冬春两季表流人工湿地-氧化塘交替组合氮磷去除效果研究

华祖林，石佳佳，董越洋，沈 健，聂永平，倪效欣，白 雪

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，南京 210098；3.河海大学环境学院，南京 210098；4.江苏省南水北调工程建设领导小组办公室，南京 210029)

1 前 言

对污水处理厂的尾水，利用人工湿地进一步处理，由于其操作管理简单、建造及运行费用低、氮磷去除效率高等特点成为尾水深度处理的主要工艺之一[1-2]，学者们对此进行了大量研究，范远红等[3]研究了不同水生植物类型表面流人工湿地对尾水的深度处理效果；梁康等[4]研究了垂直流人工湿地对尾水的净化效果；沈林亚等[5]研究了分级进水对阶梯垂直流人工湿地处理生活污水效果的研究。但人工湿地对污水的净化上存在致命弱点：受季节影响大，冬季和春季湿地处理效果不理想。针对这一弱点，汪楚乔等[6]从增加温度出发，用大棚对湿地进行保温来提高冬季湿地对污染物的去除效果，但该方法仅适用于小试试验，对野外大面积的湿地存在明显困难；于晓霞等[7]从温度、污染负荷和碳源角度出发，试验了秸秆覆盖、降低水力负荷和投加碳源对冬季脱氮效果的影响，虽然这些措施能够有效的促进反硝化作用，但秸秆覆盖和投加碳源会降低湿地溶解氧而削弱硝化作用，需再曝气才可缓解该负面影响，且工作量较大；还有一些研究与其他工艺相结合，如与微生物燃料电池耦合[8]、与生物膜电极反应器相结合[9]等。本文从湿地结构出发，构建了表流人工湿地和氧化塘交替组合系统，以某污水处理厂尾水为处理对象，研究春冬两季该组合对尾水氮磷的去除效果，以期用更方便实用的方法改善春冬季节人工湿地处理效果。

2 材料与方法

2.1 湿地系统构建

本研究试验为江苏省徐州市某湿地，属华北半湿润、暖温带季风气候区，多年平均降雨量766.0mm，蒸发量约1 325mm，相对湿度73%。

湿地系统由2个表流人工湿地和2个氧化塘间隔组成，平均水深0.5m，总占地面积10.8万m2，呈S型分布。湿地采用间歇式进水，早晨7点至下午17点进水，下午17点至第二天早晨7点不进水，每天平均处理来自污水处理厂的尾水2万m3/d，其进水水质情况见表1。尾水首先进入1号表流湿地(CW1)，然后流入1号氧化塘(CP1)，1号氧化塘设有3台表面曝气装置，每天早上8～10点、下午6～8点各运行2h，曝气后水体DO>10mg/L；尾水经1号氧化塘处理后流入2号表流湿地(CW2)，最后流入2号氧化塘(CP2)，2号氧化塘也设有3台表面曝气装置，但该曝气装置暂未运行，若后期出水水质达不到要求，可增开该曝气装置，提高湿地处理效果。各级表流人工湿地和氧化塘占地面积、种植的水生植物及春季生物量如表2所示，其布置示意图如图1所示。湿地系统冬季由于气温低，植物死亡，为防止产生二次污染，将枯萎的挺水植物进行刈割，沉水植物定期打捞残枝。

表1 湿地系统进水水质Tab.1 Influent water quality of wetland system (mg/L)

图1 表流人工湿地-氧化塘系统分布及采样点位Fig.1 Surface flow constructed wetland-oxidation pond system distribution map and sampling points

2.2 水样的采集测试与数据处理

分别选取冬季(0～9℃)2018年1月3日、2018年1月10日、2018年1月17日、2018年1月24日、2018年1月31日，春季(4～14℃)2018年4月1日、2018年4月8日、2018年4月15日、2018年4月22日、2018年4月29日，采取水样，每个采样点均采三个平行样(分析数据取三者平均值)。采样点位共5个，分别为P1：1号表流湿地入口；P2：1号表流湿地出口(即1号氧化塘入口)；P3：1号氧化塘出口(即2号表流湿地入口)；P4：2号表流湿地出口(即2号氧化塘入口)；P5：2号氧化塘出口，具体分布情况如图1所示。

表2 湿地各子系统面积及种植的植物类型Tab.2 Wetland subsystem area and plant type planted

水样采取后立即送入实验室，室内分析总氮、氨氮、硝态氮、总磷、水温等指标。其中总氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 (HJ636-2012)测定，氨氮用纳氏试剂比色法(HJ535-2009)测定，硝态氮用紫外分光光度法 (HJ/T346-2007)测定、总磷用钼酸氨分光光度法(GB/T11893-1989)测定。用Excel和Origin2017对数据来进行分析和统计。

3 结果与分析

3.1 TN

表流人工湿地-氧化塘系统冬春两季TN浓度变化和湿地各子系统去除率情况如图2所示。由图2，冬季湿地系统1号表流湿地对TN的去除率范围为10%～30%，2号表流湿地对其去除率范围为8%～22%；春季1号表流人工湿地对TN的去除率范围为20%～29%，2号表流湿地对其去除率范围为13%～21%。可见冬春两季表流湿地对TN的去除效果较差，主要是冬季温度过低，抑制了微生物数量和活性，硝化-反硝化作用减弱，且由于对表流湿地挺水植物的刈割，水体中悬浮有机氮的去除效果下降，TN的去除效果较差；春季由于气温逐渐回升，微生物活性有所增强，芦苇、香蒲、梭鱼草等[10]对TN去除效果较好的水生植物也逐渐复苏，对TN的去除效果有所增加，但总体较差。而冬春两季1号氧化塘对TN的去除率范围分别为12%～40%、25%～33%，1号氧化塘中适当的曝气，能够增加DO和塘内微生物的数量[11]，缓解冬春两季因温度较低而导致微生物数量下降的情况，2号氧化塘对其去除率范围分别为5%～10%、9%～13%。将表流人工湿地与氧化塘交替组合，则更好的结合了两者的优点，该交替组合系统中DO含量高于表流湿地单个系统，更有利于氨氮和有机氮的去除，从而改善了冬春两季TN去除率低的现状，经组合后该系统的总去除率范围分别可达30%～54%、55%～66%。

图2 表流人工湿地-氧化塘交替系统冬春两季TN的浓度变化及各湿地子系统去除率Fig.2 Variation of TN concentration in the winter and spring of the surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and the removal rate of each wetland subsystem

3.2 氨氮

由图3可知，冬春两季表流人工湿地对氨氮的去除效果与TN相似，冬季1号表流人工湿地对氨氮的去除率范围为14%～22%，2号表流湿地对其去除率范围为6%～18%；春季1号表流湿地对氨氮的去除率范围为34%～39%，2号表流湿地对其去除率范围为27%～35%。氨氮的去除主要是硝化细菌的硝化作用，而硝化细菌对温度比较敏感，当温度在4℃左右时，硝化细菌的活动基本停止[12-13]。冬季湿地系统的水温在2～9℃之间，微生物活性低，去除效果差；春季气温逐渐回升，微生物活性逐渐增强，湿地植物也逐渐复苏，对氨氮的去除效果有所增加，但总体来说去除率还是不理想。且DO是硝化反应的一个限制性因素[14]，所以含有高浓度DO的氧化塘对氨氮的去除效果明显优于表流湿地，冬季1号氧化塘去除率范围为16%～31%，2号氧化塘去除率范围为1%～10%；春季1号氧化塘的去除率范围为39%～46%，2号氧化塘的去除率范围为10%～14%。将其与表流湿地进行间隔组合，则有效的提高了冬春两季对氨氮的去除效果，其总去除率范围分别可达33%～55%、75%～82%。

图3 表流人工湿地-氧化塘交替系统冬春两季氨氮的浓度变化及各湿地子系统去除率图Fig.3 Variation of ammonia nitrogen concentration in the winter and spring seasons of the surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and the removal rate of each wetland subsystem

3.3 硝态氮

表流人工湿地-氧化塘系统冬春两季硝态氮浓度变化和湿地各子系统去除率情况如图4所示。由图4，冬季1号表流人工湿地对硝态氮的去除率范围为13%～19%，2号表流湿地对其去除率范围为2%～19%；春季1号表流人工湿地对硝态氮的去除率范围为24%～33%，2号表流湿地对其去除率范围为10%～17%。由以上去除率可以看出，冬春两季表流湿地对硝态氮的去除效果较差，由于硝态氮的去除主要是通过反硝化作用[15-16]，冬季较低的气温使微生物活性受到抑制，去除效果较差；春季气温逐渐回升，反硝化细菌活性增强，且湿地植物开始发芽生长，而硝态氮是植物能够直接吸收的氮的形态之一，故其去除效果略好于冬季。因为反硝化细菌是在厌氧环境下将硝态氮转化为N2等形式逸出湿地系统，过高的DO可能会抑制反硝化细菌作用[17]，所以氧化塘对硝态氮的去除效果差于表流湿地，其冬春两季的去除率情况分别为：1号氧化塘对硝态氮的去除率范围分别为6%～11%、13%～16%，2号氧化塘对硝态氮的去除率范围分别为1%～12%、8%～11%。虽然氧化塘对硝态氮的去除效果较差，但对其仍有一定去除效果，将两者交替组合后，整个湿地系统的出水仍能够到达出水要求。

图4 表流人工湿地-氧化塘交替系统冬春两季硝态氮的浓度变化及各湿地子系统去除率Fig.4 Concentration change of nitrate nitrogen in winter and spring of surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and removal rate of each wetland subsystem

3.4 TP

冬春两季表流人工湿地-氧化塘系统对TP的去除效果相差不大，春季去除效果略好于冬季，具体情况见图5。这是因为湿地系统中磷的去除主要受基质吸附截留能力的影响[18]，温度对TP的去除影响较小[19-20]。而春季表流湿地的挺水植物如再力花、黄菖蒲、芦苇等对TP有较好的去除效果，且聚磷菌等微生物也能够过分吸收磷，这些均增加了湿地对磷的去除，故春季略好于冬季。

冬春两季1号表流人工湿地对TP的去除率范围分别为25%～40%、32%～43%，1号氧化塘对其的去除率范围分别为17%～33%、22%～30%，2号表流湿地对其去除率范围分别为13%～21%、13%～23%，2号氧化塘对其去除率范围分别为2%～13%、6%～11%。两季表流人工湿地-氧化塘交替系统中4个子系统对TP的去除率情况为：1号表流湿地>1号氧化塘>2号表流湿地>2号氧化塘。湿地系统对TP的去除主要是基质的吸附和截留作用，1、2号表流湿地和1号氧化塘由于其较大的占地面积和较长的流程，十分有利于TP沿程的沉降，然1号氧化塘曝气，可能导致部分磷的再悬浮，降低对磷的去除。虽然氧化塘对TP去除效果差一些，但经表流湿地与氧化塘的交替组合处理后能够达到稳定出水的目的，该组合系统的总去除率范围分别为50%～69%、64%～69%。

图5 表流人工湿地-氧化塘交替系统冬春两季TP的浓度变化及各湿地子系统去除率Fig.5 Variation of TP concentration in the winter and spring of the surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and the removal rate of each wetland subsystem

由以上研究可以看出，表流人工湿地与氧化塘交替组合的应用，使得湿地系统冬春两季出水水质达到地表Ⅳ类水标准，部分指标达到地表Ⅲ类水标准，较大的改善了湿地系统对冬春两季尾水氮磷去除效果差的问题。同时我们也监测了夏秋两季该组合系统的去除效果，发现该组合对TN的去除率范围分别为73%～85%、70%～88%，对氨氮的去除率范围为87%～96%、84%～96%，对硝态氮的去除率范围为65%～82%、67%～84%，对TP的去除率范围为65%～80%、69%～83%。通过表流人工湿地与氧化塘交替组合，尾水的出水水质取得了全面达标。

4 结 论

针对人工湿地冬春两季对尾水中氮磷去除效果较差的问题，本文通过构建表流人工湿地-氧化塘交替系统，研究冬春两季湿地系统对尾水氮磷的去除情况，发现1号氧化塘对TN和氨氮的去除效果优于1号表流人工湿地，而对硝态氮和TP去除效果稍差一些。表流人工湿地和氧化塘两者的交替组合，则能够一定程度上弥补单个系统的弱点，有效地改善冬春两季湿地系统对氮磷去除率低的情况。冬春两季湿地系统对TN的去除率范围分别为30%～54%、55%～66%；对氨氮的去除率范围分别为33%～55%、75%～82%；对硝态氮的去除率范围分别为21%～47%、49%～58%；对TP的去除率范围分别为50%～69%、64%～69%。表流人工湿地与氧化塘的交替组合，能够对尾水深度处理取得更好的效果，为湿地冬春两季出水稳定达标提供了新的尝试。