固相碳源反硝化強化人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)應(yīng)用研究

謝含軍，高豆豆

（寧波市政工程建設(shè)集團股份有限公司，浙江 寧波 315000）

引言

隨著國家大力提倡海綿城市建設(shè)以提升城市水環(huán)境質(zhì)量與安全，人工濕地逐漸發(fā)展為河道水質(zhì)凈化的一項重要技術(shù)手段[1]。根據(jù)國內(nèi)工程實際案例，人工濕地長時間的運行，容易出現(xiàn)填料堵塞以及出水水質(zhì)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，影響濕地填料脫氮除磷的效果。這種現(xiàn)象不僅會影響水的流速，而且會影響水的復(fù)氧以及微生物的活性，進而影響到處理效果。

一般來說，人工濕地對BOD、COD的去除效果較好[2]。在生活污水、污水處理廠尾水、景觀水體和面源污水的治理中，針對尾水氮元素超標(biāo)且碳氮比較低的現(xiàn)狀，采用人工濕地處理技術(shù)進行深度處理，而碳源是限制人工濕地脫氮效率的最主要因素[3-5]。此過程中，生物硝化反硝化被認(rèn)為是污水脫氮中最為經(jīng)濟有效的途徑，卻常因碳源不足導(dǎo)致反硝化過程無法順利進行[4]。目前常通過投加葡萄糖、乙酸鈉等來提供反硝化過程所需碳源，但該投加方式易導(dǎo)致投加過量或不足的情況，并存在液體碳源的運輸、儲存等風(fēng)險[5]。

因此，推行一種技術(shù)可行、效果顯著、成本可控的反硝化技術(shù)成為深度脫氮領(lǐng)域的迫切需求。

1 研究思路和內(nèi)容

1.1 研究思路

本文的整體研究思路：針對低C/N 特征的污染水體，將新型固相碳源投加到傳統(tǒng)人工濕地中，以提高人工濕地系統(tǒng)中高難度氮污染物的去除率。

1.2 研究內(nèi)容

為契合海綿城市建設(shè)布局，寧波市在江北區(qū)水系整治及綜合提升工程中融入海綿城市建設(shè)理念，結(jié)合項目實際河道現(xiàn)狀問題，將海綿化建設(shè)融入河道水系整治提升中。本研究在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)人工濕地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脫氮技術(shù)處理單元。

在人工濕地原設(shè)計布設(shè)中增設(shè)“固相反硝化強化濕地脫氮技術(shù)單元”。按800 mm×800 mm豎向插入管徑DN160 mm、高1 050 mm的PVC穿孔管，其內(nèi)填充固相碳源反硝化技術(shù)填料。與濕地中原有填料相比，所投加的固相碳源反硝化技術(shù)填料不僅可以作為生物膜附著生長的載體，提高單位面積人工濕地中微生物的數(shù)量，其分解后釋放的小分子有機物還能夠為微生物提供新陳代謝和反硝化過程所需的碳源，顯著提高變形菌門、擬桿菌門和螺旋菌門的活性及相對豐度[5]。同時，固相碳源表面生長的生物膜有助于形成“好氧-兼性好氧-厭氧”的溶解氧分布梯度，進而實現(xiàn)“固相反硝化強化濕地脫氮技術(shù)單元”對水體中氨氮和硝酸鹽氮的有效去除[7]。脫氮途徑詳見圖1。

圖1 固相碳源反硝化強化人工濕地脫氮途徑

“固相反硝化強化濕地脫氮技術(shù)單元”的設(shè)計處理水量為1 090.32 m3/d，水力停留時間為3天，每27天可完成一次河道中水體的更新和深度處理，該技術(shù)單元穩(wěn)定運行后的年處理水量為398 697 m3，污染物消減量為COD 5 250.53 kg/a、氨氮583.18 kg/a，總磷143.53 kg/a，總氮2 522.88 kg/a。

固相碳源反硝化強化濕地脫氮系統(tǒng)主要材料配置具體見表1。

表1 主要材料配置表

1.2.1 濕地填料層+種植層

本研究中濕地填料層分為A、B、C、D四種填料。分別為粒徑為15～20 mm級配碎石、體積比為1∶2的粒徑10～15 mm的碎石和沸石混合物、體積比為1∶2的粒徑10～15 mm的碎石和生物陶?；旌衔锝M成、粒徑為10 mm碎石。種植層為150 mm粘土+50 mm中粗砂，有利于植物生長。

1.2.2 固相碳源

本研究選用新型固相反硝化脫氮填料，此主體材料采用高分子可生物降解材料（見表2固相反硝化脫氮填料性能參數(shù)），可以作為微生物反硝化過程的附著載體，使用過程中無有毒有害物質(zhì)溶出，同時可有效降低水體中農(nóng)藥等污染物?？紤]河道運維時間長，該填料具備作用長效、持久、穩(wěn)定的特性，以減少更換次數(shù)。

表2 固相反硝化脫氮填料性能參數(shù)

2 基于固相碳源人工濕地污染物去除特性

2.1 系統(tǒng)運行工況與水質(zhì)特征

本研究設(shè)置2種人工濕地系統(tǒng)，分別為優(yōu)化前的人工濕地、優(yōu)化后強化人工濕地。優(yōu)化后的人工濕地僅增加“固相反硝化強化濕地脫氮技術(shù)單元”，對應(yīng)水力停留時間、進水流量等變量均保持一致。

本研究對2種濕地系統(tǒng)分別于2021年1月至2021年12月運行時間段的進出水進行取樣，通過對比研究兩系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效果，可以考察兩種系統(tǒng)去除污染物效果。

2.2 監(jiān)測指標(biāo)和方法

監(jiān)測指標(biāo)包括NH3-N、COD。測定溶解性指標(biāo)前先將水樣經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾。測定方法及使用儀器型號如表3所示。

表3 水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測方法及使用儀器

2.3 氨氮

進出水中氨氮是氮素污染物的主要形式，通過對比2021年1月—2021年12月的2種人工濕地系統(tǒng)進出水氨氮濃度（mg/L）數(shù)據(jù)得知，曹隘河、前王河、徐家莊小河、后王河1—12月份進水氨氮平均濃度分別為1.975 mg/L、2.126 mg/L、3.363 mg/L、2.242 mg/L。優(yōu)化前的人工濕地系統(tǒng)1—12月出水氨氮平均濃度分別為0.896 mg/L、0.973 mg/L、2.152 mg/L、1.492 mg/L，平均去除率分別達到56.4%、54.2%、36.0%、33.4%，效果良好。優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）系統(tǒng)1—12月出水氨氮平均濃度分別為0.763 mg/L、0.770 mg/L、1.494 mg/L、1.247 mg/L，平均去除率分別達到61.4%、63.8%、55.6%、44.4%，效果相對優(yōu)化前的表現(xiàn)極佳。具體數(shù)據(jù)對比，詳見表4。

表4 2種人工濕地系統(tǒng)對氨氮去除效果對比表

由上表數(shù)據(jù)對比可知，四條河在不同時間段的進水氨氮濃度波動范圍較大，2種人工濕地系統(tǒng)對氨氮去除都比較穩(wěn)定，并且優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）的去除效果明顯高于優(yōu)化前的人工濕地。

2.4 有機物

通過對比2021年1月至2021年12月2種人工濕地系統(tǒng)進出水COD濃度（mg/L）數(shù)據(jù)得知，曹隘河、前王河、徐家莊小河、后王河1—12月進水COD平均濃度分別為15.378 mg/L、15.505 mg/L、15.715 mg/L、15.573 mg/L。優(yōu)化前的人工濕地系統(tǒng)1—12月出水COD平均濃度分別為12.420 mg/L、12.321 mg/L、11.965 mg/L、12.940 mg/L，平均去除率分別達到19.2%、20.5%、23.9%、16.9%，效果良好。優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）系統(tǒng)1—12月出水COD平均濃度分別為11.884 mg/L、10.634 mg/L、11.064 mg/L、10.637 mg/L，平均去除率分別達到22.7%、31.4%、29.6%、31.7%，效果相對優(yōu)化前的表現(xiàn)極佳。具體數(shù)據(jù)對比，詳見表5。

表5 2種人工濕地系統(tǒng)對COD去除效果對比表

由上表數(shù)據(jù)對比可知，盡管不同時間段的進水COD濃度波動范圍較大，但四條河的2種人工濕地系統(tǒng)對COD都比較穩(wěn)定。此外，優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）的去除效果明顯高于優(yōu)化前的人工濕地。

3 研究結(jié)論

通過對4條河道采用固相碳源反硝化強化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)，進行近1年的長效運維管養(yǎng)，各條河道中污染物指標(biāo)均降低到既定目標(biāo)，且數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定，水質(zhì)均達到V類水標(biāo)準(zhǔn)以上。

（1）實踐結(jié)果證明，對兩種污染源氨氮、COD的去除效果分析，優(yōu)化后的“固相碳源反硝化脫氮技術(shù)單元”的出水水質(zhì)優(yōu)于優(yōu)化前的人工濕地，且能達到地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計目標(biāo)。

（2）通過上述研究及實踐應(yīng)用工作證明，在原有濕地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脫氮技術(shù)處理單元，不但能為微生物提供反硝化過程所需碳源和營養(yǎng)，還能有效解決河道治理的主要水質(zhì)問題，實現(xiàn)污染物高效降解的目標(biāo)。

4 展望

固相碳源反硝化強化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)在江北區(qū)海綿城市水系整治及綜合提升工程中的應(yīng)用，驗證了其實際應(yīng)用性能，現(xiàn)場測試的一系列指標(biāo)都滿足技術(shù)要求，工程應(yīng)用表明，固相碳源反硝化強化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)具有較好的施工可操作性與應(yīng)用效果[8]。

（1）不但能為微生物提供反硝化過程所需碳源和營養(yǎng)，還有效解決了河道治理的主要水質(zhì)問題，實現(xiàn)污染物高效降解的目標(biāo)。

（2）因地制宜解決工程改造，降低工程造價，最大程度避免影響河道周邊景觀、河道泄洪、通航以及中期清淤帶來的二次施工等問題。

（3）通過長效運維管養(yǎng)，逐步提升水體水質(zhì)，修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)、提高河道自凈能力，實現(xiàn)河道水質(zhì)達標(biāo)。

固相碳源反硝化強化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，工程應(yīng)用效果較為顯著，值得推廣使用。在此，希望能夠為未來的類似工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。