生物-生態(tài)組合人工濕地凈化市政尾水的研究

陳堯 劉通

（浙江正潔環(huán)境科技有限公司，浙江杭州 310000）

1 引言

城鎮(zhèn)人口及居民用水量的增加，加大了市政污水處理廠的運(yùn)行負(fù)荷，同時(shí)由于市政污水處理廠處理水量較大，尾水經(jīng)達(dá)標(biāo)處理后排入地表水體，對(duì)自然水環(huán)境沖擊也增大。為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)及降低對(duì)地表水體污染物的輸入，GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)仍不能完全滿足實(shí)際要求，故需要對(duì)市政尾水進(jìn)行深度凈化，再進(jìn)行排放或回用。

市政污水處理廠尾水污染物濃度低，常規(guī)生物污水處理工藝難以進(jìn)行進(jìn)一步凈化，目前對(duì)現(xiàn)有市政污水處理廠改造采用較多的方式是增加膜分離工藝或增加人工濕地，以滿足更高的排放要求。如土地緊張及預(yù)算充足可采用膜分離技術(shù)，此外一般都會(huì)采用運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、低能耗且具有景觀休閑娛樂(lè)功能的人工濕地技術(shù)進(jìn)行市政尾水深度凈化［1］。本文結(jié)合多級(jí)厭氧、好氧生物水處理工藝和人工濕地生態(tài)水處理工藝的凈化系統(tǒng)，對(duì)以市政尾水為代表的低濃度污水凈化效果進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為4 片生物-生態(tài)組合式人工濕地，每片100 m2。濕地?fù)鯄Σ捎么u混結(jié)構(gòu)，濕地底部鋪有防滲膜，每片人工濕地設(shè)置一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口。生物-生態(tài)組合人工濕地工藝流程如圖1 所示。

圖1 生物-生態(tài)組合人工濕地流程

生物-生態(tài)組合式人工濕地由8 部分組成，依次為1 號(hào)布水塘、2 號(hào)表流濕地Ⅰ、3 號(hào)復(fù)氧表流濕地、4 號(hào)水平潛流濕地Ⅰ、5 號(hào)表流濕地Ⅱ、6 號(hào)高負(fù)荷垂直潛流濕地、7 號(hào)水平潛流濕地Ⅱ、8 號(hào)出水景觀塘。各部分面積占比、水力負(fù)荷、有效水深、填料組成及其他設(shè)備情況、植物情況見(jiàn)表1。

表1 生物-生態(tài)組合式人工濕地參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)擬通過(guò)改變3 號(hào)復(fù)氧表流濕地和6 號(hào)高負(fù)荷垂直潛流濕地中的曝氣情況（調(diào)整氣水比），在生物-生態(tài)組合式人工濕地中營(yíng)造多級(jí)厭氧和好氧環(huán)境，來(lái)研究多級(jí)厭氧和好氧環(huán)境對(duì)生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)市政尾水凈化效果的影響。

2.2 檢測(cè)指標(biāo)

各構(gòu)筑物出水檢測(cè)指標(biāo)有COD、總氮、氨氮、總磷，分別采用重鉻酸鉀法、堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法、鉬銻抗分光光度法［2］進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)所用水質(zhì)近似于經(jīng)市政污水處理廠處理后的尾水水質(zhì)，水質(zhì)指標(biāo)近似于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，即COD 濃度為50 mg/L、總氮濃度為10 mg/L、氨氮濃度為5 mg/L、總磷濃度為0.5 mg/L。

2.4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行

生物-生態(tài)組合式人工濕地系統(tǒng)建成后，每日每片通入60 m3達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的市政尾水，運(yùn)行2 個(gè)月后進(jìn)行本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。污水在濕地中水力停留時(shí)間為1.67 d，濕地水力負(fù)荷為0.6 m3/（m2·d）。4 片生物-生態(tài)組合式人工濕地中，3 號(hào)復(fù)氧表流濕地與6 號(hào)高負(fù)荷垂直潛流濕地的氣水比組合分別為0 ∶1和0∶1、1∶1 和0∶1、0∶1 和0.5∶1、1∶1 和0.5∶1。氣水比通過(guò)微孔曝氣裝置是否曝氣及曝氣量大小控制。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同氣水比情況下生物－生態(tài)組合式人工濕地對(duì)COD 的去除效果

不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)COD 的去除效果見(jiàn)圖2。

圖2 不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)COD 的去除效果

本實(shí)驗(yàn)1 號(hào)構(gòu)筑物主要為布水、8 號(hào)構(gòu)筑物主要為出水景觀作用，對(duì)COD 去除效果低，在研究組合式人工濕地作用原理時(shí)，不做特別分析。當(dāng)3 號(hào)和6 號(hào)構(gòu)筑物中曝氣裝置根據(jù)氣水比1 ∶1 和0.5 ∶1 曝氣后，整個(gè)組合式人工濕地形成了兩級(jí)厭氧好氧環(huán)境：2 號(hào)表流濕地Ⅰ、3 號(hào)復(fù)氧表流濕地、4 號(hào)水平潛流濕地Ⅰ為第一級(jí)厭氧好氧環(huán)境；5 號(hào)表流濕地Ⅱ、6 號(hào)高負(fù)荷垂直潛流濕地、7 號(hào)水平潛流濕地Ⅱ?yàn)榈诙?jí)厭氧好氧環(huán)境。當(dāng)3 號(hào)或6 號(hào)構(gòu)筑物氣水比只有一級(jí)不為0∶1 時(shí)，不為0∶1 的所在構(gòu)筑物2 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)或5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)構(gòu)成第一級(jí)厭氧好氧環(huán)境；當(dāng)3 號(hào)或6 號(hào)構(gòu)筑物氣水比均為0∶1 時(shí)，整個(gè)組合式人工濕地系統(tǒng)為常規(guī)環(huán)境。

不同氣水比情況下，生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)COD 的去除效果存在明顯差異，Ⅰ到Ⅳ組COD去除率分別為47.16%，52.49%，57.11%，63.79%。在Ⅳ組中營(yíng)造了兩級(jí)厭氧好氧環(huán)境，Ⅳ組最終COD 相對(duì)去除率比Ⅰ組中兩級(jí)均未營(yíng)造厭氧好氧環(huán)境的高35.28%，Ⅳ組最終COD 相對(duì)去除率比只營(yíng)造第一級(jí)或只營(yíng)造第二級(jí)的Ⅱ組和Ⅲ組分別高21.53%和11.71%。由此可知，增加曝氣后能提高系統(tǒng)整體的COD 去除率。Ⅳ組最終出水（8 號(hào)構(gòu)筑物出水）COD濃度滿足地表水Ⅲ類水質(zhì)要求，其他3 組不滿足。

Ⅱ組和Ⅳ組在3 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅱ組與Ⅳ組3 號(hào)構(gòu)筑物COD 去除率分別為9.03%和9.18%，整體高于3 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅲ組5.25%和5.74%的COD 去除率；Ⅱ組與Ⅳ組4 號(hào)構(gòu)筑物COD 去除率分別為15.09%和16.51%，整體高于Ⅰ組和Ⅲ組中4 號(hào)構(gòu)筑物12.81%和13.74%的COD 去除率。Ⅲ組和Ⅳ組在6 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅲ組與Ⅳ組6 號(hào)構(gòu)筑物COD 去除率分別為17.59%和18.13%，整體高于6 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅱ組12.44%和11.42%的COD 去除率；Ⅲ組與Ⅳ組7 號(hào)構(gòu)筑物COD 去除率分別為13.04%和13.41%，整體高于Ⅰ組與Ⅱ組中7 號(hào)構(gòu)筑物10.01%和10.51%的COD 去除率。由此可知，上一構(gòu)筑物增加曝氣后，對(duì)后續(xù)構(gòu)筑物的COD 去除有一定促進(jìn)作用。

3.2 不同氣水比情況下生物－生態(tài)組合式人工濕地對(duì)氨氮的去除效果

不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)氨氮的去除效果見(jiàn)圖3。

圖3 不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)氨氮的去除效果

不同氣水比情況下，生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)氨氮的去除效果存在明顯差異，Ⅰ到Ⅳ組氨氮去除率分別為54.17%，64.10%，67.13%、79.98%。在Ⅳ組中營(yíng)造了兩級(jí)厭氧好氧環(huán)境，Ⅳ組最終氨氮相對(duì)去除率比Ⅰ組中兩級(jí)均未營(yíng)造厭氧好氧環(huán)境的高47.66%，Ⅳ組最終氨氮相對(duì)去除率比只營(yíng)造第一級(jí)或只營(yíng)造第二級(jí)的Ⅱ組與Ⅲ組分別高24.78%和19.4%。由此可知，增加曝氣后能提高系統(tǒng)整體的氨氮去除率。Ⅳ組最終出水（8 號(hào)構(gòu)筑物出水）氨氮濃度滿足地表水Ⅲ類水質(zhì)要求，其他3 組不滿足。

Ⅱ組和Ⅳ組在3 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅱ組與Ⅳ組3 號(hào)構(gòu)筑物氨氮去除率分別為14.53%和13.27%，整體高于3 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅲ組7.67%和7.40%的氨氮去除率；Ⅱ組與Ⅳ組4 號(hào)構(gòu)筑物氨氮去除率分別為18.40%和19.53%，整體高于Ⅰ組和Ⅲ組中4 號(hào)構(gòu)筑物15.87%和14.67%的氨氮去除率。Ⅲ組與Ⅳ組在6 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅲ組與Ⅳ組6 號(hào)構(gòu)筑物氨氮去除率分別為19.10%和21.00%，整體高于6 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅱ組12.85%和13.15%的氨氮去除率；Ⅲ組與Ⅳ組7 號(hào)構(gòu)筑物氨氮去除率分別為19.90%和19.95%，整體高于Ⅰ組和Ⅱ組中7 號(hào)構(gòu)筑物11.70%和11.70%的氨氮去除率。由此可知，上一構(gòu)筑物增加曝氣后，對(duì)后續(xù)構(gòu)筑物的氨氮去除有一定促進(jìn)作用。

3.3 不同氣水比情況下生物－生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總氮的去除效果

不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總氮的去除效果見(jiàn)圖4。

圖4 不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總氮的去除效果

不同氣水比情況下，生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總氮的去除效果存在差異，Ⅰ到Ⅳ組總氮去除率分別為35.07%，37.54%，41.12%，44.07%。在Ⅳ組中營(yíng)造了兩級(jí)厭氧好氧環(huán)境，Ⅳ組最終總氮相對(duì)去除率比Ⅰ組中兩級(jí)均未營(yíng)造厭氧好氧環(huán)境的高25.66%，Ⅳ組最終總氮相對(duì)去除率比只營(yíng)造第一級(jí)或只營(yíng)造第二級(jí)的Ⅱ組與Ⅲ組分別高17.39%和7.17%。由此可知，增加曝氣后能提高系統(tǒng)整體的總氮去除率。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 組最終出水（8 號(hào)構(gòu)筑物出水）總氮濃度均不滿足地表水Ⅲ類水質(zhì)要求。

Ⅱ組和Ⅳ組在3 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅱ組與Ⅳ組3 號(hào)構(gòu)筑物總氮去除率分別為4.92%和4.36%，與3 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅲ組4.60%和4.84%的總氮去除率相近；Ⅱ組與Ⅳ組4 號(hào)構(gòu)筑物總氮去除率分別為12.20%和12.72%，整體高于Ⅰ組與Ⅲ組中4 號(hào)構(gòu)筑物10.00%和10.04%的總氮去除率。Ⅲ組和Ⅳ組在6 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅲ組與Ⅳ組6 號(hào)構(gòu)筑物總氮去除率分別為10.50%和11.85%，整體高于6 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅱ組7.86%和8.01%的總氮去除率；Ⅲ組與Ⅳ組7 號(hào)構(gòu)筑物總氮去除率分別為10.17%和9.54%，整體高于Ⅰ組與Ⅱ組中7 號(hào)構(gòu)筑物7.23%和6.75%的總氮去除率。由此可知，表流濕地增加曝氣后，總氮去除效率與未曝氣相差不大，對(duì)后續(xù)構(gòu)筑物總氮去除有一定促進(jìn)提升作用。垂直潛流濕地增加曝氣后，自身總氮去除率明顯提升，且能提升后續(xù)構(gòu)筑物總氮去除效率。

3.4 不同氣水比情況下生物－生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總磷的去除效果

不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總磷的去除效果見(jiàn)圖5。

圖5 不同氣水比情況下生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總磷的去除效果

不同氣水比情況下，生物-生態(tài)組合式人工濕地對(duì)總磷的去除效果不存在明顯差異，Ⅰ到Ⅳ組總磷去除率分別為61.33%，66.17%，65.50%，68.00%。在Ⅳ組中營(yíng)造了兩級(jí)厭氧好氧環(huán)境，Ⅳ組最終總磷相對(duì)去除率比Ⅰ組中兩級(jí)均未營(yíng)造厭氧好氧環(huán)境的高10.87%，Ⅳ組最終總磷相對(duì)去除率比只營(yíng)造第一級(jí)或只營(yíng)造第二級(jí)的Ⅱ組與Ⅲ組分別高2.77%和3.84%。由此可知，增加曝氣后能在小范圍內(nèi)提高系統(tǒng)整體的總磷去除率。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 組最終出水（8 號(hào)構(gòu)筑物出水）總磷濃度均滿足地表水Ⅲ類水質(zhì)要求。

Ⅱ組和Ⅳ組在3 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅱ組與Ⅳ組3 號(hào)構(gòu)筑物總磷去除率分別為13.33%和12.67%，整體高于3 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅲ組11.33%和10.67%的總磷去除率；Ⅱ組與Ⅳ組4 號(hào)構(gòu)筑物總磷去除率分別為16.00%和16.67%，整體高于Ⅰ組與Ⅲ組中4 號(hào)構(gòu)筑物14.00%和15.33%的總磷去除率。Ⅲ組與Ⅳ組在6 號(hào)構(gòu)筑物中設(shè)置有曝氣，Ⅲ組與Ⅳ組6 號(hào)構(gòu)筑物總磷去除率分別為13.00%和13.00%，整體高于6 號(hào)構(gòu)筑物未曝氣的Ⅰ組與Ⅱ組11.00%和11.50%的總磷去除率；Ⅲ組與Ⅳ組7 號(hào)構(gòu)筑物總磷去除率分別為12.50%和12.00%，整體高于Ⅰ組與Ⅱ組中7 號(hào)構(gòu)筑物10.50%和11.00%的總磷去除率。由此可知，曝氣能提升自身構(gòu)筑物總磷去除率，且能少量提升后續(xù)構(gòu)筑物總磷去除率。

3.5 機(jī)理分析

通過(guò)不同曝氣情況的組合式人工濕地對(duì)COD、氨氮、總氮、總磷去除的影響分析，可以得出，多級(jí)厭氧好氧環(huán)境對(duì)上述4 種水質(zhì)指標(biāo)去除率都有提高，提高效率由大到小依次為氨氮、COD、總氮、總磷。

氨氮在組合式人工濕地中主要是通過(guò)植物的吸收和濕地系統(tǒng)中的硝化作用去除，增加曝氣形成好氧環(huán)境后能提高濕地中好氧的硝化細(xì)菌數(shù)量，從而提高硝化作用效果。

COD 在組合式人工濕地中去除主要通過(guò)濕地內(nèi)部微生物的降解。濕地內(nèi)部微生物分為厭氧型和好氧型兩大類，其中厭氧型微生物對(duì)低濃度COD 降解效果較弱，但能將水中難降解物質(zhì)水解為容易降解的小分子，便于好氧微生物進(jìn)行處理。好氧型微生物對(duì)低濃度COD 去除效果好，同時(shí)前面厭氧環(huán)境中部分難降解物質(zhì)分解，提高了水中有機(jī)物的可生化性。當(dāng)增加曝氣后，好氧型微生物量增加，因此提高了COD 去除效率。水中微生物將低濃度有機(jī)污染物作為碳源分解，給自身提供能量，主要分解二氧化碳和水［3］。

總氮在組合式人工濕地中去除主要通過(guò)植物的吸收和濕地內(nèi)部的反硝化作用。在厭氧（兼氧）環(huán)境下，反硝化細(xì)菌將水中NO2-和NO3-轉(zhuǎn)化為N2，從水中逸出。本實(shí)驗(yàn)中，增加曝氣形成厭氧好氧環(huán)境后，能促進(jìn)硝化作用生成NO2-和NO3-，同時(shí)能形成更適合反硝化的兼氧濕地環(huán)境，但由于水中COD 濃度值較低，即水中碳源量少，一定程度上限制了反硝化作用的進(jìn)行［4］。

總磷在組合式人工濕地中去除主要是通過(guò)植物吸收和土基及濕地填料吸附。植物吸收水中總磷后，轉(zhuǎn)化為自身ATP，DNA 及RNA 等有機(jī)物。組合式人工濕地增氧后，提高了植物生長(zhǎng)環(huán)境中微生物的種群數(shù)，促進(jìn)了植物對(duì)氮、磷的吸收，從而提高了總磷的去除，但該部分提升作用有限［5］。

4 結(jié)論

生物-生態(tài)相結(jié)合的組合式人工濕地，即含有曝氣的組合式人工濕地，對(duì)低濃度污水具有良好的去除效果，增加曝氣后能提升組合式人工濕地對(duì)COD、氨氮、總氮、總磷的去除效率，一定氣水比情況下，形成兩級(jí)厭氧好氧環(huán)境后，上述4 種指標(biāo)去除率相對(duì)于未增加曝氣的組合式人工濕地分別提高了35.28%，47.66%，25.66%，10.87%。因此，將生物水處理技術(shù)和生態(tài)水處理技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的生物-生態(tài)組合式人工濕地，在低濃度污水處理中具有良好的應(yīng)用前景，可以提高常規(guī)組合式人工濕地處理效果，減少占地面積。