人工濕地技術(shù)在污水深度處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓成鐵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市　200092）

人工濕地技術(shù)在污水深度處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓成鐵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

人工濕地以其建設(shè)運(yùn)行成本低、耗能少、運(yùn)行維護(hù)方便、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、具有較強(qiáng)的氮磷去除能力以及生態(tài)環(huán)境效益顯著等優(yōu)點(diǎn)在處理污染水體中具有良好的應(yīng)用前景。針對(duì)上海市東區(qū)水質(zhì)凈化廠二級(jí)出水中存在的問(wèn)題，以二級(jí)出水的深度處理為主要研究對(duì)象，研究人工濕地深度處理技術(shù)的影響和控制因素，開(kāi)發(fā)高效、低成本的人工濕地深度處理技術(shù)，可有效去除COD、氮、磷等污染物。

人工濕地；深度處理；濕地結(jié)構(gòu)；水力負(fù)荷；去除能力

1　概況

上海市東區(qū)水質(zhì)凈化廠（簡(jiǎn)稱東廠）建成于1926年，至今已有80余年的歷史。根據(jù)廠區(qū)規(guī)劃調(diào)整整體方案，廠內(nèi)2個(gè)輻流式二沉池和6個(gè)濕污泥池目前基本閑置，擬改建為人工濕地用于二級(jí)出水的強(qiáng)化處理。圖1為東廠人工濕地整體規(guī)劃示意圖。

圖1　東廠人工濕地整體規(guī)劃示意圖

在一期實(shí)施工程中，規(guī)劃以2個(gè)輻流式二沉池為基礎(chǔ)，構(gòu)建以人工濕地為主的生物生態(tài)處理系統(tǒng)對(duì)污水廠二級(jí)出水進(jìn)行強(qiáng)化處理，并將強(qiáng)化處理出水作為景觀用水用于廠區(qū)內(nèi)水體景觀。對(duì)原二沉池周邊綠化帶進(jìn)行調(diào)整，并種植兼具觀賞價(jià)值及凈化作用的大型挺水植物、浮水植物、沉水植物等，以構(gòu)成一個(gè)完整的生物處理-景觀生態(tài)系統(tǒng)。

2　方案設(shè)計(jì)

2.1水質(zhì)水量分析

東廠2009年全年的月平均進(jìn)水水量接近7 000 m3/d，且來(lái)水分布時(shí)段極不均勻，每天僅有4～5 h有水，變化幅度極大，給污水廠的運(yùn)行帶來(lái)很大困難。

東廠2009年8月至2010年5月的進(jìn)水平均水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1　東區(qū)水質(zhì)凈化廠進(jìn)水水質(zhì)月平均值　mg/L

東廠主要工藝為傳統(tǒng)活性污泥法，經(jīng)處理后，二沉出水水質(zhì)COD＜70 mg/L，TN＜60 mg/L，其中NH4-N約為11 mg/L，NO3-N＞30 mg/L，NO2-N＜2 mg/L，TP＜3 mg/L。該出水碳氮比偏低，較適合運(yùn)用人工濕地技術(shù)進(jìn)行深度處理。

2.2濕地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)二沉池周邊情況以及對(duì)人工濕地平面布置的要求，兩個(gè)二沉池內(nèi)人工濕地采用不同的平面布置，如圖2所示。

圖2　人工濕地平面布置

各濕地單體過(guò)水方式為：進(jìn)水由溢流堰進(jìn)入布水槽，通過(guò)穿孔花墻進(jìn)入濕地，通過(guò)人工濕地處理之后由穿孔花墻進(jìn)入出水槽，通過(guò)溢流管排出。濕地內(nèi)部從下而上分別為0.9 m填料層、0.3 m覆土層、植物。各濕地單體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2，各濕地單體主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2　各濕地結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3水力負(fù)荷設(shè)計(jì)

根據(jù)前期的研究成果以及有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，水平潛流人工濕地水力負(fù)荷設(shè)計(jì)值一般小于0.2 m/d。由于該工程處理水質(zhì)為二沉池出水，水質(zhì)較一般人工濕地處理較好，因此在保證水力停留時(shí)間的基礎(chǔ)上可適當(dāng)提升水力負(fù)荷。在該工程中，人工濕地的水力負(fù)荷設(shè)計(jì)值為0.4～1 m/d，設(shè)計(jì)總流量為100～250 m3/d。

圖3　人工濕地單體結(jié)構(gòu)示意圖

2.4植物及填料選用

植物是人工濕地、生態(tài)景觀池的特點(diǎn)所在。一方面水生植物自身能吸收一部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)它的根區(qū)為微生物的生存和降解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供了必要的場(chǎng)所和物質(zhì)條件?？紤]到該工程中人工濕地的運(yùn)行管理以及景觀的要求，應(yīng)選用生物量大、氮吸收能力較強(qiáng)、景觀效果較好的植物，對(duì)植物抗逆性能則要求不高，因此在該工程中將選用蘆竹、茭白、千屈菜、美人蕉等作為濕地植物，選用睡蓮作為生態(tài)景觀池植物。

人工濕地的填料為濕地內(nèi)的微生物生長(zhǎng)提供載體，表面積越大，可生長(zhǎng)的微生物數(shù)量越多，因此需要填料有盡可能大的比表面積，同時(shí)填料還具有吸附、過(guò)濾等功能。根據(jù)該工程中對(duì)人工濕地處理能力的要求，應(yīng)選用氮磷去除能力較強(qiáng)的填料，同時(shí)考慮填料取得的難易難度，因此選用礫石、沸石、鋼渣等作為該工程中人工濕地填料。

經(jīng)過(guò)綜合選用植物和填料，最終設(shè)計(jì)各濕地植物填料配比見(jiàn)表3。

表3　各濕地單元植物填料詳表

3　人工濕地去除能力分析

通過(guò)近半年的濕地啟動(dòng)運(yùn)行，由于各濕地填料和植物選擇配比的不同，各濕地處理能力也呈現(xiàn)顯著的差異性，各濕地單體處理能力基本穩(wěn)定，出水水質(zhì)也基本達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

3.1COD去除分析

圖4為各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期間COD去除率變化曲線。由圖可得，人工濕地進(jìn)水的COD基本在50 mg/L以下，已基本滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖4　各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期COD去除率變化曲線

分析整個(gè)過(guò)程中COD的去除率變化情況，可以看到COD去除率變化趨勢(shì)大致為先下降后上升，其可能原因?yàn)樵趩?dòng)運(yùn)行初期，COD的去除以填料的吸附為主，微生物的降解為輔；一段時(shí)間過(guò)后，隨著填料吸附容量的飽和，去除能力有所下降；在啟動(dòng)運(yùn)行的中后期，微生物群落發(fā)育成熟，成為COD去除的主要方式，濕地去除COD的能力得到顯著上升。

3.2氮去除分析

由于污水中氮的化合形態(tài)復(fù)雜，且氮在微生物、植物生命活動(dòng)中參與較多，因此在人工濕地中氮的去除機(jī)理比磷的去除機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多。該工程研究中嘗試從填料、植物、pH值等方面分析人工濕地對(duì)NH4-N、NO3-N、NO2-N等的去除能力。

（1）NH4-N

圖5為啟動(dòng)運(yùn)行期間各濕地單體進(jìn)出水中NH4-N濃度變化曲線，進(jìn)水濃度一般在8～10 mg/L。

圖5　各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期NH4-N濃度變化曲線

圖6　各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期硝態(tài)氮濃度變化曲線

在啟動(dòng)運(yùn)行期間對(duì)各個(gè)濕地單體出水中的NH4-N濃度進(jìn)行縱向比較，可以看到隨著啟動(dòng)期的延長(zhǎng)，在1 m/d的水力負(fù)荷條件下，出水中的NH4-N濃度可普遍控制在5 mg/L以下，其中部分濕地單元可穩(wěn)定控制在2 mg/L以下。可見(jiàn)人工濕地對(duì)于NH4-N的去除能力較強(qiáng)，可以處理到較低的濃度。分析其原因，隨著植物的不斷生長(zhǎng)，一方面植物對(duì)NH4-N進(jìn)行了吸收利用，另一方面，植物生長(zhǎng)之后根系的輸氧能力和分泌能力為濕地中的硝化反應(yīng)提供了足夠的氧氣和有機(jī)物，從而極大地促進(jìn)了硝化作用的進(jìn)行。

對(duì)各濕地單體進(jìn)行橫向比較，可以看到濕地A、D、H在啟動(dòng)運(yùn)行初期即對(duì)NH4-N保持較高的去除能力，此時(shí)植物仍處于發(fā)芽期，去除能力的差異只能由各濕地單體中的填料導(dǎo)致。分析濕地A、D、H中的填料，濕地A、D均為100%沸石，濕地H為50%礫石+50%沸石，由圖5可以看到，A、D的去除能力要強(qiáng)于H，可見(jiàn)沸石對(duì)NH4-N有特異去除性，這一結(jié)果也與一般報(bào)道相符合。進(jìn)一步分析其他濕地單體中的填料，濕地E、I中配比25%沸石、濕地F、G中配比50%的沸石，但這幾個(gè)濕地單體并未表現(xiàn)出有較強(qiáng)的NH4-N去除能力，其中濕地G常出現(xiàn)出水NH4-N濃度高于進(jìn)水的情況。分析其可能原因，濕地I中沸石配比較低，濕地E、F、G中其他配比填料分別為爐渣和鋼渣，具有較高的堿度，從而影響了沸石對(duì)NH4-N的特異去除性。

因此可以認(rèn)為，如需對(duì)NH4-N有較高的去除能力，可盡可能多采用沸石作為濕地填料；同時(shí)，沸石對(duì)NH4-N的去除能力受環(huán)境pH值的影響，堿度越高，去除能力越差。

（2）硝態(tài)氮

考慮到NO2-N為NO3-N的第一級(jí)還原產(chǎn)物，且在好氧條件下，NO2-N易被氧化為NO3-N，因此在該工程研究中對(duì)NO3-N和NO2-N作為硝態(tài)氮綜合考察。圖6為啟動(dòng)運(yùn)行期間各濕地單體進(jìn)出水中硝態(tài)氮濃度變化曲線。

由圖5可以看到，人工濕地出水中硝態(tài)氮的濃度縱向變化較小，僅呈緩慢下降趨勢(shì)；橫向差異性也不大，除濕地F在4月到7月間顯著較低外，其余出水中硝態(tài)氮濃度一般在15 mg/L左右。由圖4可以看到，在整個(gè)過(guò)程中，人工濕地中的硝化反應(yīng)在不斷加強(qiáng)，因此，雖然出水中的硝態(tài)氮濃度下降較慢，但實(shí)際上人工濕地中的反硝化反應(yīng)在不斷加強(qiáng)。

3.3磷去除分析

一般認(rèn)為，人工濕地對(duì)磷的去除主要通過(guò)過(guò)濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收等途徑完成，以上途徑與濕地中的填料、植物以及微環(huán)境均有關(guān)系，其中填料的影響因素最大。

由于東區(qū)水質(zhì)凈化廠的污水處理環(huán)節(jié)中無(wú)特定的除磷環(huán)節(jié)，二沉出水的TP濃度較高，一般在2.5 mg/L左右，根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002），TP的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)為1.5 mg/L，一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)為1 mg/L，因此后續(xù)人工濕地深度處理過(guò)程中TP的去除壓力較大。圖7為啟動(dòng)運(yùn)行期間各濕地單體進(jìn)出水中TP濃度變化曲線。

圖7　各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期TP濃度變化曲線

由圖7可以看到，人工濕地進(jìn)水TP濃度一般在2.2 mg/L以上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期啟動(dòng)運(yùn)行之后，各濕地單元對(duì)TP均有一定的去除能力，出水中TP濃度可控制在1.5 mg/L左右。

考察整個(gè)過(guò)程中出水TP濃度，多數(shù)濕地單體呈現(xiàn)升高后降低的變化趨勢(shì)，其可能原因?yàn)椋涸趩?dòng)初期，填料對(duì)磷的吸附作用較大，但隨著吸附容量的不斷消耗，填料對(duì)磷的吸附截留能力下降，出水TP濃度有所提升；5月份以后，植物生長(zhǎng)進(jìn)入茂盛期，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中攝取了大量的磷，又有效降低了出水中的TP濃度。

對(duì)各濕地單體進(jìn)行出水TP濃度的橫向?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)濕地G的出水TP濃度顯著偏低，其余濕地則差異不明顯。導(dǎo)致這一差異的可能原因只能為濕地所使用的植物和填料。從植物方面看，濕地G中原有植物為茭白，但成活率較低，其實(shí)際植物種類較多樣化，對(duì)磷有特異性吸收的可能性較小，而且從其他濕地單體對(duì)比情況看，不同植物對(duì)磷的吸收能力并不存在較大的差異。從填料方面看，一般研究認(rèn)為，鋼渣中含有較多的重金屬離子，且pH值較高，有利于磷的物理截留。濕地G的填料配比了50%的鋼渣，從結(jié)果上看對(duì)磷的去除效果顯著。

因此可以認(rèn)為，在該工程研究中，選用的鋼渣填料可顯著去除TP，而選用的植物對(duì)TP去除有一定的作用，但作用不顯著，且不同植物種類之間的差異性不大。此結(jié)論也與一般研究認(rèn)可的濕地除磷機(jī)理相符合，即濕地除磷以填料截留為主，植物吸收為輔。綜上所述，以除磷為主要目的填料應(yīng)滿足含有較多金屬離子、pH值較高兩個(gè)主要條件。

4　結(jié)　論

人工濕地的處理能力優(yōu)秀，可有效用于污水廠二級(jí)出水的深度處理。在1 m/d的水力負(fù)荷下，人工濕地對(duì)COD有著較好的去除效率，在進(jìn)水COD 50 mg/L下，COD平均去除率在40%以上，出水COD在30 mg/L以下；鋼渣填料對(duì)TP去除效果優(yōu)秀，在進(jìn)水TP 2.2 mg/L下，出水TP在0.5 mg/L以下；沸石填料對(duì)NH4-N去除效果優(yōu)秀，在進(jìn)水NH4-N 8～10 mg/L下，出水NH4-N在2 mg/L以下。

人工濕地具有建設(shè)運(yùn)行成本低、耗能少、運(yùn)行維護(hù)方便、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、具有較強(qiáng)的氮磷去除能力以及美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在污水深度處理工藝中具有相當(dāng)?shù)耐茝V應(yīng)用價(jià)值。

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1009-7716（2016）06-0160-04

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上海市楊浦區(qū)國(guó)家創(chuàng)新型試點(diǎn)城區(qū)建設(shè)與管理資金項(xiàng)目（2012YPCX03-001）

韓成鐵（1977-），男，吉林和龍人，工程師，從事給排水設(shè)計(jì)工作。