶尾，并用自來水沖洗試驗(yàn)裝置和填料浮塵，取合肥市經(jīng)開區(qū)某污水廠初沉池出水用作濕地進(jìn)水，進(jìn)水COD 平均濃度為151.5 mg/L，TN 平均濃度為37.12 mg/L，TP 平均濃度為4.52 mg/L，磷酸鹽（PO43-）平均濃度為3.21 mg/L。試驗(yàn)之前，用稀釋的進(jìn)水先對(duì)濕地植物進(jìn)行培養(yǎng)馴化，其間定期測定出水水質(zhì)，待有穩(wěn)定出水水質(zhì)再慢慢提高水力負(fù)荷，試驗(yàn)周期為2018年4-9月，歷時(shí)5 個(gè)月。

4 套系統(tǒng)中每套系統(tǒng)由3 級(jí)濕地池子組成，每套平行系統(tǒng)都設(shè)置4 個(gè)不同的兩級(jí)進(jìn)水方式，分別為0%的進(jìn)水濃度、10%的進(jìn)水濃度、20%的進(jìn)水濃度、30%的進(jìn)水濃度。0%濃度的進(jìn)水方式為：第一級(jí)進(jìn)水濃度為100%，第二級(jí)進(jìn)水濃度為0%；10%濃度的進(jìn)水方式為：第一級(jí)進(jìn)水濃度為90%，第二級(jí)的進(jìn)水濃度為10%；20%濃度的進(jìn)水方式為：第一級(jí)進(jìn)水濃度為80%，第二級(jí)的進(jìn)水濃度為20%；30%濃度的進(jìn)水方式為：第一級(jí)進(jìn)水濃度為70%，第二級(jí)的進(jìn)水濃度為30%。

1.3 水樣采集與測定

采集每套濕地單元第1、2、3 級(jí)的出水和進(jìn)水，其間及時(shí)進(jìn)行水樣分析，每周采集一次，試驗(yàn)指標(biāo)COD 的測定方法（重鉻酸鉀氧化法）、NH4+-N 的測定方法（納氏試劑光度法）、TN 的測定方法（過硫酸鉀氧化 紫外分光光度法），TP 的測定方法（鉬酸銨分光光度法）[2]。各指標(biāo)測定的具體操作步驟詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》。

1.4 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算公式為：污染物的去除率（%）=（C進(jìn)-C出）/C進(jìn)×100%。

每級(jí)去除貢獻(xiàn)率即為每個(gè)濕地池子的處理能力對(duì)總處理能力的貢獻(xiàn)。第一級(jí)處理去除貢獻(xiàn)率（%）= （1 級(jí)C進(jìn)-1 級(jí)C出）/（1 級(jí)C進(jìn)-3 級(jí)C出）× 100%；第二級(jí)處理去除貢獻(xiàn)率（%）=（1 級(jí)C出- 2 級(jí)C出）/（1 級(jí)C進(jìn)-3 級(jí)C出）×100%；第三級(jí)處理去除貢獻(xiàn)率（%）=（2 級(jí)C出-3 級(jí)C出）/（1 級(jí)C進(jìn)- 3 級(jí)C出）×100%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 COD 去除結(jié)果分析

從表1試驗(yàn)結(jié)果來看，4 套平行裝置的人工濕地總出水水質(zhì)較穩(wěn)定，污染物的COD 平均去除率也在80%以上，人工濕地每個(gè)處理單元的出水平均值在26.5 mg/L，出水COD 濃度遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)[3]。這說明組合式的人工濕地系統(tǒng)能有效去除有機(jī)物中的COD，但從圖2來看，每級(jí)出水水質(zhì)差異不明顯，說明這4 種進(jìn)水方式對(duì)COD 處理效果的影響不大，再從進(jìn)水0%-1 級(jí)出水的過程來看，COD 下降很明顯，說明大多數(shù)有機(jī)污染物都在一級(jí)池子中去除，這主要是因?yàn)橐患?jí)池子的布水管網(wǎng)均勻分布大量的污水，這些污染物能充分與池子上方的空氣作用，形成有氧環(huán)境，它是去除COD 的有利條件。

在4 套系統(tǒng)中，第一級(jí)出水的去除貢獻(xiàn)率為81.52%，而第二級(jí)出水的去除貢獻(xiàn)率僅為1.02%，第三級(jí)出水的去除貢獻(xiàn)率為17.46%，同時(shí)，在植物根部附著大量的微生物，植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收進(jìn)一步提高了污染物去除的效果，特別像鳶尾這種大棵挺水植物，能有效攔截有機(jī)物。因此，本試驗(yàn)中，人工濕地COD 的去除過程主要發(fā)生在系統(tǒng)的第1 級(jí)。

表1 COD 進(jìn)出水濃度及去除率

圖2 不同進(jìn)水濃度下的組合式垂直流人工濕地中COD 的沿程變化

2.2 TN 去除效果

從表2中TN 的試驗(yàn)結(jié)果來看，4 套平行試驗(yàn)TN 進(jìn)水濃度為37.12±3.27 mg/L，TN 的總出水濃度為17.8±3.20mg/L，TN 的出水水質(zhì)基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)[3]。從每一級(jí)濕地的曲線變化圖的變化趨勢(shì)來看，每級(jí)出水水質(zhì)TN 不斷下降，在20%-3 的出水TN 出現(xiàn)最低點(diǎn)，出水濃度為14.62 mg/L，說明在20%進(jìn)水分配濃度條件下，TN 處理效果較好。

表2 TN 進(jìn)出水濃度及去除率

生活污水中氮一般以有機(jī)氮和氨氮（NH4+-N）形式存在，硝酸鹽氮（NO3--N）含量很低，污水中有機(jī)氮在處理過程中被微生物轉(zhuǎn)化為NH4+-N，然后NH4+-N 在硝化菌的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO3--N。濕地中氮的去除有微生物硝化和反硝化作用的兩個(gè)過程。在好氧的條件下，發(fā)生硝化反應(yīng)。

亞硝酸鹽菌：

硝酸鹽菌：

第一級(jí)去除貢獻(xiàn)率在40%左右，大部分氮的去除發(fā)生在第一級(jí)，再加上沸石的離子交換作用，大部分NH4+-N 被去除。

在濕地的床層中，連續(xù)存在好氧、缺氧以及厭氧的狀態(tài)，微生物的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)也是同時(shí)進(jìn)行的，在缺氧的情況下，氮又發(fā)生反硝化反應(yīng)，反硝化過程中在反硝化菌的作用下，各種有機(jī)物質(zhì)作為碳源為反硝化反應(yīng)提供電子供體，NO2--N 和NO3--N形式被還原成N2釋放出來。本試驗(yàn)采用第二級(jí)補(bǔ)充污水作為碳源，結(jié)合第二級(jí)上行布水方式提供的厭氧環(huán)境，加強(qiáng)了氮的反硝化反應(yīng)，提高了氮的去除效果。因此，第二級(jí)的出水TN 濃度在第一級(jí)的基礎(chǔ)上又有所下降，4 套系統(tǒng)第二級(jí)對(duì)TN 的去除貢獻(xiàn)率平均為41.23%，效果顯著，三級(jí)出水對(duì)TN 的去除貢獻(xiàn)率分別為40.99%、40.84%、18.17%，如圖3所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，第一級(jí)和第二級(jí)去除效率較高，在進(jìn)水比例為30%濃度的第二級(jí)時(shí)，TN 的去除效率有下降，可能是因?yàn)榈诙?jí)補(bǔ)充過多的污水，導(dǎo)致氮無法完成微生物的硝化過程，以至于TN 整體的去除效率下降。因此，需要控制合理的分級(jí)進(jìn)水濃度，這樣才能獲得更好的脫氮效率。通過第三級(jí)平行出水水質(zhì)的比較，筆者發(fā)現(xiàn)，20%份額的第三級(jí)出水的TN濃度明顯低于其他進(jìn)水份額的第三級(jí)TN 出水濃度，說明20%進(jìn)水分配的TN 去除效果最好。

圖3 不同進(jìn)水濃度下的組合式垂直流人工濕地中TN 的沿程變化

2.3 TP 去除效果

從試驗(yàn)結(jié)果來看，4 套平行裝置中，TP 的去除率在75.53%～80.81%，TP的出水濃度分別為0.87 mg/L、 1.13 mg/L、1.02 mg/L、1.27 mg/L，TP 的出水濃度基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918－2002）的一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)（見表3）[3]。比較平行裝置不同進(jìn)水濃度下的TP，其總出水濃度相差不大，各處理之間的去除效果沒有顯著差異，如表3、圖4所示。和COD 類似，這說明進(jìn)水方式對(duì)TP 的處理影響不大，但從表3、圖4來看，污水經(jīng)濕地第一級(jí)和第二級(jí)單元處理之后TP 濃度沒有明顯下降，到濕地第三級(jí)之后TP 濃度有顯著減少，4 套系統(tǒng)中每套系統(tǒng)第一、第二級(jí)對(duì)TP 去除的貢獻(xiàn)率平均分別為29.57%和16.88%，第三級(jí)對(duì)TP 去除的貢獻(xiàn)率為54.35%，說明第三級(jí)對(duì)TP 去除的貢獻(xiàn)大，試驗(yàn)表明TP 的去除大部分在第三級(jí)完成。因此，濕地的基質(zhì)對(duì)磷的去除起到很大的作用。

表3 TP 進(jìn)出水濃度及去除率

圖4 不同進(jìn)水濃度下的組合式垂直流人工濕地中TP 的沿程變化

污水中磷有三種存在形式，即有機(jī)磷化合物、不溶性磷酸鹽和可溶性磷酸鹽，統(tǒng)稱為總磷（TP）[4-5]。TP 的去除主要依靠基質(zhì)吸附和濕地植物的吸收，本系統(tǒng)對(duì)TP 的去除效果明顯，也很穩(wěn)定。各個(gè)月份TP的去除率能夠保持在80%～85%，研究發(fā)現(xiàn)，不同基質(zhì)對(duì)磷的去除存在較大差異，若土壤中含有較多的鈣、鐵、鋁氧化物，則有利于生成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁，增強(qiáng)土壤的去磷能力[6]。本試驗(yàn)裝置中，第三級(jí)填充基質(zhì)富含有鈣物質(zhì)的陶粒，可與可溶性的無機(jī)磷酸充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有助于磷的去除。還有一部分無機(jī)磷，可以通過微生物聚磷菌的過量積累和植物的收割更換去除。

3 結(jié)論

組合式垂直流人工濕地對(duì)COD的處理效果穩(wěn)定，且4 套裝置的第三級(jí)出水均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。不同進(jìn)水方式對(duì)COD 處理影響不大，系統(tǒng)第一級(jí)去除了污水中的大部分COD。4 套系統(tǒng)各級(jí)對(duì)TP 有一定的去除能力，但在第三級(jí)去除顯著，系統(tǒng)TP 出水濃度基本能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)，可以通過適宜基質(zhì)的配置進(jìn)一步降低TP 出水濃度。不同進(jìn)水方式對(duì)去氮效果明顯，在本試驗(yàn)中當(dāng)進(jìn)水比例為20%時(shí)，TN 去除效率達(dá)到53.88%，說明分級(jí)進(jìn)水方式可以提高TN 的去除率。