新型人工濕地用于校園生活污水強化氨氮、磷及有機物的去除

吳子平 王竹梅

摘要：該試驗選用垂直地下流人工濕地（vertical subsurface flow constructed wetlands， VSSF-CWs）處理校園生活污水，第一、三級人工濕地水力負(fù)荷為0.822m3/（m2·d），第二、四級為0.038m3/（m2·d）。以潮汐流方式運行（運行周期為8h），提高溶解氧供給，強化NH4+-N及COD的去除;并選用建筑固體廢棄物為填料強化磷的去處。試驗結(jié)果表明：COD濃度由118.60±37.91mg/L降為43.50±16.56mg/L，平均去除率為87.03%;NH4+-N主要通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝氮，濃度由48.74±15.96mg/L降為1.57±1.48mg/L，平均去除率為96.69%。建筑固體廢棄物表現(xiàn)出良好的吸附性能，PO43--P濃度由2.94±0.92mg/L降為0.02±0.01mg/L，平均去除率為99.36%。

關(guān)鍵詞：垂直地下流人工濕地;校園生活污水;潮汐流;建筑固體廢棄物

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：Vertical underground flow constructed wetland was selected to treat Campus Domestic Sewage in this experiment. The hydraulic loading of the first and third stages was 0.822 m3/（m2·d）， while， the hydraulic loading of the second and fourth stages was 0.038 m3/（m2·d）. To enhance ammonia nitrogen and COD removal， the tide-flow operation was adopted （the cycle of circulation was 8 h） to increase dissolved oxygen supply. At the same time， the removal of phosphorus was strengthened by using building solid waste as filler. The results showed that a perfect efficiency was achieved. The concentration of COD decreased from 118.60±37.91mg/L to 43.50±16.56mg/L， and the removal efciency was 87.03%. The concentration of NH4+-N dropped from 48.74±15.96mg/L to 1.57±1.48mg/L， which mainly transformed into nitrate by nitrification， and the removal ef?ciency was 96.69%. Construction solid waste showed perfect P sorption capacity. The concentration of PO43--P dropped from 2.94±0.92mg/L to 0.02±0.01mg/L， and the removal ef?ciencies of PO43--P was 99.36%.

keywords：Vertical underground flow constructed wetland;Domestic wastewater for campus;Tidal ?ow;Construction solid wast

隨著西安城市化進(jìn)程的發(fā)展，在城郊或闊別城區(qū)的場所不斷有居民區(qū)和大學(xué)園區(qū)逐漸建成。由于缺乏污水收集管網(wǎng)和相應(yīng)的處理設(shè)施，大部分新建的社會公園在沒有任何處理的情況下現(xiàn)場排放，最后并入渭河，污染水體。目前，渭河流域關(guān)中段分散型生活污水排放已經(jīng)成為渭河污染物的主要點源貢獻(xiàn)者。因此，分散型污染的治理十分緊迫。

人工濕地經(jīng)常使用于分散型生活污水處理[1]。但是，以下關(guān)鍵工藝問題還有待進(jìn)一步改善：一、由于人工濕地溶解氧不足使硝化過程受到抑制;二、基質(zhì)吸附性能差造成磷的去除效果不佳。

潮汐流人工濕地通過進(jìn)水 - 滯留 - 排水 - 空轉(zhuǎn)模式運行，允許空氣中的氧氣進(jìn)入基質(zhì)空隙，增加溶解氧的供應(yīng)并增強NH4 + -N和COD的去除[2]。磷去除是經(jīng)過植物汲取、微生物同化和填料吸附等協(xié)同實現(xiàn)，其中植物汲取磷小于10%，微生物同化除去磷為4.5%～19%，所以磷主要是靠填料吸附和沉淀作用去除[3]。礫石和碎石是人工濕地常用基質(zhì)，但對磷的去除僅為26.7%～65.0%，因為礫石和碎石中通常沒有足夠的Fe、Al、Ca等金屬鹽類[3]。此外，每年中國建筑產(chǎn)生的建筑固體廢物有4000萬噸[4]。大量的建筑固體廢棄物不僅占用了大量的土地資源，而且嚴(yán)重污染了周圍的環(huán)境。將其中的粉煤灰砌磚（含27.80%Al2O3、6.63%FeO/Fe2O3和3.22%CaO[4]）資源化利用作為人工濕地填料，它不僅可以增強人工濕地的脫磷，還可以實現(xiàn)廢物處理，為建筑固體廢物的處理提供了新的途徑。

為探索建筑物處理固體廢物的新方法，探索適合處理分散生活污水的新工藝，本項目采用新型潮流人工濕地，以建筑固體廢棄物為基質(zhì)處理校園生活污水，研究了COD，NH4 + -N和PO43- - P對主要污染物的影響，特別是氮、磷的去除效果。

1 試驗系統(tǒng)與方法

試驗構(gòu)成見圖1，由Imhoff池和四個垂直流人工濕地串連構(gòu)成。每級人工濕地承托層15cm，填料層50cm。第一、三級人工濕地表面積均為0.006936m2，填料均為建筑固體廢棄物回收的礫石，粒徑由上至下分別為大于2cm、1.2～2cm和 0.6～1.2cm、0.3～0.6cm。第二、四級人工濕地表面積均為0.15m2，前后均有15cm的布水區(qū)，填料均為建筑固體廢棄物粉煤灰砌磚制作成的不同粒徑粉煤灰，粒徑由上至下分別為 1.2～2cm、0.6～1.2cm和0.14～0.3cm、0.09～0.14cm。測試系統(tǒng)由潮汐流操作，運行周期8h，每次進(jìn)水1.9L，第一、三級人工濕地水力負(fù)荷為0.822m3/（m2·d），第二、四級為0.038m3/（m2·d）。

2 原水水質(zhì)

試驗用水是西安某大學(xué)的校園生活污水，確定水樣指標(biāo)的方法采用第四版“水和污水監(jiān)測分析方法”的標(biāo)準(zhǔn)方法。原水水質(zhì)見表1：

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 VSSF-CWs對有機物的去除特征

圖2 為VSSF-CWs 對COD的去除特征。由圖2可知：校園生活污水COD濃度變化大，經(jīng)Imhoff池預(yù)處理后，由331.37±153.55mg/L降至118.60±37.91mg/L，再經(jīng)VSSF-CWs處理后降為43.15±16.56mg/L 。VSSF-CWs系統(tǒng)對COD的平均去除率為87.03%，其中Imhoff池去除了65.13%，主要是通過沉淀去除大部分SS實現(xiàn)，而VSSF-CWs去除的COD只有21.89%?？梢?，Imhoff池對SS有很好的去除效果，它與人工濕地組合對COD的去除效果良好，且VSSF-CWs運行50d后達(dá)到穩(wěn)定。

Jan Vymazal[3]采用Imhoff池與潛流人工濕地組合而成的復(fù)合系統(tǒng)處理生活污水時，Imhoff池能去除大部分SS，該系統(tǒng)的COD去除率為74.9%。Samira Abidi等人[5] 以沉淀-消化池為預(yù)處理設(shè)施，采用復(fù)合潮汐流人工濕地處理分散型生活污水，結(jié)果表明系統(tǒng)對COD的去除率高達(dá)90%。本試驗對COD的去除效果優(yōu)于Jan Vymazal的研究結(jié)果，與Samira Abidi的研究結(jié)果相近。

3.2 VSSF-CWs對氨氮的去除特征

圖3為VSSF-CWs對氨氮的去除特征。由圖3可知：生活污水原水NH4+-N變化大，濃度為48.74±15.96mg/L，但VSSF-CWs出水穩(wěn)定，濃度為1.57±1.48mg/L。Imhoff池對NH4+-N幾乎沒有去除效果，出水濃度為46.93±13.81mg/L，各級人工濕地出水NH4+-N濃度逐級遞減。VSSF-CWs對NH4+-N的去除效果顯著，去除率為90.85%～100%，平均去除率為96.69%。各級人工濕地的平均去除率依次為39.94%、35.32%、16.55%和1.49%。其中硝氮占出水三氮（氨氮+硝氮+亞硝氮）總量的93.87%，氨氮占6.13%，說明VSSF-CWs以潮汐流方式運行，提供了充足的溶解氧供硝化過程順利進(jìn)行，而反硝化過程不理想，NH4+-N主要通過硝化作用轉(zhuǎn)化成硝氮去除。VSSF-CWs試驗結(jié)果與Guenter Langergraber[6]的結(jié)果相似，他用兩級串聯(lián)潮汐流人工濕地處理生活污水，在進(jìn)出水NH4+-N濃度分別為59.30mg/L和0.29mg/L時，氨氮的去除率為99.51%。

3.3 VSSF-CWs對磷的去除特征

在過去的幾十年里很多學(xué)者對人工濕地的研究結(jié)果均表明磷的去除效果欠佳。Hans Brixy[7]用沙作為垂直流人工濕地基質(zhì)處理小區(qū)生活污水時，磷的去除率為20%～30%。Chan等人[8]用基質(zhì)為煤渣的潮汐流人工濕地處理大學(xué)園區(qū)生活污水時，磷的去除效果僅為40%。當(dāng)Fenxia Ye[9]等人用礫石和沙組成混合基質(zhì)的人工濕地系統(tǒng)處理小區(qū)生活污水時，TP的去除率為64%。Jan Vymazal等人[1]用碎石作為基質(zhì)的人工濕地處理生活污水時，磷的去除率為65.4%。由此可知，磷去除的關(guān)鍵在于基質(zhì)的選擇。本試驗選擇建筑固體廢棄物粉煤灰砌磚制作成的不同粒徑的粉煤灰顆粒作為除磷基質(zhì)，其除磷效果如圖4所示。

由圖4可知：生活污水原水磷酸鹽濃度化大，平均為2.94±0.92mg/L，經(jīng)Imhoff池后一部分有機磷轉(zhuǎn)化成磷酸鹽，出水濃度升高至3.41±0.72mg/L，再經(jīng)VSSF-CWs處理后的出水濃度為0.02±0.01mg/L。VSSF-CWs對磷的去除效果顯著，去除率為96.23%～100%，平均去除率為99.36%。Imhoff池對磷酸鹽完全沒有去除效果。第二級人工濕地對磷酸鹽的去除貢獻(xiàn)最大，平均去除率為79.86%，磷酸鹽濃度從2.86±0.53mg/L降至0.58±0.29mg/L，粉煤灰對磷酸鹽的去除效果顯著。同時第一、三級人工濕地通過微生物同化吸收了18.54%和4.33%的磷酸鹽，第四級人工濕地吸附去除了14.09%磷酸鹽。Defu Xu等人[10] 用朗格繆爾吸附等溫線鉆研了人工濕地中不同基質(zhì)對磷酸鹽的吸附去除能力，結(jié)果顯示粉煤灰對磷酸鹽有很好的去除效果，吸附能力為8.81 g P kg-1，明顯優(yōu)于沙、土等。

3.4 VSSF-CWs中溶解氧的供給與消耗特點

供氧不足是人工濕地普遍存在的問題。傳統(tǒng)人工濕地采用連續(xù)流方式運行，其內(nèi)部溶解氧主要為植物根部傳遞光合作用產(chǎn)生的氧和進(jìn)水中自帶的小部分氧，這兩部分溶解氧往往不能滿足污染物氧化消耗需要的溶解氧。而潮流人工濕地是間歇性的入口和出口水，空氣中的氧氣在閑置階段進(jìn)入基質(zhì)空間，可以增加氧氣供應(yīng)，加強NH4 + -N和COD的去除。VSSF-CW以潮流模式運行，溶解氧供應(yīng)和消耗特性如圖5所示。

研究表明，1g COD完全氧化需要1g 溶解氧，1g NH4+-N完全硝化成硝氮需要4.57g 溶解氧[2]。VSSF-CWs系統(tǒng)去除的COD和NH4+-N分別為407.96 mg/d和255.22mg/d。由此計算出VSSF-CWs中COD和NH4+-N分別消耗了11.34 g/（m2·d） 和104.89 g/（m2·d）的溶解氧。又根據(jù)試驗所在地的地理條件計算，有512.56 g/（m2·d）氧進(jìn)入整個VSSF-CWs中，即使只有25% 的氧溶于VSSF-CWs，也有128.14 g/（m2·d）的溶解氧可供利用，完全滿足VSSF-CWs中COD和NH4+-N消耗的溶解氧量。因此，潮汐流人工濕地提供了充足的溶解氧，保證了COD和NH4+-N的高效去除。

4 結(jié)論

VSSF-CWs對校園生活污水中主要污染物COD、NH4+-N、PO43--P和TP去除效果良好。因此，它非常適合用作分散社區(qū)污水的處理技術(shù)。

VSSF-CWs采用潮汐流方式運行，能提高氧的供給，強化NH4+-N和COD的去除，其平均去除率分別為96.69%和87.03%。建筑固體廢棄物對磷表現(xiàn)出很好的吸附性能， PO43--P平均去除率為99.36%，為大量建筑固體廢棄物的處置提供了新途徑。

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[10]Defu Xu， Jianming Xu， Jianjun Wu et al. Studies on the phosphorus sorption capacity of substrates used in constructed wetland systems. Chemosphere 2006（63）：344–352.

收稿日期：2019-05-16

作者簡介：吳子平（1985-），男，碩士研究生學(xué)歷，中級工程師，研究方向為水污染控制關(guān)鍵技術(shù)研究。