水平潜流人工湿地深度处理冷轧废水中试试验研究

赵刚，郭浩博，黄翔峰，叶倩，朱荣健，张宜莓

水平潜流人工湿地深度处理冷轧废水中试试验研究

赵刚1，郭浩博1，黄翔峰1，叶倩2，朱荣健2，张宜莓2

（1.同济大学环境科学与工程学院长江水环境教育部重点实验室，上海200092；2.宝山钢铁股份有限公司能源环保部，上海201900）

针对冷轧废水深度处理后进一步回用的需求，采用中试人工湿地系统对二级处理后的冷轧废水进行深度再生处理，降低污染物浓度，使其回用于生产过程。试验结果表明：人工湿地系统对浊度、COD、TP、TN有良好的去除效果，出水满足钢铁企业回用水质要求。重点针对含氮污染物转化规律及去除机理进行分析，为提高人工湿地系统的脱氮效果提供依据。

冷轧废水；人工湿地；深度处理

冷轧产品是钢铁工业产品中附加值较高的深加工产品之一，其种类繁多，用途广泛，近年来被大量应用于轻工、汽车、建筑、五金等行业。由于冷轧生产线工艺复杂，导致废水中的污染物种类繁多且难以降解，水质、水量波动幅度也较大〔1〕，这使得冷轧废水的处理更为困难。目前主要的处理技术有传统的两级处理、化学除油工艺、稀土盘处理工艺以及MBR组合工艺等。随着企业节水意识的增强，需要对废水进行深度再生处理，进一步提高水质质量，以达到回用水水质要求进行生产过程的循环利用。目前冷轧废水的深度处理方法主要有高级氧化工艺、膜处理及膜生物反应器等方法，处理难度较大、投资较高、能耗较大、难以在工程上规模应用。

人工湿地作为一种有效的污水处理技术，以其运行费用低、维护简单、抗冲击负荷能力强和良好的生态效益等优点〔2〕近年来在工业废水深度处理中得到了应用〔3〕。人工湿地系统通过填料、微生物、植物或三者相互之间一系列的物理、化学和生物途径实现对废水中SS、COD、N、P及其他污染物的去除〔4〕。笔者利用中试人工湿地系统对冷轧废水进行深度再生处理，对污染物去除效果进行了分析，并重点针对含氮污染物转化规律及去除机理进行论述，以完善人工湿地系统的设计。

1　材料与方法

1.1试验用水

试验用水采用某大型钢厂冷轧废水经除油、去铬、锌等重金属二级处理后的出水，综合《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）以及钢铁企业生产用水要求，制定了企业的回用水质要求。试验期间冷轧废水水质及回用水质要求如表1所示。

表1　试验用水水质情况及回用标准

由表1可见，经二级处理后的冷轧废水水质波动较大，浊度、COD、TN等指标不满足回用水质要求，需要进一步处理以达到回用标准。

1.2试验装置及运行工况

试验装置为中试规模的人工湿地，采用半地下式，有效尺寸13m×2.3m×0.9m，填料层厚度为0.6m，有效容积约为18m3。中试湿地以粒径为5～15mm砾石和8～16mm锰砂为填料，其中砾石为主要填料，在湿地2/3段位置处设置一段长0.5m的锰砂填料段，约占总容积的4%。为便于植物的种植和生长，在潜流人工湿地石质填料层上覆盖了15 cm厚度的土壤，采用香蒲、鸢尾、芦苇间种的植物布置方案。人工湿地的构造如图1所示。

图1　人工湿地结构

湿地于4月开始全面进水，水深控制在0.6m左右，完全淹没填料层。启动时水力停留时间（HRT）为5 d，随后在保证湿地运行效果的情况下，根据水质处理情况和季节变化，逐步调整其HRT，依次经历了0.5、1、2、3、5、7 d，以考察人工湿地在不同季节和HRT条件下对冷轧废水的处理效果。

1.3指标分析方法

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主要水质指标检测均按照国家标准分析方法及国家环保局组织编写的《水和废水监测分析方法》（第4版）所规定的方法进行测定。水温、pH、浊度分别由温度计、PHB-2型便携式pH计、2100P型便携式浊度仪测定。

2　结果与讨论

2.1浊度的处理效果

试验期间，中试人工湿地对浊度具有稳定高效的去除效果。尽管湿地进水浊度波动较大，在0.57～19.40NTU范围内变化，平均浊度达到6.5NTU，但经过中试湿地处理后，出水浊度稳定，基本小于3NTU，浊度去除率达到80%以上，满足回用水质要求。

2.2COD的处理效果

试验期间，中试人工湿地对COD的去除效果如图2所示。

图2　人工湿地对冷轧废水COD的去除效果

由图2可见，人工湿地中试装置COD的去除效果与季节密切相关。夏季运行期间，由于湿地植物香蒲、黄花鸢尾长势良好、微生物生化反应明显，在HRT=0.5 d的情况下，人工湿地的平均去除率达48.1%。进入秋季运行期间，温度逐渐下降，芦苇表现了一定的耐寒能力，但香蒲、黄花鸢尾开始枯萎，微生物反应缓慢，为了提高运行效果，适当延长HRT，在HRT=3 d的情况下，COD的平均去除率可达26.0%左右。冬季运行期间，COD的去除率进一步下降，稳定在10%左右。装置运行期间，出水COD低于30mg/L，满足回用水质要求。

2.3TP的处理效果

由图3可见，人工湿地对于磷的去除主要取决于填料的截留作用〔5〕，因此，试验期间人工湿地中试装置TP的去除效果与停留时间密切相关。夏季运行阶段，停留时间较短，TP去除率在20%左右。秋季以及冬季运行阶段，总体的停留时间较长，截留效果增强，TP去除率提高到40%以上，出水TP稳定在0.1mg/L以下，达到回用要求，总体处理效果良好。

图3　人工湿地对冷轧废水TP的去除效果

2.4含氮污染物的转化过程

试验期间，不同HRT下，进入人工湿地系统的冷轧废水含氮污染物组成情况如图4所示。

图4　冷轧废水含氮污染物组分

由图4可见，冷轧废水中的含氮污染物组分复杂，主要包括氨氮、硝态氮以及有机氮。人工湿地对于氮的去除过程主要包括植物的吸收和微生物氨化、硝化、反硝化作用〔6〕。冷轧废水中氨氮含量较高，约占总氮的40%，因此氨氮的转化情况对于氮的整体去除情况有重要影响。

试验期间，人工湿地对冷轧废水氨氮的处理情况如图5所示。

由图5可见，人工湿地对于氨氮的去除主要通过微生物的硝化作用。夏季运行期间，微生物硝化作用明显，在HRT=1 d的情况下，氨氮平均去除率为16.1%。进入秋、冬季运行期间，微生物硝化作用逐渐减弱，随着HRT的逐步提高，氨化效果逐渐体现，水中有机氮转化为氨氮，导致出水氨氮累积，在HRT达到3、5、7 d时，出水氨氮高于进水氨氮。

由于多种含氮污染物的存在，在夏季、秋季以及冬季运行期间，中试人工湿地对TN的去除情况比较复杂，人工湿地对含氮污染物处理情况如图6所示。

图5　人工湿地对冷轧废水氨氮的处理情况

图6　人工湿地对含氮污染物的处理效果

由图6可见，试验运行期间，微生物的氨化作用明显，人工湿地对有机氮的去除效果良好，有机氮去除率达70%以上。有机氮转化成为氨氮后，一部分被湿地植物吸收，另一部分通过微生物硝化作用转化为硝酸盐。由于试验用水中的有机碳源较低，无法提供足够电子，因此微生物的反硝化程度较低，硝酸盐转化效率较低，通过此过程的TN去除效果微弱〔7〕。

夏季运行期间，植物长势良好，TN主要通过微生物氨化作用、硝化作用、植物摄取及收割过程去除，在HRT=1 d的情况下，TN平均去除率达49.0%，出水主要以氨氮和硝态氮为主。进入秋、冬季运行期间，植物枯萎、反硝化作用微弱，出水硝态氮累积，TN去除率较夏季运行有所降低。在HRT=7 d的情况下，TN平均去除率达14.9%，湿地出水TN低于6 mg/L，满足回用要求。

人工湿地对含氮污染物的微生物作用主要包括有机氮氨化、氨氮硝化、硝态氮反硝化过程。其中，人工湿地在有机氮氨化过程中有良好的处理效果，冷轧废水中的有机氮转化成氨氮，进一步发生硝化反应，形成硝态氮。而硝态氮的去除则成为脱氮反应系统的主要问题：硝态氮主要通过植物吸收去除，秋、冬季运行阶段处理效果不佳；且由于微生物反硝化过程缺少足够电子，导致出水中的氮以硝酸盐形式累积，无法从水中脱除，TN去除率难以提高。因此，为进一步优化人工湿地的脱氮效果，可以通过改善进水碳源或湿地填料获得足够的电子供体强化反硝化过程，将出水中累积的硝态氮转化为氮气从系统中脱除。

3　结论

（1）利用人工湿地深度处理某大型钢铁企业冷轧废水，处理效果良好，浊度、COD、TP、TN等出水指标均达到企业回用要求，可回用于钢铁生产过程。

（2）通过植物的摄取作用可以去除水体中的部分氮、COD等污染物。湿地植物香蒲、黄花鸢尾在夏季有良好的生长、恢复能力，而芦苇则对低温环境有较高的适应能力，因此，间种香蒲、黄花鸢尾、芦苇可以使人工湿地获得良好的处理效果。

（3）人工湿地对含氮污染物的微生物作用主要包括有机氮氨化、氨氮硝化、硝态氮反硝化过程。由于试验用水中的有机碳源不足，需要优化电子供体，以提高人工湿地系统的运行效果。

［1］王笏曹.钢铁工业给水排水设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，2002：61-64.

［2］王平，周少奇.人工湿地研究进展及应用［J］.生态科学，2005，24（3）：278-281.

［3］孙桂琴，董瑞斌，潘乐英，等.人工湿地污水处理技术及其在我国的应用［J］.环境科学与技术，2006，29（S1）：144-146.

［4］Cerezo R G，Suárez M L，Vidal-Abarca M R.The performance of a multi-stage system of constructed wetlands for urban wastewater treatment in a semiarid region of SESpain［J］.Ecological Engineering，2001，16（4）：501-517.

［5］AriasCA，BubbaM D，Brix H.Phosphorus removal by sands foruse asmedia in subsurface flow constructed reed beds［J］.Water Research，2001，35（5）：1159-1168.

［6］Chen TY，Kao CM，Yeh T Y，etal.App lication ofa constructed wetland for industrial wastewater treatment：A pilot-scale study［J］. Chemosphere，2006，64（3）：497-502.

［7］Moon H S，SunW C，Nam K，etal.Effectof reactivemedia composition and co-contaminants on sulfur-based autotrophic denitrification［J］.Environmental Pollution，2006，144（3）：802-807.

Experimental research on the advanced treatmentofcold rolling wastewaterusing horizontalsubsurface flow constructed wetland

Zhao Gang1，Guo Haobo1，Huang Xiangfeng1，YeQian2，Zhu Rongjian2，Zhang Yimei2
（1.Key Laboratory of Yangtze RiverWater EnvironmentofEducation Ministry，College of Environmental Scienceand Engineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.DepartmentofEnergy and Environmental Protection Baoshan Iron&SteelCo.，Ltd.，Shanghai201900，China）

Aiming at the further need for recycling after the advanced treatmentof cold rollingwastewater，pilot tests of the constructed wetland system have been applied to accomplishing the advanced regenerating treatment for the secondarily treated wastewater，and to reducing the concentration ofpollutants，soas tomake itbe reused in production processes.The experimental results indicate that constructed wetland has significant removing effects on turbidity，COD，TP，TN，and the effluent can meet the requirements for recycle water quality in iron&steel works.The transformation ruleofnitrogen-containing pollutantsandmechanismsof removalare analyzed emphatically providing basis for improving the denitrification effectof constructed wetland systems.

cold rollingwastewater；constructed wetland；advanced treatment

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0069-04

赵刚（1990—），博士。E-mail：zg13409222@163.com。通讯联系人：黄翔峰，教授，博士生导师。E-mail：hxf@ tongji.edu.cn。

2016-06-10（修改稿）

上海宝钢集团有限公司科研基金项目