城鎮(zhèn)污水處理廠尾水濕地運行效能研究進展

陸敏博，侯中科，沈 昊，馬宇輝，楊小麗，宋海亮

(1.悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 211189；3.南京師范大學 環(huán)境學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部公布的《2020年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》，截至2020年全國共有城鎮(zhèn)污水處理廠2 618座，污水處理率達97.53%，絕大部分處理廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準。對受納水體而言，該標準中規(guī)定的氮磷濃度仍可能會造成水體富營養(yǎng)化。為了進一步減輕影響，落實國家“水十條”等相關政策要求，各地污水處理廠紛紛實行提標改造方案對出水進一步優(yōu)化[1]。由于增加三級處理設施不僅會顯著提高污水處理成本，殘留藥劑也會影響受納水體安全。因此，尾水濕地因投資成本低、運行維護簡單、生態(tài)功能豐富等特點得到廣泛應用[2]。

尾水濕地以污水處理廠二級出水為水源，通過濕地中的基質、植物和微生物對污染物進行凈化?；|可以吸附水中氮磷成分；植物既可以直接吸收污染物，也可與根系微生物協(xié)同去除污染物；微生物依靠好氧和厭氧代謝過程去除污染物。當前針對尾水濕地的研究大多集中在方案比選階段，即不同基質和植物的搭配在不同運行參數(shù)下的表現(xiàn)，缺乏對尾水濕地運行效能的綜合描述，包括處理效果和存在的問題等方面，從而無法判斷尾水濕地有效性及改進方向。因此，本文針對國內外尾水濕地運行效能開展研究，探討尾水濕地系統(tǒng)對常規(guī)污染物和新興污染物的去除效果，并從基質和植物兩方面分析尾水濕地效能影響因素。

1 尾水濕地運行效果研究現(xiàn)狀

1.1 國外運行效果研究現(xiàn)狀

國外很早就開始利用人工濕地處理廢水，對污水廠處理后的尾水進行深度處理的案例也比較多。1996年，荷蘭特塞爾島采用表面流人工濕地對污水廠三級出水進行深度凈化，結果顯示可以去除92%的大腸桿菌、26%的總氮以及5%的總磷，出水滿足廢水排放標準但未達到荷蘭地表水標準[3]。2001年，意大利開展了一項為期3年的監(jiān)測研究，結果表明人工濕地可以去除污水廠出水中74%的COD，使出水濃度達45.9 mg/L[4]。對于進水BOD濃度小于40 mg/L的三級出水，全球122個表面流濕地的調研結果顯示出水平均BOD濃度可降至6.8 mg/L，去除率可達60.7%[5]。7座愛爾蘭的表面流人工濕地對城鎮(zhèn)污水廠二級出水進行處理，效能分析顯示BOD、COD、氨氮、總磷的平均去除率分別為84%、72%、37%、54%，平均出水濃度分別為8、45、6、5 mg/L，除總磷出水濃度高于最大允許濃度0.7 mg/L外，其他出水指標均達到要求[6]。2019年，印度通過一項3個月的監(jiān)測研究比較了水平潛流和垂直流濕地對二級出水的處理效果，BOD去除率為77%和83%，COD去除率為60%和65%，氨氮去除率為67%和84.47%，磷酸鹽去除率為85%和90%，結果顯示兩者均為有效的尾水處理方式[7]，但垂直流濕地比水平潛流濕地具有更高的污染物去除效率，充分說明了不同流動方式對處理效果的影響。為驗證尾水濕地出水回用有效性，2021年突尼斯公布了一項為期3年的監(jiān)測研究結果，采用水平潛流濕地和穩(wěn)定塘耦合系統(tǒng)處理二級出水，BOD5、COD、TKN、TP的去除率分別為45.24%、37.52%、56.53%、69.09%，并且穩(wěn)定塘對大腸桿菌有很好的去除效果，出水用于農田灌溉，可以實現(xiàn)水資源的有效利用[8]。

1.2 國內運行效果研究現(xiàn)狀

我國對尾水濕地的研究和應用起步較晚，至今還未形成尾水濕地出水規(guī)范，但對處理效果的要求大致分為兩個階段。為避免重復表達，下文中“一級A、B標準”均以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)為依據(jù)，“地表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類”均以《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)為依據(jù)。

第一階段的尾水濕地處理后出水滿足一級A標準。2009年，韓瑞瑞[9]采用復合垂直流人工濕地處理模擬污水廠尾水的配水，在低水力負荷下COD、氨氮、總氮、磷酸鹽的去除率分別為87.4%、82.15%、60.32%、30.15%，出水濃度分別為8、2、5.49、1.0 mg/L，去除效果比較明顯，但是除COD出水達到Ⅰ類外，其他指標仍處于劣Ⅴ類水平。增加了曝氣的垂直潛流濕地可以有效提高尾水的處理效果，出水COD基本穩(wěn)定在15 mg/L以下，并且可以達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水平，出水總氮和總磷分別穩(wěn)定在2 mg/L和0.1 mg/L以下，整體上凈化至一級A標準[10]。由于2015年國務院發(fā)布的《水污染防治行動計劃》中要求新建城鎮(zhèn)污水處理設施出水水質于2017年底全面執(zhí)行一級A標準，而在此階段之前污水廠出水大多執(zhí)行一級B標準，對尾水濕地出水要求不高，上述尾水濕地的出水未能達Ⅴ類也符合現(xiàn)實要求。

隨著污水廠出水要求的提高，第二階段的尾水濕地出水要求也登上新臺階。由于單一人工濕地易受環(huán)境因素等影響導致處理效果不佳，組合式的尾水濕地開始被廣泛運用。通過在尾水濕地主體部分前設置預氧化構筑物，如生態(tài)氧化池[11]、曝氣生物濾池[12]、臭氧接觸氧化池[13]等，實現(xiàn)對有機物和總氮的有效去除，將污水由一級A標準凈化至Ⅳ類水標準，可用作景觀娛樂補充水，改善環(huán)境效益。但是曝氣會增加額外的運行費用，與人工濕地本身的低成本運行特點相悖。實際工程中采用較多的方案是多生態(tài)工藝組合，如單一人工濕地和生態(tài)塘耦合系統(tǒng)[14]、表面流人工濕地和潛流人工濕地組合系統(tǒng)[15-16]、在表面流和潛流濕地前后設置生態(tài)塘或植物塘等復合系統(tǒng)[17-18]，大量實驗和案例證明組合系統(tǒng)能有效去除污染物，大部分指標基本可達到地表Ⅳ類水標準，某些出水指標甚至可達到地表Ⅱ類水標準。部分組合系統(tǒng)處理效果如表1所示。組合工藝充分發(fā)揮單個處理單元的優(yōu)勢且彌補不足，故不同濕地系統(tǒng)組合，以生態(tài)處理為主要去除過程，提高出水質量的同時也凸顯了生態(tài)和景觀的協(xié)同效益。

表1 尾水濕地處理工藝及運行效果

從單一尾水濕地處理系統(tǒng)到組合濕地處理系統(tǒng)，廣泛應用的尾水濕地已被證明可有效去除常規(guī)污染物。但是，現(xiàn)階段對尾水濕地效能研究仍存在一些不足。

首先，基于大量尾水濕地運行效能研究，除少數(shù)研究未考慮總氮外[19]，總氮去除效果均不理想。單組濕地如水平潛流濕地[20]、表面流濕地[21]，組合濕地如多級串聯(lián)表流濕地和潛流濕地[22]、生態(tài)塘-組合濕地[23]和垂直流濕地-多級生態(tài)塘[24]，其出水TN均為劣Ⅴ類標準。但上述濕地都已具備去除其他污染物，使出水水質達到地表Ⅲ類或Ⅳ類標準的能力，因此，濕地構型不是限制總氮去除效果的關鍵因素。

推其原因，一是尾水中碳源不足，濕地對有機物的去除效果又比較好，反硝化過程缺少碳源，嚴重影響對TN的降解；二是好氧環(huán)境使得氨氮容易轉變硝態(tài)氮，由于缺乏合適的厭氧環(huán)境，進一步加劇硝態(tài)氮的積累，故往往氨氮去除效果較好而TN的去除效果不好。而在冬季，由于低氣溫限制了微生物和植物的生命活動，導致去除TN效果更差。為了提高低溫下TN的去除效果，鄭曉英[25]構建了鐵炭內電解尾水濕地，電解過程產生的Fe2+可以促進大分子有機物轉變?yōu)樾》肿?，使微生物充分利用碳源進而強化反硝化脫氮，并且Fe2+也可以加快微生物細胞電子傳遞速率，提高生物活性。此外，也有研究通過外加碳源[26]和外加菌群[21]提高冬季脫氮效率，方法雖然有效，但投加成本和長期運行的影響還需進一步討論。

其次，現(xiàn)階段尾水濕地的監(jiān)測指標并未考慮水生生物等水生態(tài)監(jiān)測內容。水生態(tài)監(jiān)測是指從水體生態(tài)系統(tǒng)完整性出發(fā)，對水體中各個生物要素、環(huán)境要素、生物與環(huán)境要素之間的響應關系進行監(jiān)測，分析水體現(xiàn)狀并為水生態(tài)修復提供依據(jù)[27]。尾水濕地降解污染物依賴于系統(tǒng)中的基質、微生物、植物，其自身是一個小型生態(tài)系統(tǒng)，而僅考慮常規(guī)水質指標監(jiān)測不能說明其生態(tài)效果。根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—2013)、《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)、《河流水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測與評價技術指南(征求意見稿)》等，后續(xù)對尾水濕地處理效果的監(jiān)測應考慮浮游生物、底棲動物、魚類和生物毒性等參數(shù)，進一步建立尾水濕地的效能評價體系，對尾水濕地的運行效果形成標準化評價。

1.3 對新興污染物的去除效果

新興污染物(ECs)通常包括抗生素、內分泌干擾物、微塑料等，對其危害和去除機理的研究已經(jīng)得到廣泛關注。人工濕地對新興污染物的去除效果也得到大量研究，其去除機理主要是吸附和降解作用[28]。阿丹[29]以垂直-水平潛流組合濕地研究對喹諾酮類、大環(huán)內酯類、四環(huán)素類、磺胺類四大類抗生素的去除效果，前三者抗生素的出水濃度顯著低于進水濃度(P<0.05)，充分說明了人工濕地的不同構型和組成對不同ECs的去除效率不同，并且也有學者證明去除效率還受溫度影響。李超予[30]通過潛流濕地研究對廣譜抗菌劑三氯生(TCS)和非甾體抗炎藥物雙氯芬酸(DCF)的去除效果時，發(fā)現(xiàn)夏季平均去除率為91.72%和85.86%，高于冬季52.88%和32.47%的去除率。此外，王亮[31]在研究復合垂直流濕地對16種內分泌干擾物的去除情況時，說明了基質吸附和降解優(yōu)勢菌的作用，丁仁偉[32]在其實驗中證明了基質吸附能力和微生物降解能力受進水四環(huán)素濃度影響。

因此，尾水濕地可以有效去除ECs，但是處理效果受污染物種類、濕地構型、基質類型、植物、溫度、水力負荷等影響，這與其他研究者的結論一致[33]。此外，由于污水處理廠對ECs的去除有一定效果，現(xiàn)有研究多采用人工投加ECs的方法，其投加濃度與真實尾水中的濃度可能會存在差別，對判斷去除機理和不同運行條件的影響還需進一步探討。

2 尾水濕地運行效果的影響因素

尾水濕地的運行效果受多種因素的影響。尾水濕地發(fā)揮凈化作用的機理是濕地基質、植物和微生物的協(xié)同作用，因此，為進一步探究尾水濕地運行效果，針對基質材料和濕地植物兩個影響因素開展研究。

2.1 濕地基質的影響

濕地基質一方面作為濕地系統(tǒng)的骨架起支撐作用，另一方面對有機物、氮磷等污染物質起過濾和吸附作用[34]。傳統(tǒng)人工濕地的基質主要由土壤、沙礫、礫石、頁巖、陶粒等組成，不同基質對污染物的去除特性不一致[35]。由于傳統(tǒng)基質對TN去除能力有限且波動較大，故研究者針對加強基質吸附及促進反硝化展開研究。因普通沸石只能對氨氮吸附但不能徹底去除，故依托于孔隙中微生物的降解，生物沸石可以硝化去除吸附的氨氮，出水氨氮濃度可低于0.5 mg/L[36]。同理，生物炭強化下的濕地系統(tǒng)比相同條件下的沸石濕地系統(tǒng)具有更高的氨氮去除效率以及處理負荷[37]，但因碳源的不足嚴重影響反硝化，導致出水總氮過高。

馮牧雨[38]對海綿鐵-礫石潛流人工濕地、硫酸銅改性海綿鐵-礫石潛流人工濕地、海綿鐵耦合碳源-潛流人工濕地的常規(guī)污染物去除能力進行比較，結果顯示海綿鐵的吸附以及銅鐵微電解的作用對TN有一定去除效果，雖然未達標準，但是從化學角度論證了零價鐵可以促進微生物的自養(yǎng)反硝化。實驗證明，基于零價鐵-生物炭濕地系統(tǒng)的硝態(tài)氮去除能力相比生物炭和沸石濕地系統(tǒng)有顯著提升，出水可以穩(wěn)定達到準Ⅳ類標準[37]。這是因為生物炭多孔結構中積聚的微生物強化了硝化過程，生成的硝態(tài)氮在零價鐵的作用下發(fā)生反硝化過程，從而TN被有效去除。

為更好地說明濕地填料對濕地去除污染物的影響效果，基于Citespace5.8.R3知識圖譜軟件和文獻計量學分析對相關文獻進行可視化分析。以CNKI數(shù)據(jù)庫中SCI來源期刊、EI來源期刊、北大核心、CSSCI、CSCD為分析數(shù)據(jù)來源，以主題為“濕地填料”或“濕地基質”精確檢索，共得到384條結果(截至2021年12月27日)。剔除部分偏離主題結果，針對余下的367條結果，利用Citespace提取高頻關鍵詞進行關鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜分析，處理結果如圖1所示。

圖1 濕地基質關鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜Fig.1 Keyword co-occurrence time zone map of wetland substrate

從圖1中可以看出，人工濕地可以有效去除廢水中的有機物和氮磷等污染物，其中發(fā)揮關鍵作用的是基質?；|主要以吸附作用實現(xiàn)脫氮除磷。研究者們多集中于濕地基質的凈化作用展開研究。起初揭露了基質中微生物的作用機理，說明起凈化作用的是基質表面的生物膜，隨后多圍繞基質對污染物的吸附作用開展研究。在基質的選材方面，頁巖、沸石和鋼渣最早得到廣泛應用，并在吸附解吸特性、填料級配、性能比較等過程中研究選擇最合適的填料方案?？紤]到低成本及實現(xiàn)“以廢治廢”的目標，研究者通過實驗說明了水淬渣、爐渣、鉛污泥對磷具有很強的吸附性能，可以作為濕地填料。此外，以磚塊為填料的尾水濕地也實現(xiàn)了有效的去污能力，對COD和TP的去除率可以分別達到66.52%和91.55%[39]。這些實驗均為以后濕地填料的多樣化打下基礎。近年來，尾水濕地更加強調深度處理，在大多數(shù)基質對磷有較好吸附性能的基礎上添加生物炭基質或額外投加碳源，進一步強化對氮的去除，整體提升出水水質。

2.2 濕地植物的影響

除基質外，植物也在濕地中發(fā)揮關鍵的凈化作用。早有研究證明濕地植物對重金屬(如汞、鉻、鎘、砷、鉛等)有去除作用[40]，通過根部和莖葉吸收重金屬并在體內富集[41]。對常規(guī)污染物，未栽種植物時主要依靠基質的吸附作用去除，栽種植物后通過植物自身的吸收凈化作用可以提高對COD和TN的去除效率[42]。因此，植物對提高尾水濕地處理效能起關鍵作用。

濕地植物種類眾多，通?？煞譃橥λ参铩⒏∪~植物和沉水植物，不同植物的污染物去除效能也不一致。吳丹[43]比較了8組濕生植物表面流濕地在去除氮磷方面的表現(xiàn)，結果顯示挺水植物圓幣草和大聚藻組合對氮磷去除能力最好，浮葉植物睡蓮次之，并且生物量與去除效果并不成正相關。表面流濕地中，挺水植物風車草和再力花組合的去除效果優(yōu)于苦草和黑藻沉水植物系統(tǒng)[44]，而四季常青苦草、黑藻和狐尾藻沉水植物系統(tǒng)的出水COD和TP濃度分別可以達到地表水Ⅰ類和Ⅱ類標準[45]。潛流人工濕地中，蘆葦可以提高濕地的脫氮能力，對硝態(tài)氮的去除率從5.46%提升至27.69%，對氨氮的去除能力無明顯影響，這說明蘆葦可以增加反硝化細菌的數(shù)量并促進反硝化進程[46]。

除植物本身對污染物去除有不同偏向性外，季節(jié)的變化也會影響植物的去除效果，如春季蘆葦濕地對COD、氨氮和TN的去除效果好，但夏季絲帶草濕地對COD的去除效果最好，秋季風車草濕地對TP的去除效果最好，冬季美人蕉濕地對氨氮和TP的去除效果最好[47]。因此，實際工程中，針對不同種類污染物、不同構型濕地、不同季節(jié)和運行情況，濕地植物表現(xiàn)各異，應嘗試多種植物搭配。在不同情況下種植最佳植物來穩(wěn)定并提高尾水濕地的去除效果。

為更好地說明濕地植物對濕地去除污染物的影響效果，使用前述方法，以主題為“人工濕地植物”精確檢索，共得到621條結果(截至2021年12月27日)。剔除部分偏離主題結果，針對余下的497條結果，利用Citespace提取高頻關鍵詞進行關鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜分析，處理結果如圖2所示。

圖2 濕地植物關鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜Fig.2 Keyword co-occurrence time zone map of wetland plants

從圖2中可以看出，研究多集中于利用濕地植物對富營養(yǎng)化等污染水體開展生態(tài)修復，并關注植物凈化機理、生長特性和凈化效果。早期研究主要集中于COD、總氮和總磷等污染物去除，并考慮植物配置及填料結合，充分發(fā)揮植物吸收作用和植物根系微生物凈化作用。通過不同植物選擇搭配，探究最優(yōu)去除效果下水力負荷大小。隨后，重點展開受碳源制約的反硝化過程研究和重金屬去除研究。近年來，提出植物碳源和植物修復等相關研究內容?；谇捌跐竦刂参镄Ч蜋C理的研究，處理水由生活污水向尾水轉變。此外，植物的選擇也由挺水植物和浮水植物傾向沉水植物和園林植物，兼顧去除效果及景觀效果，常用植物包括蘆葦和美人蕉等。

3 總結和展望

尾水濕地作為一項污水處理廠尾水深度處理技術，已證實對污染物具有良好的去除效果，對BOD、COD、氨氮、TP等常規(guī)污染物指標，尾水濕地可以凈化至Ⅱ類水平，也可以有效去除大多抗生素和內分泌干擾物等新興污染物。

尾水濕地系統(tǒng)對污染物去除效果受不同基質和植物的影響?；趯P良好吸附效果基礎上，通過組合零價鐵加強反硝化，組合生物炭和生物沸石強化吸附，均可促進對TN的去除。季節(jié)變化和污染物種類也會影響植物去污效果，故應合理搭配植物。根據(jù)關鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜，強化基質脫氮效果和植物資源化應是未來研究重點。

尾水濕地的效能研究下一步應持續(xù)關注總氮去除效果，豐富效能研究內容，重視水生態(tài)效能。