人工湿地系统对城镇生活污水的净化效果研究

朱智媛， 彭祖林， 杨骁平

（1.福建工程学院 交通运输系，福建 福州 350108；2.武夷山市污水处理有限公司，福建 武夷山 354300）

0 引 言

2001年以来，我国废水排放总量呈持续上升趋势，2011年达到6.521×1010m3，比上年增加5.64%，其中，生活污水的排放量始终呈增长趋势。作为城市污水治理的重要措施和手段之一，城市污水处理厂的建设步伐在加快，截至2010年底，我国城镇生活污水设施处理能力已达到1.2331×108m3／d，城镇生活污水处理率已达72.9% 。但是，由于污水处理厂需要大量的基建费用，技术要求严格，且运行、维护、管理的费用较高[1]，还有不少城镇的生活污水只能任意排放至内河、溪流中，使得原本清澈的河水变得浑浊，河床沉积物增多，河流水量减少。

人工湿地技术是20世纪70年代发展起来的一种仿自然生物处理技术[1]，它起源于德国，主要通过植物、微生物、填料间的相互作用，综合利用物理、化学、生物作用实现水质改善，具有投资省、运行费用低、处理效果好、管理维护方便、美化环境等优点[2－3]。随着科学研究的深入与社会环境需求，人工湿地技术逐渐被应用到生活污水、工业废水、富营养化水以及农业径流等污染治理，对COD，TN，TP，SS等有很好的去除效果，其工艺也得到不断的改进[4]。文中通过对武夷山市人工湿地系统进行定期水质监测，研究该系统对COD，BOD5，NH＋4－N，TN，TP，SS的去除效果，以期为南方地区城镇应用人工湿地污水处理系统处理生活污水提供理论依据和技术支持。

1 武夷山市人工湿地系统工程概况

武夷山市城区人口约7万人，作为一个旅游城市，境内没有重污染工业，污水主要来自居民的日常生活，总排放量大约1.2×104m3／d。在污水管网尚未完善前，市区的雨污水合流就近排放到路边沟或排洪沟，居民生活污水只经化粪池简单处理后直接排放[5]，通过市区内的溪流汇集到清献河，在中州附近与崇阳溪交汇后往南流向武夷山景区。为减少对景区水环境质量的影响，武夷山市采用深圳市环境科学研究院的水解酸化＋接触氧化＋垂直流人工湿地处理工艺，2007年1月建成占地15467m2、处理规模为5000m3／d的人工湿地处理系统一期工程，清献河的水经人工湿地系统净化后再汇入崇阳溪，2010年10月与其紧邻的占地21333m2、处理规模为10000m3／d的二期工程建成运行。与此同时，武夷山市也完成了三、四期的污水管网建设，即崇阳溪的污水截流，每日可收集市区生活污水约13000m3，引入人工湿地系统处理后再排入崇阳溪。

2 水质分析方法

系统进出水的水质分析采用在线监测和实验测定两种方式，其中，COD，NH＋4－N，TP由在线监测设备每小时传输一次数据，BOD5，TN，SS则每天采集一次水样进行测定，系统出水流量由自动计量装置测定。2012年1月之前只对COD进行监测，2012年1月开始对COD，NH＋4－N，TP，BOD5，TN，SS 6个指标都进行监测。根据2012年1月－2012年7月监测的数据，湿地系统的进水水质各指标均达到甚至超出了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）二级标准，系统设计出水的水质优化至一级B标准，见表1。

表1 进水水质 mg／L

3 工艺流程

武夷山市人工湿地系统的工艺流程如图1所示。

由城市污水管网收集的生活污水经格栅拦截，去除大颗粒的杂质，进入水解酸化池，由明渠带三角堰出水，流入曝气池，曝气池由鼓风机进行24h不间断充氧。在一期工程中，曝气池处理后的水直接经布水管道进入人工湿地净化，而在二期工程，曝气池的出水流经反应池后再进入沉淀池，泥水分离后才进入人工湿地净化。水解酸化池、沉淀池产生的污泥先排入污泥浓缩，由污泥螺杆泵抽到污泥脱水机房，经带式压滤脱水机脱水处理，再由污泥专用车运到垃圾填埋场。

图1 武夷山市人工湿地系统的工艺流程

4 工艺设计参数

4.1 水解酸化池

单个池体占地243m2，土建尺寸27m×9m×5.5m，有效容积为1215m3，HRT为5.8h，池内设复合高效片状微生物填料4374m2，池顶配水至池底，采用穿孔管进水配水，明渠带三角堰出水，池底、池底＋2.0m处各设排泥排空管。

4.2 曝气池

单个池体占地189m2，土建尺寸27m×7m×5.3m，有效容积为945m3，HRT 为4.5h，24h连续曝气，总气量为1250m3／h，气水比为6∶1，生物接触池内设立体弹性填料576m3，采用集水槽均匀出水，底部设放空管DN200，池底设微孔曝气管道系统，为好氧微生物的分解作用提供充足的氧气，同时，通过搅动污水使污水与好氧微生物充分接触，并将老化的生物膜冲走，保证了生物膜的活性。

4.3 反应池

反应池占地126m2，由2座相邻的土建尺寸为9m×7m×6.55m的池体组成，单个池体的有效容积为315m3，HRT为1.5h。

4.4 沉淀池

沉淀池占地324m2，由2座相邻的土建尺寸为18m×9m×6.55m的池体组成，有效容积为1620m3，沉淀时间为3.9h，表面水力负荷1.3m3／（m2·h）。

4.5 人工湿地

一期人工湿地占地面积8100m2，分5块，布水负荷0.62m3／（m2·d）；二期人工湿地占地面积 13000m2，分 10 块，布水负荷0.77m3／（m2·d）。湿地基质的厚度为1.5m，面层为特殊填料，中间为河沙，底层是碎石；选用的湿地植物为花叶芦荻（Arundo donax var.versicolor）、美人蕉（Canna indica）、香根草（Vetiveria zizanioides L.）和再力花（Thalia dealbata）等。

5 效果与分析

武夷山人工湿地系统在2010年10月全部建成运行，本研究采用2012年1月－2012年7月间的监测数据来分析该系统对生活污水的净化效果。

5.1 对COD，BOD5，SS的净化效果

水解酸化池可将不溶性的有机物水解为溶解性物质，并将难降解的大分子物质转化为易降解的小分子物质，以提高废水的可生化性[6]，曝气池则利用好氧微生物的新陈代谢作用将污水中的有机污染物分解，以降低湿地有机物的污染负荷。湿地对有机物的去除主要是通过填料表面的生物膜和植物根系附着的大量微生物的降解作用，人工湿地系统运行一年多，进入稳定阶段，填料表面的生物膜已形成，植物生长良好，根系发育。植物根茎、填料的拦截和沉淀池的停留，污水中的固体悬浮物大部分截留在湿地系统中。COD，BOD5，SS的净化效果分别如图2～图4所示。

图2 COD的净化效果

图3 BOD5的净化效果

图4 SS的净化效果

从图2～图4来看，人工湿地系统对COD，BOD5，SS的去除率均能达到91%以上，有的甚至达97%。系统出水中COD，BOD5，SS的浓度受季节温度变化和系统进水水质波动的影响小，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级 A标准，出水中COD和BOD5的浓度分别达到了《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）Ⅰ类和Ⅲ类标准。

人工湿地对氮的去除机制包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氮的挥发、植物的吸收和湿地中微生物硝化与反硝化作用[7]。研究表明，湿地中去除氮的主要途径是经过微生物的氨化、硝化和反硝化过程最终变成气态氮逸散到大气。生活污水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮的形式存在[8]，它们之间通过氧化还原可以相互转化。，TN的净化效果分别如图5和图6所示。

图5 的净化效果

图6 TN的净化效果

图6显示，TN的去除率和净化效果波动较大，系统出水TN的浓度3月增大至9.2mg／L，但去除率能达70%以上。要有效地去除污水中的氮，需要通过反硝化菌的作用，将硝态氮、亚硝态氮转化成气态氮，反硝化菌为异养菌。在反硝化过程中，需要有机碳源作为电子受体，且一般在缺氧条件下进行[10]。张跃峰[11]等认为进水的COD与TN 的质量浓度比ρ（COD）／ρ（N）值越小，则反硝化作用的碳源不足，TN的去除效果就越不理想，而随着总氮中氨氮比例的升高，总氮的去除率也会降低。3月系统进水TN的浓度猛增至上月的两倍多，ρ（COD）／ρ（N）仅为4.34，系统出水TN的浓度升高，去除率降低；4月系统进水中占TN的比重超过60%，氨氮的硝化过程消耗碳源，对TN的去除效果产生一定影响；5月占TN的比重为35%，碳源消耗小，而这一阶段湿地植物的生长速度快，对污水中铵态氮和硝态氮的吸收量大，TN的去除效果好。6月、7月所占比重超过50%，7月份湿地植物收割，枯枝败叶提供的碳源减少，使得系统出水TN的浓度回升，去除率下降。

5.3 对TP的净化效果

人工湿地对磷的去除是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床的物理化学作用等方面协调完成[12]，而填料的吸附、沉淀作用在湿地除磷中起着非常重要的作用[13]。雒维国[14]等研究认为，潜流型人工湿地除磷受到季节变化、植物种类、pH值、DO及水力条件等因素影响。TP的净化效果如图7所示。

图7 TP的净化效果

由图7可知，武夷山市人工湿地系统TP的去除率为（65.48±5.57）%，相对于其它几个指标来说，去除率不高，但是系统出水TP的浓度基本能达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级A标准，季节变化对TP的去除影响不太大，3～5月随着气温回升，被收割的湿地植物重新开始生长，基质中微生物作用加强，系统出水TP的浓度逐渐降低，去除效果也越来越好，5月由于本身进水的TP浓度不高，去除率有所降低，同时，由于湿地植物经过几个月的生长，有的叶片开始出现生理性落叶，若未及时清理，经微生物分解，磷又释放回系统中，使得系统出水中TP的浓度升高，去除率降低。植物地上部分的磷含量高于地下部分，及时收割能增加因植物收割而带出系统的磷量[15]，因此，掌握湿地植物的衰亡期，选择合适的时间及时进行收割，能提高系统的除磷效果。

6 结 语

1）人工湿地系统对城市生活污水具有良好的净化效果，系统出水的COD，BOD5，SS，NH＋4－N，TN，TP达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）一级 A标准。

2）根据系统进水中氨氮的浓度和其在TN中所占的比重，适当调整碳源，提高反硝化作用，有利于TN的净化。

3）根据植物的长势、系统出水TP的浓度来及时调整植物的收割时间，提高TP的去除率。

4）该人工湿地系统平均的耗电量为0.14kW·h／m3，据统计，我国城镇污水处理厂的能 耗 为 0.29～0.39kW ·h／m3，平 均0.29kW·h／m3。如按节省0.15kW·h／m3、电价0.5元／（kW·h）的标准，以2012年1月－2012年7月系统的出水水量277.93×104t来计算，该人工湿地系统能耗减少41.69×104kW·h，可节省20.84万元。

传统的二级处理厂因其投资大、耗能高、运行管理技术复杂，很难大量应用于像我国这样的发展中国家，特别是中小城市。因此，应用人工湿地系统净化城市生活污水具有经济性和可行性。

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