新型人工濕地在污水處理廠尾水深度凈化中的研究進展

黎 廣，占明飛，王 偉，張 喚，戚甫長

（安徽水韻環(huán)保股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

引言

黨的二十大報告提出尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然，是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的內(nèi)在要求，必須牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展。堅持山水林田湖草沙一體化系統(tǒng)治理，按照水資源、水環(huán)境、水生態(tài)“三水統(tǒng)籌”的思路，力爭有河有水、有魚有草、人水和諧。

要想促進我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須要解決水資源污染和水資源短缺的問題，對污水處理廠尾水進行深度凈化處理是解決水資源匱乏的重要途徑之一。當(dāng)前，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）[1]中的一級A標(biāo)準(zhǔn)是我國絕大部分污水處理廠執(zhí)行的出水標(biāo)準(zhǔn)，其允許排放的氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）質(zhì)量濃度限值分別為5 mg/L、0.5 mg/L和15.0 mg/L，仍然比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）[2]中V類水氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）限值高出2.5倍、1.25倍和7.5倍[3]。以其作為生態(tài)補水，直接排入河湖水質(zhì)敏感、河道生態(tài)脆弱的受納水體，超過了其水環(huán)境容量，會導(dǎo)致河道水體進一步惡化，水質(zhì)超標(biāo)甚至黑臭等一系列水環(huán)境問題[4]。

1 污水處理廠尾水深度凈化的研究進展

目前，針對污水處理廠尾水深度凈化處理最常用的工藝包含常規(guī)方法、物理化學(xué)方法、生物方法、生態(tài)方法和聯(lián)合方法等。其中，常規(guī)方法主要采用的是混凝沉淀法和過濾法等；物理化學(xué)方法主要包括吸附法、臭氧氧化法、反滲透法、高級氧化法等；生物處理方法包括生物脫氮法、生物濾池、生物膜反應(yīng)器、微生物固定技術(shù)等；生態(tài)處理方法主要以人工濕地法為核心[5]。

1.1 常規(guī)方法

常規(guī)方法是應(yīng)用比較廣泛的污水深度處理和中水回用方法，主要包括混凝沉淀、快速過濾、超濾以及微濾等幾種形式。

混凝沉淀法是目前最常用的傳統(tǒng)污水深度處理方法，該方法可以明顯提高污水的透明度；如果需要去除污水中的顆粒懸浮物及雜質(zhì)則需要通過過濾法；超濾和微濾都屬于膜分離法，其主要特點是設(shè)備簡單、投資成本低、能耗低、無相變、操作方便安全、出水穩(wěn)定等，但其強度差、壽命短、抗污染能力差、預(yù)處理要求嚴(yán)格、膜壓控制要求高、易阻塞需頻繁清洗或更新、運行成本高。因此，常規(guī)方法常被作為預(yù)處理工序應(yīng)用。

1.2 物理化學(xué)方法

所謂物理化學(xué)方法主要是指物理法、化學(xué)氧化技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)等。

1.2.1 物理法

物理法主要是指沉淀、物理過濾和吸附處理技術(shù)等，其中沉淀是最常見的物理處理手段。吸附法主要是利用吸附劑吸附污水中的污染物來凈化水體，活性炭吸附法是最常用的物理方法，其充分利用多孔活性炭有效吸附可溶性的有機物、微生物、病毒、重金屬等，來實現(xiàn)脫色和除臭的目的。然而，其建設(shè)成本和運行費用均較高，運行過程中易產(chǎn)生亞硝酸鹽等致癌物質(zhì)，對突發(fā)性污染適應(yīng)性差及活性炭的再生成本高等缺點嚴(yán)重制約了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1.2.2 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是指利用氧化劑（如臭氧、Fenton試劑、高錳酸鉀等）的氧化能力，通過在污水中投入氧化劑，對水中的污染物進行分解，進而實現(xiàn)水質(zhì)凈化?；瘜W(xué)氧化法運行成本高，產(chǎn)生的氧化副產(chǎn)品易造成二次污染，對生態(tài)系統(tǒng)破壞性較大，這些都制約了其應(yīng)用和推廣。

1.2.3 電化學(xué)法

直接氧化法和間接氧化法都屬于電化學(xué)法。（1）使陽極直接與污水中的有機物接觸發(fā)生反應(yīng)，稱為直接氧化法。（2）利用電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具有強氧化性的中間產(chǎn)物，再將污水中難降解的污染物進行氧化分解的方法稱為間接氧化法。目前，已有很多科研機構(gòu)對電化學(xué)法進行了深度研究和產(chǎn)業(yè)化試驗，新型電化學(xué)技術(shù)在污水深度凈化中效果顯著，將是未來的發(fā)展方向之一。

1.3 生物方法

生物方法是利用微生物的新陳代謝和生化作用來降解污水中的有機物，以此達到凈化水質(zhì)的目的。生物方法主要包括生物濾池、MBR、生物固定床、生物接觸氧化法、生物流化床、生物脫氮法等。（1）曝氣生物濾池的基本原理是在濾池內(nèi)填充大量填料，通過培養(yǎng)和馴化，讓填料掛上有用生物膜，利用生物膜的代謝、絮凝、吸附和截留來實現(xiàn)對污染物的去除。（2）MBR膜生物反應(yīng)器技術(shù)屬于一種新技術(shù)，這種技術(shù)把生物處理技術(shù)和膜分離過濾處理技術(shù)進行有機結(jié)合。MBR集生物降解、脫氮除磷、去除懸浮物、去除濁度與色度、消毒等功效于一體，具有占地面積小、容積負(fù)荷高、硝化能力強、降解效率高、出水穩(wěn)定等優(yōu)點。（3）生物固定床是一種介于活性污泥法與生物濾池兩者之間的生物處理技術(shù)，在生物固定床處理設(shè)備中，微生物與有機污染物充分接觸，利用微生物的代謝作用，不斷分解轉(zhuǎn)化污水中的有機污染物，使廢水得以凈化。（4）生物接觸氧化法是通過附著在填料上的微生物的新陳代謝作用，高效去除污水中的N、P等元素。

1.4 生態(tài)方法

生態(tài)方法主要以人工濕地法為主。人工濕地是由人工建造和運維，由植物、動物、微生物和介質(zhì)填料等體系構(gòu)成的一個模擬天然濕地的生態(tài)系統(tǒng)。通過對生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化組合進行調(diào)控，使污染物與水生動植物、微生物和介質(zhì)之間發(fā)生一系列物理化學(xué)和生化反應(yīng)，以實現(xiàn)對污染物的去除和凈化。它充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)中物種共生和資源的生產(chǎn)潛力，促進各生態(tài)元素的良性循環(huán)，以實現(xiàn)污水資源化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)化[6]。

人工濕地根據(jù)不同的水徑流方向，可以分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，潛流人工濕地又可以分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。（1）表面流人工濕地，水面一般都較為寬廣，水力路徑以地表推流為主，在處理過程中，主要通過污染物自然沉降、水生植物莖葉攔截和土壤吸附過濾來達到去除污染物的目的。（2）水平潛流人工濕地由一個或多個由介質(zhì)和防滲層組合的填料床構(gòu)成，其對BOD、COD、SS、重金屬等污染指標(biāo)的去除效果顯著。（3）垂直潛流人工濕地中，污水在填料表面下介質(zhì)間滲流，水面低于介質(zhì)面，呈潛流狀態(tài)。

人工濕地技術(shù)是一種模擬天然濕地的復(fù)合體技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行管理方便、耐高負(fù)荷、水質(zhì)凈化效果好、景觀效果好等優(yōu)點，同時兼具其它生態(tài)功能。目前，人工濕地已廣泛應(yīng)用于污水處理廠尾水深度凈化提標(biāo)，但濕地長期運行的基質(zhì)選擇、堵塞、安全保障、水力負(fù)荷、二次污染、季節(jié)性變化、抗沖擊能力、運行管理機制等問題仍有待解決。組合人工濕地對進水污染物濃度變化具有一定的抗沖擊能力，是一種既傳統(tǒng)又新穎的尾水深度處理工藝，已成為當(dāng)前污水處理廠尾水深度凈化的主要處理方式，并隨著社會發(fā)展得到越來越廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

1.5 聯(lián)合處理聯(lián)用技術(shù)

將物理化學(xué)法、生態(tài)法和生物法有機高效地結(jié)合起來，充分發(fā)揮其各自優(yōu)點，以達到污水凈化的最佳效果，稱之為聯(lián)合處理聯(lián)用技術(shù)。聯(lián)合處理聯(lián)用技術(shù)是污水深度處理技術(shù)的一個發(fā)展趨勢和方向，其更好地發(fā)揮了各種處理技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。相關(guān)人員可以采用常規(guī)方法和物理方法去除懸浮物、顆粒物、雜質(zhì)等；采用化學(xué)或電化學(xué)方法去除難降解的有機物、無機鹽類等；采用生物方法去除可溶性有機質(zhì)、氮、磷等；采用生態(tài)方法既可去除污染物，又可恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。

將聯(lián)合處理聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于污水處理廠尾水深度凈化水生態(tài)系統(tǒng)，能夠促進生態(tài)環(huán)境保護、增加生物多樣性、提升生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性、提升資源回用率、維持自然平衡和生態(tài)人居環(huán)境建設(shè)的良性循環(huán)。

2 新型多維交叉人工濕地的研究進展

秉承生態(tài)系統(tǒng)性理念，尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然，全面改善污水處理廠流出水的水質(zhì)，提高綜合治理能力，促進生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能良性發(fā)展，構(gòu)建大自然的人工濕地，實現(xiàn)自然資源可持續(xù)利用是大勢所趨。其本質(zhì)是與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)高度協(xié)調(diào)、融合的濕地生態(tài)系統(tǒng)，涉及污染物去除、營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、植被群落選擇、水生動植物恢復(fù)、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)相容等多維度、多學(xué)科、多視角、全方位、立體式的交叉融合。

國內(nèi)外大量研究表明，底棲動物作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要消費者，在水體環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，對維持生態(tài)系統(tǒng)功能，促進物質(zhì)能量循環(huán)有著重要作用。然而目前卻很少應(yīng)用于人工濕地中。

常見的可用于水質(zhì)凈化的底棲動物類群主要分為濾食性和刮食性兩類，濾食性底棲動物（蚌類、河蜆等）以濾食為主，可有效降低水體中浮游藻類、有機碎屑、顆粒物的含量，提高水體透明度。刮食性底棲動物（螺類等）以刮食水生植物葉片附著顆粒和著生藻類為主，“螺-草共生”可有效降低附著藻類對沉水植物的損害，充分利用光合作用來促進沉水植物的生長和繁殖。同時，絕大多數(shù)底棲動物在冬季仍能保持一定的代謝，能夠徹底解決人工濕地受季節(jié)性制約的問題。因此將底棲動物引入人工濕地，可以提升水質(zhì)凈化效果和穩(wěn)定性，大大降低后期運營成本，對恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性和物種保護意義重大，具有較強的環(huán)境效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益。

安徽水韻環(huán)保股份有限公司致力于水污染治理、水生態(tài)修復(fù)和水資源產(chǎn)業(yè)研究，公司自主開發(fā)的淡水貝類規(guī)?；斯し庇夹g(shù)、以淡水貝類為主導(dǎo)的污水資源化利用技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，在水污染治理及水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域取得重大突破并通過科技成果鑒定，技術(shù)整體達到國際先進、部分達到國際領(lǐng)先水平。其獨創(chuàng)構(gòu)建的貝魚草菌藻立體生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)有效地將水體的生態(tài)特征與水生生物生態(tài)及生理特性相結(jié)合，采用沉水植物、挺水植物、浮葉植物、貝類（蚌、螺等）、草食性魚類、肉食性魚類、刮食性魚類、雜食性魚類、濾食性魚類等多物種協(xié)同共生的方式，對水體生態(tài)進行修復(fù)和重建。同時，將該系統(tǒng)嫁接融合進人工濕地中，可充分發(fā)揮水體生態(tài)系統(tǒng)的互利共生、自償自凈能力。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個污水處理廠尾水深度凈化項目中，不僅能高效解決尾水深度凈化難題，還實現(xiàn)了服務(wù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)、恢復(fù)生物多樣性、景觀提升、發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟等多重成效。

3 展望

黨的二十大指明了生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護工作的方向，現(xiàn)已上升到前所未有的戰(zhàn)略高度。作為生態(tài)文明建設(shè)過程中最基礎(chǔ)、也是最重要的內(nèi)容—水生態(tài)文明建設(shè)具有先行性、基礎(chǔ)性和重點性。水環(huán)境治理已成為近年來我國改善生態(tài)環(huán)境的重要工作之一，污水處理廠在改善水環(huán)境的過程中起著重要作用，加大污水處理廠尾水提標(biāo)的治理力度越來越受到關(guān)注。

在生態(tài)文明建設(shè)的評價體系下，污水處理廠尾水深度凈化提標(biāo)后的監(jiān)測指標(biāo)，并未從水生態(tài)系統(tǒng)的完整性出發(fā)，對水體中各個理化要素、生物要素、環(huán)境要素及其之間的響應(yīng)關(guān)系進行監(jiān)測，而是僅僅監(jiān)測考核其常規(guī)理化指標(biāo)。將魚類、浮游動植物、底棲動物等作為水生態(tài)監(jiān)測內(nèi)容，可以為水生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)，對運行效果形成標(biāo)準(zhǔn)化評價?；诖?，加強綠色生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，進行生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性考核，建立效能評價體系勢在必行[7]。