不同水力负荷下人工湿地处理污水厂尾水研究

万红　崔海容　黄周满　熊薇

摘 要：随着污水厂排放标准的提高和削减进入受纳水体污染负荷的迫切需求，污水厂尾水的深度处理研究具有重要的意义。人工湿地被证明是尾水处理的一种经济有效的手段，并且在一定程度上保障受纳水体的水质需求。通过研究水力负荷分别为0.25m/d、0.50m/d、0.75m/、1m/d时垂直流人工湿地系统对COD、TN、TP的去除率和湿地基质硝化、反硝化反应强度，实验结果显示供试湿地系统最佳水力负荷是0.5-0.75m/d，TP、TN、COD平均去除率范围分别是50.1%-54%、52.6%-62.2%、48.2%-48.6%，出水水质均达到污水处理厂一级A标准。湿地系统具有良好的反硝化环境，反硝化速率明显较硝化速率高，最高和最低速率分别相差17.7倍和25.20倍。

关键词：人工湿地；尾水；水力负荷；去除效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.011

0 引言

人工湿地作为一种典型的生态处理技术，已被广泛应用于受污染水体的水质净化与恢复、面源污染控制、雨水处理与利用、污水处理等领域，具有投资少、运行费用低、出水水质好、无二次污染等优点[1-2]。同时，随着污水排放标准的不断提高，如太湖流域2008年1月1日后建设的城镇污水处理厂的排放标准需GB18918-2002的一级B标准升级为一级A标准，加强对污水厂尾水深度处理的研究具有重要意义。人工湿地被证明是尾水处理的一种经济有效的手段，它不仅可以满足二级出水脱氮除磷的水质要求，而且能大幅削减进入受纳水体的污染负荷，并且在一定程度上保障受纳水体的水质需求[3-5]。本文主要研究不同水力负荷下垂直流人工湿地低碳高氮污水厂尾水的净化，通过监测湿地系统对N、P及有机物的净化效果，得出垂直流人工湿地针对污水处理厂尾水深度处理的最佳水力负荷，以期为尾水深度处理提的工程实践提供科学依据及技术支撑。

1 实验和方法

1.1 实验装置与方法

湿地模拟系统为长方体（1.5m x 0.8m×1m），实验装置由四组相同尺寸的垂直流人工湿地组成，工艺流程为下行流。每组人工湿地池体从底部向上依次填充鹅卵石，粒径50～80 mm，厚度10cm；砾石，粒径为20～40mm，厚度30cm；砾石，粒径为5—20mm、厚度25cm；粘土层，厚度15cm。湿地植物选用芦苇，取长势一致的带土芦苇移种到湿地中，湿地植物按8株/m2的密度种植芦苇。

实验在2015年3月20日一7月10日期间进行。 通过控制进水水量来设定不同水力负荷（HLR），人工湿地面积为1.5×0.8m2，设置四组湿地的水力负荷分别为0.25 m/d、0.5 m/d、0.75 m/d、1m/d，因而4组系统进水水量分别为0.3m3/d、0.6m3/d、0.9m3/d、1.2m3/d，四组湿地系统的水力停留时间分别为4d、2d、1.33d、1d。为了实现湿地连续进出水，进水端处建有一调节池，规格为3×3×1m，距离湿地表层0.5m高。系统稳定运行后，在每个周期末采集水样，系统出水水样直接由出水口采集，进水水样在进水布水管附近采集。所采集水样密封保存运输至实验室，并将其保存于0-4℃冰箱中，于一天内进行COD、总氮、硝酸氮、TP等指标的测定。

1.2 进水水质

实验进水以我校污水处理厂的尾水为处理对象，实验期间系统进水水质为：CODcr=30-60mg/L；TN=13-23mg/L； NH3-N=8-18mg/L； NO3-N=5-6mg/L；TP=0.5-1.5 mg/L。

1.3 分析项目与方法

1.3.1 总磷采用钼酸氨分光光度法

总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法； COD采用哈希COD测定仪；硝酸盐氮采用紫外分光光度法；亚硝酸盐氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

1.3.2 基质硝化强度的测定

取新鲜基质100g于250mL锥形瓶中，加入50mL（ 25 mg/L ）的NH4+培养液，并用带孔棉塞塞住，置于恒温摇床振荡三天（25℃，140 rpm/min），每隔 24 h取 15 mL 水样过滤，分析滤液中的NO3--N含量[6]。每次取水样后用培养液补足。基质硝化作用强度计算如下式：

ω1 = （ c2 – c1 ） ×（ v1 + v2 ） ×k/ （ t ×m） （1）

式中：ω1为单位时间内单位质量基质产生的NO3--N，mg/ （kg ·h）；c1为初始溶液中NO3--N质量浓度，mg/ L；c2为24 h后溶液中NO3--N质量浓度，mg/ L；v1为培养液体积，L；v2为基质样品中水分体积，L；t为培养时间，h；m为样品质量，g；k为水分系数。

1.3.3 基质反硝化强度的测定

称取100g 新鲜填料置于250 mL锥形瓶中，加入50 mL（50mg/L）含NO3-的培养液，用橡皮塞密封，20℃下置于培养箱中培养72h，每隔24小时取15 mL 水样，分析滤液中的NO3--N含量，每次取样后将培养液补足[7]。 基质反硝化强度计算时如下：

ω2 = （ c2 – c1 ） ×（ v1 + v2 ） ×k/ （ t ×m） （2）

式中，ω2为单位时间内单位质量基质消耗的NO3--N，mg/ （kg ·h）；其它字母含义同公式（1）。

2 实验结果与讨论

2.1 去除效果分析

（1）对有机物的去除。人工湿地对有机物的去除主要通过微生物的吸附降解、植物吸收及填料吸附完成。系统正式运行后，系统稳定运行后测得不同水力负荷下随着运行周期的变化COD的去除率如图1所示。从图1可知，实验期间随着运行周期的向后推进，系统对有机物去除率比较稳定。随着HLR的增加，人工湿地对CODcr的平均去除率分别是46.3%、48.6%、48.2%、39.6%，可见实验范围内HLR的变化对CODcr去除率的影响不大， 去除率总体较低，可能是因为污水厂尾水的有机物浓度低且较难降解。当HLR不低于0.75m/d时，去除率在46-49%之间，出水CODcr范围是15.9-31.8mg/L。

（2）对TP的去除。人工湿地对磷的去除主要是通过植物吸收、微生物转化和填料的物理化学作用完成，其中植物吸收和基质吸附发挥的作用更大一些[8]。从图2可知，当HLR为0.5m/d和0.75m/d时，人工湿地对TP的去除率较高，平均去除率分别为54%和50.1%。当HLR为0.25m/d和1m/d时，人工湿地对TP的去除率低，平均去除率分别为47.4%和41.7%。水力负荷低时易造成湿地系统缺氧，使微生物产生厌氧释磷现象，而好氧过量吸磷受到一定影响，因而影响TP的去除率。水力负荷过高时，一方面污水流速大，易将被吸附在填料或植物表面的磷冲出系统；另外，水力负荷从0.25m/d上升至1m/d时，湿地系统水力停留时间从4d下降至1d，因此较短的水力停留时间影响了TP的去除率。从除磷效果来说，HLR在0.5-0.75m/d时除磷效果较好，平均去除率在50%以上，出水TP范围为0.24-0.49mg/L。

（3）对氮的去除。人工湿地主要是通过微生物的硝化和反硝化作用、湿地植物的吸收及湿地填料的吸附等作用除氮的，其中微生物的硝化和反硝化作用是除氮主要途径[9]。湿地系统对TN和NO3-N的去除效果如图3和图4所示。由图3可知，随着运行周期的推进，系统脱氮不稳定。HLR对TN去除效果的影响较大，随着HLR的增加，湿地系统对TN的平去除率逐渐下降，平均去除率分别为62.2%、57.5%、52.6%和44.2%，可见水力负荷低有利于湿地脱氮。由图4可知，湿地系统有着较高的硝酸氮去除率，四种负荷下最高、最低平均去除率分别为94.3%和68.8%。湿地系统对TN的去除率远低于对NO3-N的去除率，说明供试湿地内的氧环境有利于反硝化反应而不利于硝化反应的进行，不同水力负荷导致的不同水力停留时间对硝化反应的程度也有一定的影响。当HLR湿地系统出水TN浓度在0.25-0.5m/d时，出水TN 浓度范围为4.9-9.5mg/L。

2.2 硝化强度和反硝化强度分析

硝化反应强度分析是将所取一定质量的基质加入硝化培养液并在恒温摇床上连续培养三天，每天取一定体积培养液进行硝化反应强度测定；反硝化反应强度的分析将所取一定质量的基质加入反硝化培养液，同时充入氮气密封并在恒温培养箱中连续培养三天，每天取一定体积培养液进行反硝化反应强度测定。不同水力负荷下的测定结果取平均值，见图5。四种HLR下的最高和最低硝化速率分别为0.161和0.054mg/（kg·h），最高和最低反硝化速率分别为3.01和1.42mg/（kg·h），两种情况下对应的水力负荷分别为0.25m/d和1m/d。HLR为0.25m/d和0.5m/d时，均保持较高的硝化和反硝化速率。随着水力负荷进一步增加，硝化速率显著降低，反硝化速率逐渐降低。系统的反硝化速率明显较硝化速率高，最高和最低速率分别相差17.7倍和25.20倍，进一步说明了该系统具有较好的反硝化环境，对硝态氮具有较高去除效果。

3 结论

（1）四种水力负荷下垂直流人工湿地系统对尾水N、P有较好的净化效果，对COD去除率较低，出水水质均达到污水处理厂一级A标准。

（2）HLR在0.5-0.75m/d时除磷效果较好，平均去除率范围为50.1%-54%，出水TP为0.24-0.49mg/L；水力负荷在0.75m/d以内时，TN平均去除率在52.6%-62.2%之间，出水TN 浓度范围为4.9-9.5mg/L；COD去除率受水力负荷的影响程度相对较小，平均去除率在45%左右；TN和TP去除率随着水力负荷的增加而下降。综合考虑水力负荷对氮、磷及有机物去除率，供试湿地系统最佳水力负荷是0.5-0.75m/d。

（3）湿地系统对TN的去除率远低于对NO3-N的去除率，系统的反硝化速率明显较硝化速率高，最高和最低速率分别相差17.7倍和25.20倍，说明了系统具有较好的反硝化环境，对硝态氮具有较高去除效果。

参考文献：

[1]杨长明，马锐，汪盟盟等.潜流人工湿地对污水厂尾水中有机物的去除效果[J].同济大学学报：自然科学版，2012，40（08）：1210—1216.

[2]曹明利，崔康平，许为义等.人工快渗/复合人工湿地工艺处理园区污水厂尾水[J].中国给水排水，2012，28（19）：12-14.

[3]杨立君.垂直流人工湿地用于城市污水处理厂尾水深度处理[J].中国给水排水，2009，25（18）：41-43.

[4]高翔，黄津辉，张忠广等.人工湿地处理污水处理厂尾水中试研究[J].南水北调与水利科技，2014，12（01）：54-58.

[5]王琳娜， 吴若静. 水平潜流人工湿地小试系统处理污水厂尾水试验研究[J].环境科学与管理，2008，33（02）：85-88.

[6]Kyambadde J.， Kansiime F.， Dalhammar G. Nitrogen And phosphorus removal in substrate-free pilot constructed wetlands with horizontal surface flow in uganda，Water， Air， and Soil Pollution[J]，July 2005，165（1）：37-59.

[7]王晓娟，张荣社.人工湿地微生物硝化和反硝化强度的对比研究[J].环境科学学报，2006（26）：225-229.

[8]Lantzke I R， Heritage A D， Pistillo G， et al. Phosphorus removal rates in bucket size planted wetlands with a vertical hydraulic flow. Water Res， 1998，32：1280-1286.

[9]谷先坤，王国祥，刘波等.复合垂直流人工湿地净化污水厂尾水研究[J].中国给水排水，2011，27（03）：8-11.

项目：2015年度湖北省建设科技项目计划。

作者简介：万红（1976-），女，湖北随州人，硕士，讲师，主要从事：水污染控制工程研究。

*为通信作者