人工濕地系統(tǒng)對城鎮(zhèn)生活污水的凈化效果研究

朱智媛， 彭祖林， 楊驍平

（1.福建工程學(xué)院 交通運輸系，福建 福州 350108；2.武夷山市污水處理有限公司，福建 武夷山 354300）

0 引 言

2001年以來，我國廢水排放總量呈持續(xù)上升趨勢，2011年達到6.521×1010m3，比上年增加5.64%，其中，生活污水的排放量始終呈增長趨勢。作為城市污水治理的重要措施和手段之一，城市污水處理廠的建設(shè)步伐在加快，截至2010年底，我國城鎮(zhèn)生活污水設(shè)施處理能力已達到1.2331×108m3／d，城鎮(zhèn)生活污水處理率已達72.9% 。但是，由于污水處理廠需要大量的基建費用，技術(shù)要求嚴格，且運行、維護、管理的費用較高[1]，還有不少城鎮(zhèn)的生活污水只能任意排放至內(nèi)河、溪流中，使得原本清澈的河水變得渾濁，河床沉積物增多，河流水量減少。

人工濕地技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種仿自然生物處理技術(shù)[1]，它起源于德國，主要通過植物、微生物、填料間的相互作用，綜合利用物理、化學(xué)、生物作用實現(xiàn)水質(zhì)改善，具有投資省、運行費用低、處理效果好、管理維護方便、美化環(huán)境等優(yōu)點[2－3]。隨著科學(xué)研究的深入與社會環(huán)境需求，人工濕地技術(shù)逐漸被應(yīng)用到生活污水、工業(yè)廢水、富營養(yǎng)化水以及農(nóng)業(yè)徑流等污染治理，對COD，TN，TP，SS等有很好的去除效果，其工藝也得到不斷的改進[4]。文中通過對武夷山市人工濕地系統(tǒng)進行定期水質(zhì)監(jiān)測，研究該系統(tǒng)對COD，BOD5，NH＋4－N，TN，TP，SS的去除效果，以期為南方地區(qū)城鎮(zhèn)應(yīng)用人工濕地污水處理系統(tǒng)處理生活污水提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 武夷山市人工濕地系統(tǒng)工程概況

武夷山市城區(qū)人口約7萬人，作為一個旅游城市，境內(nèi)沒有重污染工業(yè)，污水主要來自居民的日常生活，總排放量大約1.2×104m3／d。在污水管網(wǎng)尚未完善前，市區(qū)的雨污水合流就近排放到路邊溝或排洪溝，居民生活污水只經(jīng)化糞池簡單處理后直接排放[5]，通過市區(qū)內(nèi)的溪流匯集到清獻河，在中州附近與崇陽溪交匯后往南流向武夷山景區(qū)。為減少對景區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的影響，武夷山市采用深圳市環(huán)境科學(xué)研究院的水解酸化＋接觸氧化＋垂直流人工濕地處理工藝，2007年1月建成占地15467m2、處理規(guī)模為5000m3／d的人工濕地處理系統(tǒng)一期工程，清獻河的水經(jīng)人工濕地系統(tǒng)凈化后再匯入崇陽溪，2010年10月與其緊鄰的占地21333m2、處理規(guī)模為10000m3／d的二期工程建成運行。與此同時，武夷山市也完成了三、四期的污水管網(wǎng)建設(shè)，即崇陽溪的污水截流，每日可收集市區(qū)生活污水約13000m3，引入人工濕地系統(tǒng)處理后再排入崇陽溪。

2 水質(zhì)分析方法

系統(tǒng)進出水的水質(zhì)分析采用在線監(jiān)測和實驗測定兩種方式，其中，COD，NH＋4－N，TP由在線監(jiān)測設(shè)備每小時傳輸一次數(shù)據(jù)，BOD5，TN，SS則每天采集一次水樣進行測定，系統(tǒng)出水流量由自動計量裝置測定。2012年1月之前只對COD進行監(jiān)測，2012年1月開始對COD，NH＋4－N，TP，BOD5，TN，SS 6個指標都進行監(jiān)測。根據(jù)2012年1月－2012年7月監(jiān)測的數(shù)據(jù)，濕地系統(tǒng)的進水水質(zhì)各指標均達到甚至超出了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）二級標準，系統(tǒng)設(shè)計出水的水質(zhì)優(yōu)化至一級B標準，見表1。

表1 進水水質(zhì) mg／L

3 工藝流程

武夷山市人工濕地系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

由城市污水管網(wǎng)收集的生活污水經(jīng)格柵攔截，去除大顆粒的雜質(zhì)，進入水解酸化池，由明渠帶三角堰出水，流入曝氣池，曝氣池由鼓風(fēng)機進行24h不間斷充氧。在一期工程中，曝氣池處理后的水直接經(jīng)布水管道進入人工濕地凈化，而在二期工程，曝氣池的出水流經(jīng)反應(yīng)池后再進入沉淀池，泥水分離后才進入人工濕地凈化。水解酸化池、沉淀池產(chǎn)生的污泥先排入污泥濃縮，由污泥螺桿泵抽到污泥脫水機房，經(jīng)帶式壓濾脫水機脫水處理，再由污泥專用車運到垃圾填埋場。

圖1 武夷山市人工濕地系統(tǒng)的工藝流程

4 工藝設(shè)計參數(shù)

4.1 水解酸化池

單個池體占地243m2，土建尺寸27m×9m×5.5m，有效容積為1215m3，HRT為5.8h，池內(nèi)設(shè)復(fù)合高效片狀微生物填料4374m2，池頂配水至池底，采用穿孔管進水配水，明渠帶三角堰出水，池底、池底＋2.0m處各設(shè)排泥排空管。

4.2 曝氣池

單個池體占地189m2，土建尺寸27m×7m×5.3m，有效容積為945m3，HRT 為4.5h，24h連續(xù)曝氣，總氣量為1250m3／h，氣水比為6∶1，生物接觸池內(nèi)設(shè)立體彈性填料576m3，采用集水槽均勻出水，底部設(shè)放空管DN200，池底設(shè)微孔曝氣管道系統(tǒng)，為好氧微生物的分解作用提供充足的氧氣，同時，通過攪動污水使污水與好氧微生物充分接觸，并將老化的生物膜沖走，保證了生物膜的活性。

4.3 反應(yīng)池

反應(yīng)池占地126m2，由2座相鄰的土建尺寸為9m×7m×6.55m的池體組成，單個池體的有效容積為315m3，HRT為1.5h。

4.4 沉淀池

沉淀池占地324m2，由2座相鄰的土建尺寸為18m×9m×6.55m的池體組成，有效容積為1620m3，沉淀時間為3.9h，表面水力負荷1.3m3／（m2·h）。

4.5 人工濕地

一期人工濕地占地面積8100m2，分5塊，布水負荷0.62m3／（m2·d）；二期人工濕地占地面積 13000m2，分 10 塊，布水負荷0.77m3／（m2·d）。濕地基質(zhì)的厚度為1.5m，面層為特殊填料，中間為河沙，底層是碎石；選用的濕地植物為花葉蘆荻（Arundo donax var.versicolor）、美人蕉（Canna indica）、香根草（Vetiveria zizanioides L.）和再力花（Thalia dealbata）等。

5 效果與分析

武夷山人工濕地系統(tǒng)在2010年10月全部建成運行，本研究采用2012年1月－2012年7月間的監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析該系統(tǒng)對生活污水的凈化效果。

5.1 對COD，BOD5，SS的凈化效果

水解酸化池可將不溶性的有機物水解為溶解性物質(zhì)，并將難降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易降解的小分子物質(zhì)，以提高廢水的可生化性[6]，曝氣池則利用好氧微生物的新陳代謝作用將污水中的有機污染物分解，以降低濕地有機物的污染負荷。濕地對有機物的去除主要是通過填料表面的生物膜和植物根系附著的大量微生物的降解作用，人工濕地系統(tǒng)運行一年多，進入穩(wěn)定階段，填料表面的生物膜已形成，植物生長良好，根系發(fā)育。植物根莖、填料的攔截和沉淀池的停留，污水中的固體懸浮物大部分截留在濕地系統(tǒng)中。COD，BOD5，SS的凈化效果分別如圖2～圖4所示。

圖2 COD的凈化效果

圖3 BOD5的凈化效果

圖4 SS的凈化效果

從圖2～圖4來看，人工濕地系統(tǒng)對COD，BOD5，SS的去除率均能達到91%以上，有的甚至達97%。系統(tǒng)出水中COD，BOD5，SS的濃度受季節(jié)溫度變化和系統(tǒng)進水水質(zhì)波動的影響小，達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的一級 A標準，出水中COD和BOD5的濃度分別達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838－2002）Ⅰ類和Ⅲ類標準。

人工濕地對氮的去除機制包括基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀以及氮的揮發(fā)、植物的吸收和濕地中微生物硝化與反硝化作用[7]。研究表明，濕地中去除氮的主要途徑是經(jīng)過微生物的氨化、硝化和反硝化過程最終變成氣態(tài)氮逸散到大氣。生活污水中的氮以有機氮、氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在[8]，它們之間通過氧化還原可以相互轉(zhuǎn)化。，TN的凈化效果分別如圖5和圖6所示。

圖5 的凈化效果

圖6 TN的凈化效果

圖6顯示，TN的去除率和凈化效果波動較大，系統(tǒng)出水TN的濃度3月增大至9.2mg／L，但去除率能達70%以上。要有效地去除污水中的氮，需要通過反硝化菌的作用，將硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氮，反硝化菌為異養(yǎng)菌。在反硝化過程中，需要有機碳源作為電子受體，且一般在缺氧條件下進行[10]。張躍峰[11]等認為進水的COD與TN 的質(zhì)量濃度比ρ（COD）／ρ（N）值越小，則反硝化作用的碳源不足，TN的去除效果就越不理想，而隨著總氮中氨氮比例的升高，總氮的去除率也會降低。3月系統(tǒng)進水TN的濃度猛增至上月的兩倍多，ρ（COD）／ρ（N）僅為4.34，系統(tǒng)出水TN的濃度升高，去除率降低；4月系統(tǒng)進水中占TN的比重超過60%，氨氮的硝化過程消耗碳源，對TN的去除效果產(chǎn)生一定影響；5月占TN的比重為35%，碳源消耗小，而這一階段濕地植物的生長速度快，對污水中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收量大，TN的去除效果好。6月、7月所占比重超過50%，7月份濕地植物收割，枯枝敗葉提供的碳源減少，使得系統(tǒng)出水TN的濃度回升，去除率下降。

5.3 對TP的凈化效果

人工濕地對磷的去除是通過微生物的積累、植物的吸收和填料床的物理化學(xué)作用等方面協(xié)調(diào)完成[12]，而填料的吸附、沉淀作用在濕地除磷中起著非常重要的作用[13]。雒維國[14]等研究認為，潛流型人工濕地除磷受到季節(jié)變化、植物種類、pH值、DO及水力條件等因素影響。TP的凈化效果如圖7所示。

圖7 TP的凈化效果

由圖7可知，武夷山市人工濕地系統(tǒng)TP的去除率為（65.48±5.57）%，相對于其它幾個指標來說，去除率不高，但是系統(tǒng)出水TP的濃度基本能達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的一級A標準，季節(jié)變化對TP的去除影響不太大，3～5月隨著氣溫回升，被收割的濕地植物重新開始生長，基質(zhì)中微生物作用加強，系統(tǒng)出水TP的濃度逐漸降低，去除效果也越來越好，5月由于本身進水的TP濃度不高，去除率有所降低，同時，由于濕地植物經(jīng)過幾個月的生長，有的葉片開始出現(xiàn)生理性落葉，若未及時清理，經(jīng)微生物分解，磷又釋放回系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)出水中TP的濃度升高，去除率降低。植物地上部分的磷含量高于地下部分，及時收割能增加因植物收割而帶出系統(tǒng)的磷量[15]，因此，掌握濕地植物的衰亡期，選擇合適的時間及時進行收割，能提高系統(tǒng)的除磷效果。

6 結(jié) 語

1）人工濕地系統(tǒng)對城市生活污水具有良好的凈化效果，系統(tǒng)出水的COD，BOD5，SS，NH＋4－N，TN，TP達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）一級 A標準。

2）根據(jù)系統(tǒng)進水中氨氮的濃度和其在TN中所占的比重，適當(dāng)調(diào)整碳源，提高反硝化作用，有利于TN的凈化。

3）根據(jù)植物的長勢、系統(tǒng)出水TP的濃度來及時調(diào)整植物的收割時間，提高TP的去除率。

4）該人工濕地系統(tǒng)平均的耗電量為0.14kW·h／m3，據(jù)統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的能 耗 為 0.29～0.39kW ·h／m3，平 均0.29kW·h／m3。如按節(jié)省0.15kW·h／m3、電價0.5元／（kW·h）的標準，以2012年1月－2012年7月系統(tǒng)的出水水量277.93×104t來計算，該人工濕地系統(tǒng)能耗減少41.69×104kW·h，可節(jié)省20.84萬元。

傳統(tǒng)的二級處理廠因其投資大、耗能高、運行管理技術(shù)復(fù)雜，很難大量應(yīng)用于像我國這樣的發(fā)展中國家，特別是中小城市。因此，應(yīng)用人工濕地系統(tǒng)凈化城市生活污水具有經(jīng)濟性和可行性。

[1]趙建，朱偉，趙聯(lián)芳.人工濕地對城市污染河水的凈化效果及機理[J].湖泊科學(xué)，2007，19（1）：32－38.

[2]湯顯強，黃歲楔.人工濕地去污機理及其國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀[J].水處理技術(shù)，2007，32（2）：9－13.

[3]Greenway M.Suitability of macrophyte for nutrient removal from surface flow constructed wetlands receiving secondary treated sewage effluent in Queensland，Australia[J].Water Science and Technology，2003，48（2）：121－128.

[4]余志敏，袁曉燕，崔理華，等.復(fù)合人工濕地對城市受污染河水的凈化效果[J].環(huán)境工程學(xué)報，2010，4（4）：741－745.

[5]余波平，彭立新，楊立君.武夷山市污水處理廠處理效果與技術(shù)更新[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2011，30（1）：69－71.

[6]Oktem Y A，Ince O，Donnelly T，et al.Determination of optimum operating conditions of an acidification reactor treating a chemical synthesis－based pharmaceutical wastewater[J].Process Biochemistry，2006，41（11）：2258－2263.

[7]方焰星，何池全，梁霞，等.曝氣對人工濕地氮去除效果的影響[J].濕地科學(xué)，2011，9（3）：270－276.

[8]付融冰，楊海真，顧國維，等.潛流人工濕地對農(nóng)村生活污水氮去除的研究[J].水處理技術(shù)，2006，32（1）：18－22.

[9]Mayo A W，Mutamba J.Modelling nitrogen removal in acoupled HR pand unplanted horizontal flow subsurface gravelbed constructed wetland[J].Physics and Chemistry of Earth，2005，30：673－679.

[10]傅金祥，張 羽，楊洪旭，等.短程硝化反硝化影響因素研究[J].工業(yè)水處理，2010，30（12）：38－41.

[11]張躍峰，劉慎坦，謝祥峰，等.人工濕地處理農(nóng)村生活污水的脫氮影響因素[J].江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，32（4）：487－491.

[12]宋志文，王仁卿，席俊秀，等.人工濕地對氮、磷的去除效率與動態(tài)特征[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（6）：648－651.

[13]劉東閣，孫愛花，謝文軍.人工濕地污水處理技術(shù)研究綜述[J].山東林業(yè)科技，2009（4）：124－128.

[14]雒維國，王世和，錢衛(wèi)一，等.潛流型人工濕地除磷效果研究[J].安全與環(huán)境工程，2004，11（4）：21－25.

[15]盧少勇，金相燦，余剛.人工濕地的磷去除機理[J].生態(tài)環(huán)境，2006，15（2）：391－396.