復(fù)合式人工濕地尾水凈化工程調(diào)試與運(yùn)行

周衛(wèi)東，朱瑞亭，李 青，黃畯楠，鄭于聰，張瓊?cè)A，熊家晴

（1. 南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000；2. 江蘇金陵環(huán)境有限公司，江蘇 南京 210000；3. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

隨著城市化水平的逐漸提高，大量生活污水和工業(yè)廢水持續(xù)排入地表水體，但普通污水處理廠對(duì)污染物的處理效果有限，因此，亟需一種更為生態(tài)有效的氮、磷去除技術(shù)，來(lái)進(jìn)一步提升污水處理廠尾水水質(zhì)。

以“綠色生態(tài)系統(tǒng)”建設(shè)的人工濕地處理技術(shù)，與臭氧/活性炭[1-2]、生物濾池[3-4]和反滲透[5]等其他深度處理技術(shù)相對(duì)比，具有維護(hù)操作便捷、工程運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低和抗水力沖擊能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)[6-9]，逐漸在尾水提標(biāo)中得到更普遍的推廣運(yùn)用?，F(xiàn)階段我國(guó)大部分污水處理廠尾水已達(dá)到一級(jí)A 的出水標(biāo)準(zhǔn)，但其作為生態(tài)補(bǔ)給水直接排入受納水體，會(huì)導(dǎo)致地表水體水質(zhì)惡化，甚至產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題，進(jìn)而影響周邊水環(huán)境質(zhì)量。選取江心洲污水處理廠閑置用地，建設(shè)尾水人工濕地示范工程，研究濕地系統(tǒng)對(duì)污水處理廠尾水凈化能力和效果。以該系統(tǒng)為研究目標(biāo)，分析各處理單元的水質(zhì)情況，進(jìn)而確定濕地系統(tǒng)的適宜組合形式及運(yùn)行工況，可為污水處理廠尾水水質(zhì)提升和人工濕地的運(yùn)用普及提供技術(shù)參數(shù)和工程示范。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 污水處理量及進(jìn)出水水質(zhì)

本工程為南京江心洲污水處理廠，項(xiàng)目建于2020 年6 月，項(xiàng)目區(qū)面積為1 800 m2，設(shè)計(jì)規(guī)模為1 200 m3/d，水力負(fù)荷約為0.67 m3/（m2·d），濕地系統(tǒng)進(jìn)水為江心洲污水廠的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)出水，實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷與設(shè)計(jì)進(jìn)水負(fù)荷相比偏高，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002》近Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)出水質(zhì)指標(biāo) mg·L-1

1.2 設(shè)計(jì)流程

該人工濕地示范工程的設(shè)計(jì)流程，見(jiàn)圖1。

圖1 復(fù)合式人工濕地處理工藝流程

待處理污水通過(guò)水泵一次提升后，進(jìn)入高位水池即淺池單元A，完成水質(zhì)與水量的調(diào)節(jié)與控制，同時(shí)可對(duì)懸浮物、顆粒物或泥沙等進(jìn)行去除；預(yù)處理后的污水正向或反向地進(jìn)入7 座并聯(lián)的雙向橫流生態(tài)過(guò)濾單元B，實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物氧化和反硝化脫氮；出水自流入折流式潛流單元C，污水均勻折流使?jié)竦刂械奈廴疚镔|(zhì)與內(nèi)部基質(zhì)進(jìn)行充分接觸，同時(shí)折流式潛流濕地單元中的缺氧環(huán)境，可促進(jìn)反硝化脫氮；出水向下流入水平潛流單元D，污水在非飽和條件下，強(qiáng)化有機(jī)物去除、磷的吸附以及深度硝化，使水質(zhì)得到穩(wěn)定提升；出水流入表流濕地單元E，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和氮的去除，進(jìn)一步保障水質(zhì)和營(yíng)造生態(tài)景觀，最終出水依據(jù)相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行再生水回用。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

復(fù)合式人工濕地處理系統(tǒng)的主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

2 運(yùn)行效果分析

研究階段分為:1）啟動(dòng)期為2020 年7 月1 日～2020 年8 月31 日（61 d），采樣頻率為1 周1 次；2）過(guò)渡期為2020 年9 月1 日～2020 年11 月30 日（91 d），采樣頻率為1 周1 次；3）穩(wěn)定期為2020 年12 月1 日～2020 年3 月28 日（121 d），采樣頻率為1 周1 次，分析了系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行9 個(gè)月(270 d)內(nèi)各單元進(jìn)出水TN、NH4+-N、COD 和TP 的變化情況。相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4 版)》 。

2.1 人工濕地系統(tǒng)的啟動(dòng)

2020 年7 月濕地系統(tǒng)初步建設(shè)完成，隨即開(kāi)展?jié)竦叵到y(tǒng)的啟動(dòng)調(diào)控。濕地啟動(dòng)過(guò)程中需保持工程基建設(shè)施與配水管路系統(tǒng)等穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，待復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)各個(gè)單元運(yùn)行情況良好后（連續(xù)7～10 d 對(duì)各污染物具有較為穩(wěn)定的處理效果），即視為濕地啟動(dòng)調(diào)試工作完成。

2.2 運(yùn)行效果分析

2.2.1 COD 的去除效果 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效果，見(jiàn)圖2。

圖2 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效果

COD 實(shí)際進(jìn)水濃度為（19.11±6.59） mg/L，尾水經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后COD 含量逐漸降低，在啟動(dòng)期，尾水中COD 濃度在進(jìn)水端有1 個(gè)高速降低的階段，這主要是因?yàn)槲菜蠧OD 含量相對(duì)不高，尾水流動(dòng)的過(guò)程中大部分有機(jī)物借助填料吸附、濕地植物根系吸收和多種微生物的降解作用被有效去除。當(dāng)污水從淺池單元流至其他單元時(shí)，有機(jī)物濃度已經(jīng)較低且大部分為難降解有機(jī)物，因此系統(tǒng)其他單元對(duì)COD 的去除效果減弱。啟動(dòng)期時(shí)系統(tǒng)對(duì)COD 的去除能力具有較高的波動(dòng)性，平均去除率為31.1%，最高去除率接近40.0%。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，過(guò)渡期和穩(wěn)定期時(shí)對(duì)COD 的去除效果逐漸趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)處于穩(wěn)定期時(shí)對(duì)COD 的平均去除率為32.2%，最高去除率接近50.0%，優(yōu)于啟動(dòng)期與過(guò)渡期。整體來(lái)看，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除能力略弱，原因可能是由于實(shí)際進(jìn)水中COD 含量較低，并且冬季過(guò)渡期時(shí)，溫度較低，造成微生物活性衰退；又由于對(duì)生態(tài)景觀效果的提升，該系統(tǒng)在淺池單元處養(yǎng)殖錦鯉，其排泄物溶于水體使后續(xù)單元有機(jī)物濃度產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)COD 的總體去除效果不佳。雖然進(jìn)水中COD 水質(zhì)變化較大，但COD 出水水質(zhì)較為平穩(wěn)，出水COD 均小于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 NH4+-N 去除效果 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 的去除效果，見(jiàn)圖3。

圖3 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 的去除效果

NH4+-N 實(shí)際進(jìn)水濃度為（0.87±0.51）mg/L，NH4+-N 的處理單元主要為雙向橫流生態(tài)過(guò)濾單元，此單元水體橫向流動(dòng)，在填料上產(chǎn)生生物膜，前端將NH4+-N 轉(zhuǎn)化為NO3--N，末端DO 濃度下降，形成缺氧環(huán)境，可進(jìn)行初步反硝化，隨著對(duì)該單元進(jìn)水流向的調(diào)換，能夠?qū)崿F(xiàn)微生物的內(nèi)源反硝化，有效增強(qiáng)NH4+-N 處理效果。但在水平潛流濕地單元中偶爾出現(xiàn)NH4+-N 含量增加的情況，王博等[10]研究表明，人工濕地中微生物的硝化過(guò)程對(duì)NH4+-N的去除起到顯著作用，但氧含量的缺乏是導(dǎo)致潛流濕地不能進(jìn)行硝化反應(yīng)的重要原因。潛流濕地系統(tǒng)底部缺氧，抑制NH4+-N 的硝化作用，使得潛流單元中NH4+-N 的去除趨勢(shì)相對(duì)平緩甚至出現(xiàn)反復(fù)。該系統(tǒng)初運(yùn)行時(shí)對(duì)NH4+-N 的處理效果不佳，但在過(guò)渡期時(shí)平均去除率上升至49.2%，穩(wěn)定期NH4+-N的平均去除率為51.3%，最高去除率可達(dá)71.7%，且NH4+-N 是所有水質(zhì)指標(biāo)中波動(dòng)性最強(qiáng)的，顯示出冬季時(shí)溫度較低對(duì)NH4+-N 處理效果的影響最大。出現(xiàn)該情況的原因可能是NH4+-N 的去除以濕地填料的吸附作用和硝化-反硝化作用為主，而這2 種途徑受溫度影響較大，在啟動(dòng)期時(shí)，系統(tǒng)剛剛運(yùn)行，濕地基質(zhì)的生物膜尚未形成且濕地內(nèi)植物未進(jìn)行種植，導(dǎo)致基質(zhì)微生物的硝化與反硝化作用不佳，因此啟動(dòng)期處理效果差，隨著時(shí)間的推移及植物生長(zhǎng)，濕地基質(zhì)生物膜逐漸產(chǎn)生，穩(wěn)定期時(shí)NH4+-N 的去除率明顯上升。

2.2.3 TN 的去除效果 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN 的去除效果，見(jiàn)圖4。

圖4 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN 的去除效果

TN 實(shí)際進(jìn)水濃度為（8.63±2.71） mg/L，尾水經(jīng)處理后TN 濃度逐漸降低，濕地系統(tǒng)中折流式潛流濕地單元對(duì)TN 的去除效果較強(qiáng)，這是由于折流式潛流濕地單元內(nèi)部設(shè)有穿水擋墻，以控制水流路徑并延長(zhǎng)水體與基質(zhì)的接觸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)尾水的高效脫氮，因此該單元對(duì)TN 的處理效果較強(qiáng)。啟動(dòng)期的平均處理率僅為12.2%，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)40 d 左右，出現(xiàn)出水TN 高于進(jìn)水的情況，這可能是由于進(jìn)水TN 濃度較低，且濕地系統(tǒng)生物膜尚未形成，系統(tǒng)停留時(shí)間較長(zhǎng)，基質(zhì)中的部分污染物溶于水體，使得出水TN 濃度有所升高。隨著系統(tǒng)逐漸運(yùn)行，過(guò)渡期時(shí)系統(tǒng)去除率起伏較大，最高去除率可達(dá)33.9%，最低為14.2%，可能是運(yùn)行前期濕地植物還處于環(huán)境適應(yīng)階段，且過(guò)渡期處于冬季，氣溫相對(duì)較低，微生物活性偏弱。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定期時(shí)TN 的平均去除率為25.4%，最高接近40.0%.。此外，實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷偏高，且進(jìn)水中COD 較低，C /N 不足，對(duì)人工濕地的反硝化過(guò)程產(chǎn)生影響，可能是造成系統(tǒng)對(duì)TN 去除效果較差的重要原因。

2.2.4 TP 的去除效果 TP 濃度的沿程變化，見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)TP 的去除效果

TP 實(shí)際進(jìn)水濃度為（0.07±0.02） mg/L，尾水經(jīng)系統(tǒng)后TP 濃度逐漸降低，總體來(lái)看，雙向橫流生態(tài)過(guò)濾單元對(duì)TP 的處理效果最佳，雙向橫流生態(tài)過(guò)濾單元的中層填料介質(zhì)采用了火山石、碎石，有研究表明[11-12]，該填料介質(zhì)對(duì)濕地單元中的磷具有高效的吸附性，且濕地種植了再立花、花葉蘆竹等植物，根系有較強(qiáng)的泌氧能力，因此好氧條件產(chǎn)生更有益于基質(zhì)的吸附。該系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果較穩(wěn)定，過(guò)渡期時(shí)TP 平均去除率為35.3%，與啟動(dòng)期相比，穩(wěn)定期時(shí)TP 去除效果約提高1/4，平均去除率為35.2%，最高去除率接近50.0%。這是由于在啟動(dòng)期時(shí)期并未種植植物，而進(jìn)入穩(wěn)定期后，植物的生長(zhǎng)以及微生物代謝作用使得去除率增高，而總體平均去除率不高是由于進(jìn)水TP 過(guò)低導(dǎo)致的，但出水TP 仍滿足地表水近Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

3 與宜興城市污水處理廠尾水凈化復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)對(duì)比

3.1 宜興復(fù)合式人工濕地工藝設(shè)計(jì)

該復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)[13]的工藝流程，見(jiàn)圖6。

圖6 復(fù)合式人工濕地處理工藝流程

尾水首先進(jìn)入生態(tài)強(qiáng)化單元A，再進(jìn)入4 座并聯(lián)雙向橫流過(guò)濾單元B，出水自流進(jìn)入多層介質(zhì)潛流濕地單元C，然后通過(guò)生態(tài)配水渠同時(shí)進(jìn)入折流式潛流濕地單元D 和底部導(dǎo)流潛流單元E，出水流入表流濕地單元F，最后進(jìn)入生態(tài)人工湖G。

3.2 不同尾水凈化濕地處理系統(tǒng)對(duì)比

3.2.1 工藝對(duì)比 與研究團(tuán)隊(duì)前期在宜興城市污水處理廠設(shè)計(jì)建設(shè)的尾水凈化復(fù)合式人工濕地處理系統(tǒng)的工藝流程相比較，兩系統(tǒng)工藝流程的區(qū)別首先在于濕地處理單元的搭載方式不同，其中宜興人工濕地面積較大，系統(tǒng)處理單元較多，相較于江心洲人工濕地，兩系統(tǒng)都設(shè)置了雙向橫流生態(tài)過(guò)濾濕地單元、折流式潛流濕地單元、表流濕地單元，不同之處在于宜興人工濕地設(shè)置了多層介質(zhì)潛流濕地單元、底部導(dǎo)流潛流濕地單元，江心洲人工濕地設(shè)置了水平潛流濕地單元，但兩系統(tǒng)的主要處理單元的功能相近，對(duì)水中氮、磷等污染物都進(jìn)行了深度去除；且宜興人工濕地面積增加了生態(tài)人工湖，濕地系統(tǒng)的景觀性較強(qiáng)于江心洲人工濕地。其次兩系統(tǒng)的填料及植物的配比方式不同，其中宜興人工濕地因其面積較大，搭配的植物種類較多，但兩系統(tǒng)的植物都具有較強(qiáng)的濕地適應(yīng)性。兩系統(tǒng)的填料區(qū)別較大，宜興人工濕地以建筑廢棄塊為主要填料，江心洲人工濕地以礫石、火山石為主要填料，不同的填料對(duì)氮、磷的吸附能力有差異，可能會(huì)對(duì)濕地的處理效果產(chǎn)生影響。

3.2.2 處理效果對(duì)比 2 種人工濕地處理系統(tǒng)的效果對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 尾水凈化復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)處理效果對(duì)比

表3 可知，南京江心洲污水處理廠構(gòu)建的復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)與宜興的尾水凈化濕地系統(tǒng)有較大差異，主要表現(xiàn)在江心洲人工濕地系統(tǒng)中的進(jìn)水COD 濃度較低，處理效果卻優(yōu)于宜興人工濕地系統(tǒng)，這可能是由于南京江心洲濕地系統(tǒng)為高負(fù)荷處理系統(tǒng)，且兩者中搭建的植物、填料不同造成的；并且兩系統(tǒng)中的TN 含量相差不大，但宜興復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)去除率高于南京江心洲人工濕地系統(tǒng)，主要是由于江心洲濕地系統(tǒng)中進(jìn)水COD 濃度僅為（19.11±6.59 ）mg/L，使得C/N 不足，對(duì)濕地系統(tǒng)的反硝化過(guò)程產(chǎn)生影響，降低了TN 的處理效果；宜興人工濕地系統(tǒng)中對(duì)TP 的去除效果最好，去除率高達(dá)72.2%，遠(yuǎn)高于江心洲人工濕地系統(tǒng)，這可能是由于宜興人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)選用建筑廢棄塊，研究表明[14-15]，建筑廢棄塊（主要由磚塊組成） 能夠有效吸附水體中的磷，因而可有效去除尾水中各種形態(tài)的磷元素。總體來(lái)看，宜興人工濕地系統(tǒng)與江心洲人工濕地系統(tǒng)雖然工藝流程、填料搭配有差異，但均對(duì)污水處理廠尾水具有良好的處理效果，說(shuō)明了復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)可因地制宜地選擇濕地類型，實(shí)現(xiàn)各工藝之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提供一種適用于不同場(chǎng)景、不同標(biāo)準(zhǔn)下的城市污水處理廠尾水提標(biāo)新范式。

4 結(jié)論

（1）采用了“淺池單元+雙向橫流生態(tài)過(guò)濾單元+折流式潛流濕地單元+水平潛流濕地單元+表流濕地單元”組合工藝，系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定后對(duì)COD、NH4+-N、TN 和TP 平均去除率依次為32.2%、51.3%、25.4%和35.2%，說(shuō)明該工藝有一定的工程示范作用。

（2）氣溫較低時(shí)濕地系統(tǒng)應(yīng)定期收割植物，否則會(huì)降低污染物的去除效果，且該系統(tǒng)C/N 較低，造成TN 去除效果不佳，說(shuō)明人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行需要適宜的營(yíng)養(yǎng)條件與配套的管理維護(hù)。

（3）復(fù)合式人工濕地系統(tǒng)可因地制宜地選擇濕地類型，實(shí)現(xiàn)各工藝之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提供一種適用于不同場(chǎng)景、不同標(biāo)準(zhǔn)下的城市污水處理廠尾水提標(biāo)新范式。