人工濕地對(duì)污水廠尾水處理凈化效果的探討

張小玲

（無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分公司，天津 300000）

當(dāng)前，在污水廠處理污水的過程中，存在污水處理體量較大，范圍較廣的問題，尤其是污水廠的尾水處理難度顯著提升，因此，為了進(jìn)一步提高整個(gè)污水處理過程的效率及質(zhì)量，應(yīng)科學(xué)合理選取相應(yīng)的處理措施。而人工濕地作為一類新興的污水生態(tài)凈化技術(shù)，主要是由基質(zhì)、植物、微生物等構(gòu)成的模擬天然濕地的復(fù)合體，其具有適用范圍廣、去除成效佳、操作簡易等優(yōu)勢(shì)，多用于不同類型的污水生態(tài)凈化處理，實(shí)現(xiàn)了污水尾水再生利用和生態(tài)修復(fù)雙重成效，所以人工濕地技術(shù)已成為提升污水廠尾水水質(zhì)首選的生態(tài)化處理方法。

1 人工濕地對(duì)污水廠尾水處理的凈化機(jī)理

人工濕地主要是為處理污水而人為設(shè)計(jì)建造的，其主要根據(jù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)的協(xié)同作用處理廢水，該系統(tǒng)可有效改善以及優(yōu)化區(qū)域氣候，能促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，而最為顯著的特征是高效率、低投資和低維持技術(shù)。通常情況下，人工濕地的實(shí)際結(jié)構(gòu)包含三大單元，即填料、植物和微生物，因不同的單元自身肩負(fù)的職能也不相同，所以，是先通過一系列的化學(xué)和物理反應(yīng)，然后再利用沉淀、吸附和分解轉(zhuǎn)化等方式，將污水中的污染物有效去除[1]。

在污水處理廠的尾水中，含有的有機(jī)物主要包含兩大類，即可溶性有機(jī)物和不可溶性有機(jī)物。其中，可溶性有機(jī)物的有效分解去除，主要是利用濕地內(nèi)植物的根系生物膜進(jìn)行吸附、吸收以及厭氧代謝降解，而不可溶性有機(jī)物是通過濕地基質(zhì)中的沉積、過濾等作用，將其充分存留，然后被微生物進(jìn)行分解和應(yīng)用。在人工濕地中，微生物作為該系統(tǒng)的核心構(gòu)成，主要肩負(fù)著大量廢水內(nèi)污染物的降解工作，是將內(nèi)部的大量有機(jī)物進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終以水和二氧化碳的形式呈現(xiàn)。并且，人工濕地系統(tǒng)的內(nèi)部可吸收氮素，并將其通過有效的處理完成凈化。通常，人工濕地內(nèi)產(chǎn)生的硝化過程主要包括兩大程序，第一步，將氨氣通過亞硝化最終轉(zhuǎn)變?yōu)镹O2-；第二步，通過反硝化的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)NO2-和NO3-的還原，最終以氣態(tài)氨的形式表現(xiàn)。

2 人工濕地對(duì)污水廠尾水處理的凈化方式

人工濕地對(duì)污水廠的尾水具有較佳的處理成效，其去除污染物的范圍較廣，主要包含N、P、SS、有機(jī)物等。而針對(duì)尾水中不同污染物的處理，其實(shí)際的處理方式也不一樣，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 去除尾水中的氮

在實(shí)際應(yīng)用人工濕地去除氮時(shí)，可選取的方式較多，如吸附、過濾和沉淀等，且不同的處理方式其基本原理也不同，但需要充分結(jié)合實(shí)際狀況進(jìn)行高效處理。通常，在污水廠的尾水中會(huì)含有較多的氮，可最大限度被人工濕地內(nèi)的植物吸收，而氮作為植物生長的關(guān)鍵元素，最終會(huì)轉(zhuǎn)化合成為植物蛋白質(zhì)，可以通過收割植物的方式將尾水中的氮有效去除[2]。而微生物自身的硝化、反硝化功效和作用，對(duì)尾水中的氮去除具備較佳的作用。此外，在人工濕地內(nèi)存在著大量植物，其根毛具有輸氧功能，因此，按照濕地周圍氧氣的分布狀況，可將其劃分為三個(gè)區(qū)域，即好氧狀態(tài)、缺氧狀態(tài)、厭氧狀態(tài)，這些區(qū)域可為各類微生物產(chǎn)生的硝化、反硝化作用提供良好的環(huán)境，同時(shí)，上述反應(yīng)還可以同步完成。相比于常規(guī)的污水處理系統(tǒng)，人工濕地實(shí)際去除氮的效率更高。

2.2 去除尾水中的磷

磷和氮均是生物生長的必備元素，而水體中的磷是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵約束元素，若污水處理廠的尾水中存在大量的磷，就會(huì)為藻類大面積的繁殖提供助力，從而使水體陷入富營養(yǎng)化狀態(tài)。若污水處理廠的尾水中磷是以自身的形式存在，這主要是與原水體中磷的類型密切相關(guān)，但通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，常包含多個(gè)鹽類。因此，人工濕地去除尾水中的磷可選取多元化途徑，其中，可利用基質(zhì)自身的吸收和過濾的手段，及時(shí)將無機(jī)磷予以有效去除。但最重要的是，由于人工濕地內(nèi)的實(shí)際填料不同，所以最終獲取的去除率也會(huì)不同。如果人工濕地內(nèi)部的土壤所含有的鐵、鋁氧化物含量較高，就會(huì)有助于生成磷酸鐵或磷酸鋁；但如果實(shí)際溶解度較低，就可以大幅度強(qiáng)化整個(gè)土壤的固磷水平。而填料選取為礫石的人工濕地，由于礫石內(nèi)部的鈣可最終轉(zhuǎn)換為不可溶性的磷酸鈣，所以，可將其通過沉淀方式及時(shí)去除。此外，植物吸收無機(jī)磷的基本原理和作用與無機(jī)氮相同，可將其轉(zhuǎn)換為植物生長的所需養(yǎng)分，最終利用植物收割的方法將其進(jìn)行徹底處理。

而利用微生物去除污水廠尾水中的磷，其基本原理也是進(jìn)行吸收和積累，是利用人工濕地根部區(qū)域的不同含氧狀態(tài)，即可視為多個(gè)處理模塊，從而充分確保不同細(xì)菌在厭氧條件下可持續(xù)性地吸收有機(jī)物，并及時(shí)釋放存在于細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)部聚合磷酸鹽的磷，來為其實(shí)際生存提供足夠的養(yǎng)分和能量；而在好氧條件下，可氧化吸收的有機(jī)物能其提供充分的相應(yīng)能量。此外，微生物從廢水內(nèi)部吸收的多于正常生長的磷，可將其進(jìn)行存儲(chǔ)并為微生物細(xì)胞提供支持，所以，人工濕地也可以選取此類方式去除污水廠尾水中的磷[3]。

2.3 去除尾水中的有機(jī)物

通常，在污水廠的尾水中會(huì)含量大量的有機(jī)物，而選用人工濕地去除有機(jī)物，也是污水廠尾水處理的核心工藝，其效果較佳。如尾水中存在著大量的有機(jī)物，均可利用沉淀、過濾的方式，先利用大量微生先進(jìn)行存儲(chǔ)收集，然后再對(duì)其進(jìn)行分解應(yīng)用；而針對(duì)可溶性的有機(jī)物，可最大限度利用植物根系的生物膜通過吸收、生物代謝等方式，及時(shí)有效去除。當(dāng)前，從多個(gè)尾水工程實(shí)踐中獲知，當(dāng)尾水濃度較低的狀況下，可選用人工濕地對(duì)BOD5進(jìn)行有效去除，其去除率可達(dá)到85%～95%，而CODCr的去除率也可以達(dá)到80%以上。一般情況下，處理尾水中BOD5的濃度在10 mg/L左右，而SS小于20 mg/L。

3 項(xiàng)目案例實(shí)踐分析

3.1 工程設(shè)計(jì)

某城市內(nèi)部污水處理廠結(jié)合其實(shí)際處理狀況，每天處理污水量為5 000 m3。在實(shí)際處理過程中，其處理工藝為先進(jìn)行預(yù)處理，隨后進(jìn)入生化處理環(huán)節(jié)，最終進(jìn)入濾池內(nèi)進(jìn)行過濾、消毒，最終出水滿足我國的相關(guān)規(guī)范和要求，可排放至下游河道內(nèi)。但為了進(jìn)一步優(yōu)化改善水體環(huán)境，保證水環(huán)境的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，選取垂直潛流人工濕地工藝對(duì)污水處理廠的尾水再進(jìn)行處理。

通過對(duì)污水處理廠的實(shí)際出水進(jìn)行分析，掌握了實(shí)際治理重難點(diǎn)。其工程設(shè)計(jì)為后續(xù)一共布設(shè)91座人工濕地，以并聯(lián)方式進(jìn)行連接，出水端增設(shè)8座生態(tài)調(diào)節(jié)池，最終出水排放至下游。不同構(gòu)筑物自身設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）蓄水池：蓄水池的主要功能是進(jìn)行沉淀，結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際狀況，其水深度控制在1.55 m，水力停留時(shí)間≥0.32 h，其主要處于整個(gè)尾水處理流程的前端，可將水位進(jìn)行抬高并保持其水面，主要為垂直潛流人工濕地的配水奠定良好基礎(chǔ)；

（2）進(jìn)水渠和出水渠。為了使整個(gè)尾水處理程序中的出水穩(wěn)定性較佳，進(jìn)出水渠寬度應(yīng)合理布設(shè)，結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際狀況，進(jìn)水渠的寬度為2.0 m，一共布設(shè)9個(gè)變化點(diǎn)，不同變化點(diǎn)渠底寬度減少0.1 m；出水渠的寬度為0.5 m，共布設(shè)9個(gè)變化點(diǎn)，不同變化點(diǎn)其底部寬度建議增加0.2 m。

（3）垂直潛流人工濕地共計(jì)91塊，有效面積約為10 hm2，表面水力負(fù)荷為0.5 m3/m2·d，水力實(shí)際停留時(shí)間為17.28 h，濕地床深度為0.8 m，濕地實(shí)際填料主要是由于三層塊石和碎石構(gòu)成，其構(gòu)成塊石和碎石粒徑不一，填料實(shí)際孔隙率為40%。第一層粒徑主要為8～12 mm，填料厚度為250 mm；第二層粒徑為15～25 mm，填料厚度為250 mm，第三層填料應(yīng)保證厚度為300 mm，選取粒徑為30～60 mm。該垂直潛流人工濕地系統(tǒng)選用進(jìn)水渠－配水主管－配水支管，結(jié)合實(shí)際處理尾水體量合理布設(shè)不同人工濕地的負(fù)荷，保證其更具合理性。濕地內(nèi)部建議增設(shè)蘆葦、香蒲等植物，其主要功能是處理凈化尾水中的污染物，其處理成效較佳。

（4）生態(tài)調(diào)節(jié)池。生態(tài)調(diào)節(jié)池實(shí)際布設(shè)長、寬分別為50 m、17 m，共計(jì)8座，水力停留時(shí)間≥3.7 h，應(yīng)充分引入相應(yīng)的沉水植物，營造完善的生態(tài)凈化系統(tǒng)，以確保內(nèi)部生物更具有多樣性，實(shí)現(xiàn)積極改善優(yōu)化人工濕地內(nèi)的水質(zhì)，營造較佳的生態(tài)水景觀。

（5）出水展示池。整個(gè)展示池自身面積約為3 000 m2，展示最終的生態(tài)處理系統(tǒng)成效，要布設(shè)親水平臺(tái)及棧道，且末端池壁可作為出水滾水壩。

3.2 工程運(yùn)行維護(hù)重點(diǎn)

3.2.1 植物栽種初期養(yǎng)護(hù)管理

植物作為人工濕地內(nèi)的重要構(gòu)成元素，需重視對(duì)其的種植管理。通過選取合理的種植種類，以確保其植物成活率較高。通常，濕地植物栽種一般選取春季，以提高整個(gè)植物的實(shí)際成活率；而選擇氣溫較低的冬季種植時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間做好防凍保護(hù)策略；夏季則應(yīng)及時(shí)做好遮陽。同時(shí)，為了保證初期栽種的植物根部深度滿足需求，應(yīng)結(jié)合實(shí)際狀況，及時(shí)調(diào)整人工濕地內(nèi)的水位，以確保其滿足相關(guān)規(guī)范和要求，但在初期要有效控制較低的濕地運(yùn)行水位，以促使其植物根莖朝下進(jìn)行生長，確保植物的生長成活率。若植物在實(shí)際生長過程中穩(wěn)定性較佳，其生態(tài)系統(tǒng)處于均衡狀態(tài)，就可保證持續(xù)性進(jìn)出水，從而為內(nèi)部植物的生長密度、正常生長提供助力。

3.2.2 運(yùn)行防堵塞措施

人工濕地在進(jìn)行處理尾水過程中，應(yīng)充分采取強(qiáng)有力的措施，避免其運(yùn)行發(fā)生堵塞，主要在以下幾方面：首先，要在濕地內(nèi)部增設(shè)進(jìn)出水的控制閥門，當(dāng)濕地床填料充分積累生物膜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的淤泥，這時(shí)可第一時(shí)間終止排水，并啟動(dòng)較大管徑的管道，及時(shí)將內(nèi)部存在的淤泥和生物膜進(jìn)行排放，避免長時(shí)間運(yùn)行使管道出現(xiàn)堵塞；其次，定期完成植物收割，及時(shí)清除濕地內(nèi)積累的植物殘留體，避免其堵塞整個(gè)填料層，因?yàn)檫@非常不利于后續(xù)尾水的處理凈化成效；最后，保證內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的實(shí)際供應(yīng)，隨著人工濕度內(nèi)實(shí)際生物量的持續(xù)增加，這會(huì)成為發(fā)生堵塞的關(guān)鍵因素，因此，結(jié)合此類問題可通過一系列處理措施，控制填料內(nèi)部微生物的實(shí)際生長速度，從而確保微生物有序進(jìn)行脫落外排。

3.2.3 保證冬季運(yùn)行效果

一方面，在氣溫較低的冬季進(jìn)行運(yùn)行工作時(shí)，可結(jié)合實(shí)際狀況適當(dāng)調(diào)整水位。一般是將水位控制在填料上方的20 cm左右，將其視為濕地實(shí)際保溫層，可配置管道、生物膜等系統(tǒng)，確保其實(shí)現(xiàn)正常代謝；另一方面，在冬季為保證人工濕地具備相應(yīng)的溫度，可將收割的各類植物平鋪于填料上，保證其內(nèi)部溫度不會(huì)在短周期內(nèi)下降，以緩解內(nèi)部的實(shí)際凍結(jié)速度。

3.2.4 進(jìn)出水水質(zhì)和水量的監(jiān)測

為了精準(zhǔn)掌握整個(gè)人工濕地內(nèi)的實(shí)際工作狀況，以及獲取最終處理凈化成效，應(yīng)選取合理的方式，聯(lián)合先進(jìn)的技術(shù)對(duì)不同濕地的出水水質(zhì)做好檢測；再通過取樣做好系統(tǒng)性分析，以明晰不同層級(jí)濕地內(nèi)是否發(fā)生斷流現(xiàn)象，若發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)分析其形成原因，并采取有效策略減少死區(qū)產(chǎn)生。

3.3 工程運(yùn)行成效

該項(xiàng)目在2018年正式啟動(dòng)使用，工程施工完成后處于后續(xù)運(yùn)維環(huán)節(jié)。人工濕地對(duì)污水廠的尾水處理效率和成效均較佳，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際總水水質(zhì)達(dá)到地表IV類標(biāo)準(zhǔn)，其中，有機(jī)物去除率在20%～35%，B0D5去除率在30%～55%，NH3-N去除率在20%～30%，TP去除率在40%～55%。工程實(shí)施后水質(zhì)檢測情況詳見表1。

表1 2020年人工濕地污染物凈化后檢測狀況

4 提高人工濕地處理污水廠尾水效果的應(yīng)用策略

污水廠作為當(dāng)下污水處理的核心構(gòu)成，為確保人工濕地在處理污水廠尾水中的積極作用能最大限度地發(fā)揮，應(yīng)合理選取相應(yīng)的解決策略，以提高污水的處理質(zhì)量，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

4.1 加強(qiáng)人工濕地建設(shè)場地的考量

為確保人工濕地建設(shè)目標(biāo)的實(shí)際完成，應(yīng)保證人工濕地基本面積，并充分考量各方面區(qū)域內(nèi)的實(shí)際狀況，以確定其對(duì)人工濕地的影響，同時(shí)，結(jié)合整個(gè)工程項(xiàng)目的建設(shè)成本、資源耗損等，明確人工濕地建設(shè)場地。一般情況下，污水廠會(huì)選取池塘為人工濕地，因其內(nèi)部生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可減少初期污水廠的耗損資源，且水生植物無需額外大量種植，這對(duì)于污水廠尾水的處理成效有很大幫助。同時(shí)，在人工濕地的正式建設(shè)過程中，應(yīng)考量多方面因素，要預(yù)先做好深層次調(diào)研和準(zhǔn)備工作，并有效收集匯總各方面數(shù)據(jù)信息，以保證人工濕地建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成。

4.2 加強(qiáng)人工濕地的環(huán)境監(jiān)管

通常情況下，人工濕地的內(nèi)部環(huán)境并非為固定，其始終處于動(dòng)態(tài)化變更，這與后續(xù)尾水的處理成效密切相關(guān)，因此，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際狀況，不斷優(yōu)化升級(jí)人工濕地的環(huán)境，以此為污水處理創(chuàng)設(shè)較佳條件。首先，應(yīng)用的技術(shù)要持續(xù)更新，這主要是因?yàn)槿斯竦氐沫h(huán)境無法與自然環(huán)境相比，其自身穩(wěn)定性不佳，如果缺少強(qiáng)有力的技術(shù)作以支撐，易產(chǎn)生問題，而高效的選取信息技術(shù)，可促使人工濕地的應(yīng)用更高效；其次，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，可利用先進(jìn)的信息技術(shù)對(duì)整個(gè)人工濕地做好動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)異常問題要及時(shí)進(jìn)行檢測，同時(shí)，要充分了解水生態(tài)、植物的實(shí)際狀況，以免產(chǎn)生植物、動(dòng)物大面積死亡的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

綜上所述，人工濕地作為一類生態(tài)處理污水的方法，可對(duì)污水廠的尾水進(jìn)行深度處理，既獲取了較佳的處理成效，又緩解了出水排至附近水體后對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，人工濕地的工程建設(shè)投資較少、成本較低，還可與周圍景觀相結(jié)合，具有較佳的綜合效益，值得推廣和應(yīng)用。