組合型人工濕地系統(tǒng)中污染物去除過程分析

薛 竣，夏紹鳳，高文喬，王矛矛

(合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230009)

1 引言

人工濕地是由天然濕地發(fā)展而來，對水中的污染物具有很強的耐受能力。目前由人工設(shè)計建造的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是一種可控性良好的污廢水處理設(shè)施，常用于處理污水處理廠二級出水、雨水徑流和微污染水體[1]。人工濕地一般由基質(zhì)、植物以及生長在其中的微生物構(gòu)成并由它們共同發(fā)揮作用。在這當中植物根系在基質(zhì)間隙中伸展，從人工濕地的孔隙廢水中吸收養(yǎng)分(如氮、磷)，支持自身生長，同時凈化水體(去除重金屬和難降解有機物等)，濕地中的基質(zhì)可以從水中吸附無機離子，尤其是磷離子。在交替的需氧/厭氧條件下，包括氨氧化細菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)亞硝酸鹽氧化菌(NOB)或厭氧氨氧化細菌(Anammox)等各種細菌在內(nèi)的微生物都可以分解有機質(zhì)，并將氮素轉(zhuǎn)化為N2[2,3]。人工濕地中的底物、植物和微生物在廢水凈化中起著不同的作用，它們具有復雜的連接。

目前學者通常根據(jù)人工濕地中地表水的存在與否(表流或潛流)或水流方向(垂直或水平)進行分類，還可以通過組合不同類型的人工濕地來設(shè)置混合式的人工濕地[4]。表流人工濕地中是種植濕地大型植物的淺盆地(通常5～40 cm)，對土壤質(zhì)量沒有特殊要求，土壤的主要功能是支持植被的生長，污染物處理發(fā)生在水體和底部沉積物層中。潛流型濕地可分為水平流型和垂直流型。水平流控制的濕地不斷地進水，因此濾床大部分是缺氧的，好氧區(qū)只出現(xiàn)在靠近根部的區(qū)域。垂直流人工濕地是間歇性的，允許氧氣擴散到過濾床。一旦床空后，水滲透到底部。因而垂直流人工濕地較前者相比有更高的氧傳輸能力，對氨的去除效果更好。另外還可以將不同濕地組合形成復合處理系統(tǒng)，復合濕地系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應用，它可以有效地去除多種廢水類型中的含氮化合物[5]。

明確組合型人工濕地系統(tǒng)各單元的污染物去除過程和機制對提高尾水處理效果、優(yōu)化濕地運行條件具有重要意義。因此，本研究以某市經(jīng)開區(qū)組合人工濕地系統(tǒng)作為研究對象，對污水在濕地各單元中主要污染物去除過程進行監(jiān)測，以期對組合型濕地系統(tǒng)中污染物去除效率進行評價并探討潛在的去除機理。

2 材料與方法

本研究中人工濕地系統(tǒng)位于某市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，總占地面積約670 畝。該濕地系統(tǒng)于2020 年開始試運營，濕地進水量約為2.2 萬t/d，平均水力停留時間為8.5 d，污水處理廠尾水和河道上游污水混合后進入濕地系統(tǒng)，經(jīng)濕地處理后再排入下游河道。如圖1所示，人工濕地系統(tǒng)由預處理塘、曝氣好氧塘和多級表流濕地單元串聯(lián)組成。

圖1 人工濕地系統(tǒng)示意

本次實驗采樣時間為2021年5月22日，采樣時水體平均溫度達26.6 ℃。在濕地入口和各功能區(qū)末端分別設(shè)置采樣點，以監(jiān)測對污水的處理效果。采用直立式水樣采集器采集水面下0.5 m處水樣，每個采樣點各取3次重復，現(xiàn)場測定水體的溶解氧、pH值、色度和濁度。所有水樣采集后立即放入便攜式保溫箱中4 ℃保存，并于12 h內(nèi)運至實驗室用于其他指標測定。

溶解氧(DO)和pH值采用便攜式快速檢測儀(哈希HQ30d)，色度和濁度分別采用便攜式色度儀(雷磁WZB-421)和濁度(雷磁WZB-170)測定。化學需氧量(COD)、總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3--N)和總磷(TP)根據(jù)國家標準方法進行測定[6]。

3 結(jié)果與分析

人工濕地系統(tǒng)中pH值和溶解氧的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 濕地各單元中DO和pH值變化

溶解氧的變化趨勢與pH值相似，在人工濕地系統(tǒng)中溶解氧整體保持上升趨勢，在曝氣好氧塘中DO濃度達到最大。人工濕地系統(tǒng)中溶解氧濃度變化范圍為6.55～12.71 mg/L，由于曝氣好氧塘中曝氣機的工作提高了水體溶解氧，導致溶解氧出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象。水體中化能異養(yǎng)微生物和水生植物的呼吸作用能夠消耗水中的溶解氧，多種微生物在降解污染物過程中需要氧氣作為電子受體(例如：硝化細菌、亞硝化細菌和聚磷菌)，因此水體中溶解氧濃度直接影響著濕地對有機物、氨氮和總磷的去除效果。在人工濕地系統(tǒng)中通常利用人工曝氣、跌水和潮汐進水等方式提高溶解氧[8]。本次采樣為初夏時節(jié)，濕地中水生植物生長茂盛，植物的光合作用產(chǎn)生的氧氣釋放到水體中提高了溶解氧濃度。

人工濕地系統(tǒng)對污水COD處理效果如圖3所示。

圖3 COD在濕地各單元中的去除

濕地入口監(jiān)測到污水COD濃度為36.94 mg/L，污水進入濕地系統(tǒng)后COD濃度逐漸降低。通過對比四級表流濕地出水和濕地入口COD濃度發(fā)現(xiàn)，人工濕地系統(tǒng)對污水中COD整體去除率為65.8%。其中預處理塘和曝氣好氧塘在COD去除過程中占主要作用，對去除率的貢獻分別為23.6%和34.5%，多級表流濕地系統(tǒng)對COD去除作用較弱。在曝氣好氧塘中人工曝氣工藝直接提高了水體中溶解氧濃度，加速了有機質(zhì)的氧化過程。但由于本研究中濕地進水為污水處理廠尾水和上游污水，其中有機物可生化性較低，導致COD去除率整體偏低。

污水中氮素的形態(tài)及在人工濕地系統(tǒng)中的去除過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，濕地入口處污水總氮濃度為48.6 mg/L，污水中的氮以氨氮和硝態(tài)氮為主，分別占總氮的60.8%和32.3%，沒有檢測到亞硝態(tài)氮的存在。經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)處理后，總氮、氨氮和硝態(tài)氮去除率分別達到96.4%、99.5%和92.9%。人工濕地系統(tǒng)中各單元對污水中的氮素去除效果具有顯著差異，預處理塘中總氮和氨氮略微降低，而硝態(tài)氮幾乎沒有發(fā)生除去。當污水進入曝氣好氧塘中，氨氮和硝態(tài)氮迅速降低到7.03 mg/L和6.52 mg/L。這可能是因為曝氣好氧塘中由于溶解氧濃度高，好氧的氨氧化細菌和古菌迅速生長，將氨氮氧化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。同時，由于曝氣好氧塘中設(shè)計了沉底式生物膜系統(tǒng)中富集了微生物，局部的厭氧和缺氧環(huán)境導致反硝化微生物的生長，將硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮還原為N2O或N2釋放到空氣中[9]。此外，多級表流濕地中挺水和沉水植物的生長對水體中氮素的去除也起到了重要作用。

圖4 氮素在濕地各單元中的去除

污水中總磷在人工濕地系統(tǒng)中的去除過程如圖5所示。

圖5 總磷在濕地各單元中的去除

濕地入口處污水中總磷濃度為1.05 mg/L，人工濕地系統(tǒng)對污水總磷去除率為97.14%。人工濕地系統(tǒng)對總磷的去除具有顯著的分段特征，曝氣好氧塘段中去除了總磷的71.4%。研究表明：濕地系統(tǒng)中對總磷的去除主要通過植物吸收、基質(zhì)材料吸附和聚磷菌等微生物利用等途徑去除。在本研究中約有71.4%的總磷在曝氣好氧塘單元中被去除。曝氣好氧塘中通過設(shè)置曝氣機提高了水體溶解氧，有利于好氧的聚磷菌生長，同時沉底式生物膜系統(tǒng)為微生物的生長提供了附著面，提高了微生物的處理效率。

污水色度和濁度在濕地各單元中的變化過程如圖6所示。

圖6 水體色度和濁度在濕地各單元中的變化

濕地入口處污水的色度和濁度分別為39°和37.8 NTU，經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后色度和濁度分別降低到12°和1.9 NTU。濕地系統(tǒng)中水體色度和濁度的變化規(guī)律具有明顯差異，水體濁度自進入濕地后逐漸降低，當?shù)竭_表流濕地系統(tǒng)后保持穩(wěn)定。研究表明，濕地系統(tǒng)植物對水體中的顆粒物具有良好的攔截效果，對水體濁度的提高具有顯著作用[10]。而水體色度在進入濕地系統(tǒng)后先升高后降低，在預處理塘和曝氣好氧塘中色度高于原水。水體中的有機物和金屬離子是造成水體色度升高的主要原因，預處理塘和曝氣好氧塘中水中營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，促進了水體微生物(包括藻類)的生長，導致水中葉綠素a及腐殖酸類物質(zhì)濃度提高進而提高了水體的色度。在濕地運行過程中爆發(fā)了藍藻水華，因此藻類的增長可能是造成預處理塘和曝氣好氧塘中色度升高的主要原因。

4 結(jié)論

本研究對人工濕地系統(tǒng)中的污染物去除過程進行了分析，結(jié)果表明：

(2)污水色度和濁度在經(jīng)人工濕地系統(tǒng)處理后顯著降低，出水色度和濁度分別為12°和1.9 NTU，藍藻增長是預處理塘和曝氣好氧塘色度升高的主要原因。