生物-生态组合人工湿地净化市政尾水的研究

陈尧 刘通

（浙江正洁环境科技有限公司，浙江杭州 310000）

1 引言

城镇人口及居民用水量的增加，加大了市政污水处理厂的运行负荷，同时由于市政污水处理厂处理水量较大，尾水经达标处理后排入地表水体，对自然水环境冲击也增大。为应对日益严格的排放标准及降低对地表水体污染物的输入，GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准仍不能完全满足实际要求，故需要对市政尾水进行深度净化，再进行排放或回用。

市政污水处理厂尾水污染物浓度低，常规生物污水处理工艺难以进行进一步净化，目前对现有市政污水处理厂改造采用较多的方式是增加膜分离工艺或增加人工湿地，以满足更高的排放要求。如土地紧张及预算充足可采用膜分离技术，此外一般都会采用运行维护简单、低能耗且具有景观休闲娱乐功能的人工湿地技术进行市政尾水深度净化［1］。本文结合多级厌氧、好氧生物水处理工艺和人工湿地生态水处理工艺的净化系统，对以市政尾水为代表的低浓度污水净化效果进行研究。

2 实验部分

2.1 实验装置

实验装置为4 片生物-生态组合式人工湿地，每片100 m2。湿地挡墙采用砖混结构，湿地底部铺有防渗膜，每片人工湿地设置一个进水口和一个出水口。生物-生态组合人工湿地工艺流程如图1 所示。

图1 生物-生态组合人工湿地流程

生物-生态组合式人工湿地由8 部分组成，依次为1 号布水塘、2 号表流湿地Ⅰ、3 号复氧表流湿地、4 号水平潜流湿地Ⅰ、5 号表流湿地Ⅱ、6 号高负荷垂直潜流湿地、7 号水平潜流湿地Ⅱ、8 号出水景观塘。各部分面积占比、水力负荷、有效水深、填料组成及其他设备情况、植物情况见表1。

表1 生物-生态组合式人工湿地参数

本实验拟通过改变3 号复氧表流湿地和6 号高负荷垂直潜流湿地中的曝气情况（调整气水比），在生物-生态组合式人工湿地中营造多级厌氧和好氧环境，来研究多级厌氧和好氧环境对生物-生态组合式人工湿地对市政尾水净化效果的影响。

2.2 检测指标

各构筑物出水检测指标有COD、总氮、氨氮、总磷，分别采用重铬酸钾法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法、钼锑抗分光光度法［2］进行检测。

2.3 实验水质

本实验所用水质近似于经市政污水处理厂处理后的尾水水质，水质指标近似于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准，即COD 浓度为50 mg/L、总氮浓度为10 mg/L、氨氮浓度为5 mg/L、总磷浓度为0.5 mg/L。

2.4 实验运行

生物-生态组合式人工湿地系统建成后，每日每片通入60 m3达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准的市政尾水，运行2 个月后进行本项目实验。污水在湿地中水力停留时间为1.67 d，湿地水力负荷为0.6 m3/（m2·d）。4 片生物-生态组合式人工湿地中，3 号复氧表流湿地与6 号高负荷垂直潜流湿地的气水比组合分别为0 ∶1和0∶1、1∶1 和0∶1、0∶1 和0.5∶1、1∶1 和0.5∶1。气水比通过微孔曝气装置是否曝气及曝气量大小控制。

3 结果与讨论

3.1 不同气水比情况下生物－生态组合式人工湿地对COD 的去除效果

不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对COD 的去除效果见图2。

图2 不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对COD 的去除效果

本实验1 号构筑物主要为布水、8 号构筑物主要为出水景观作用，对COD 去除效果低，在研究组合式人工湿地作用原理时，不做特别分析。当3 号和6 号构筑物中曝气装置根据气水比1 ∶1 和0.5 ∶1 曝气后，整个组合式人工湿地形成了两级厌氧好氧环境：2 号表流湿地Ⅰ、3 号复氧表流湿地、4 号水平潜流湿地Ⅰ为第一级厌氧好氧环境；5 号表流湿地Ⅱ、6 号高负荷垂直潜流湿地、7 号水平潜流湿地Ⅱ为第二级厌氧好氧环境。当3 号或6 号构筑物气水比只有一级不为0∶1 时，不为0∶1 的所在构筑物2 号、3号、4 号或5 号、6 号、7 号构成第一级厌氧好氧环境；当3 号或6 号构筑物气水比均为0∶1 时，整个组合式人工湿地系统为常规环境。

不同气水比情况下，生物-生态组合式人工湿地对COD 的去除效果存在明显差异，Ⅰ到Ⅳ组COD去除率分别为47.16%，52.49%，57.11%，63.79%。在Ⅳ组中营造了两级厌氧好氧环境，Ⅳ组最终COD 相对去除率比Ⅰ组中两级均未营造厌氧好氧环境的高35.28%，Ⅳ组最终COD 相对去除率比只营造第一级或只营造第二级的Ⅱ组和Ⅲ组分别高21.53%和11.71%。由此可知，增加曝气后能提高系统整体的COD 去除率。Ⅳ组最终出水（8 号构筑物出水）COD浓度满足地表水Ⅲ类水质要求，其他3 组不满足。

Ⅱ组和Ⅳ组在3 号构筑物中设置有曝气，Ⅱ组与Ⅳ组3 号构筑物COD 去除率分别为9.03%和9.18%，整体高于3 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅲ组5.25%和5.74%的COD 去除率；Ⅱ组与Ⅳ组4 号构筑物COD 去除率分别为15.09%和16.51%，整体高于Ⅰ组和Ⅲ组中4 号构筑物12.81%和13.74%的COD 去除率。Ⅲ组和Ⅳ组在6 号构筑物中设置有曝气，Ⅲ组与Ⅳ组6 号构筑物COD 去除率分别为17.59%和18.13%，整体高于6 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅱ组12.44%和11.42%的COD 去除率；Ⅲ组与Ⅳ组7 号构筑物COD 去除率分别为13.04%和13.41%，整体高于Ⅰ组与Ⅱ组中7 号构筑物10.01%和10.51%的COD 去除率。由此可知，上一构筑物增加曝气后，对后续构筑物的COD 去除有一定促进作用。

3.2 不同气水比情况下生物－生态组合式人工湿地对氨氮的去除效果

不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对氨氮的去除效果见图3。

图3 不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对氨氮的去除效果

不同气水比情况下，生物-生态组合式人工湿地对氨氮的去除效果存在明显差异，Ⅰ到Ⅳ组氨氮去除率分别为54.17%，64.10%，67.13%、79.98%。在Ⅳ组中营造了两级厌氧好氧环境，Ⅳ组最终氨氮相对去除率比Ⅰ组中两级均未营造厌氧好氧环境的高47.66%，Ⅳ组最终氨氮相对去除率比只营造第一级或只营造第二级的Ⅱ组与Ⅲ组分别高24.78%和19.4%。由此可知，增加曝气后能提高系统整体的氨氮去除率。Ⅳ组最终出水（8 号构筑物出水）氨氮浓度满足地表水Ⅲ类水质要求，其他3 组不满足。

Ⅱ组和Ⅳ组在3 号构筑物中设置有曝气，Ⅱ组与Ⅳ组3 号构筑物氨氮去除率分别为14.53%和13.27%，整体高于3 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅲ组7.67%和7.40%的氨氮去除率；Ⅱ组与Ⅳ组4 号构筑物氨氮去除率分别为18.40%和19.53%，整体高于Ⅰ组和Ⅲ组中4 号构筑物15.87%和14.67%的氨氮去除率。Ⅲ组与Ⅳ组在6 号构筑物中设置有曝气，Ⅲ组与Ⅳ组6 号构筑物氨氮去除率分别为19.10%和21.00%，整体高于6 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅱ组12.85%和13.15%的氨氮去除率；Ⅲ组与Ⅳ组7 号构筑物氨氮去除率分别为19.90%和19.95%，整体高于Ⅰ组和Ⅱ组中7 号构筑物11.70%和11.70%的氨氮去除率。由此可知，上一构筑物增加曝气后，对后续构筑物的氨氮去除有一定促进作用。

3.3 不同气水比情况下生物－生态组合式人工湿地对总氮的去除效果

不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对总氮的去除效果见图4。

图4 不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对总氮的去除效果

不同气水比情况下，生物-生态组合式人工湿地对总氮的去除效果存在差异，Ⅰ到Ⅳ组总氮去除率分别为35.07%，37.54%，41.12%，44.07%。在Ⅳ组中营造了两级厌氧好氧环境，Ⅳ组最终总氮相对去除率比Ⅰ组中两级均未营造厌氧好氧环境的高25.66%，Ⅳ组最终总氮相对去除率比只营造第一级或只营造第二级的Ⅱ组与Ⅲ组分别高17.39%和7.17%。由此可知，增加曝气后能提高系统整体的总氮去除率。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 组最终出水（8 号构筑物出水）总氮浓度均不满足地表水Ⅲ类水质要求。

Ⅱ组和Ⅳ组在3 号构筑物中设置有曝气，Ⅱ组与Ⅳ组3 号构筑物总氮去除率分别为4.92%和4.36%，与3 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅲ组4.60%和4.84%的总氮去除率相近；Ⅱ组与Ⅳ组4 号构筑物总氮去除率分别为12.20%和12.72%，整体高于Ⅰ组与Ⅲ组中4 号构筑物10.00%和10.04%的总氮去除率。Ⅲ组和Ⅳ组在6 号构筑物中设置有曝气，Ⅲ组与Ⅳ组6 号构筑物总氮去除率分别为10.50%和11.85%，整体高于6 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅱ组7.86%和8.01%的总氮去除率；Ⅲ组与Ⅳ组7 号构筑物总氮去除率分别为10.17%和9.54%，整体高于Ⅰ组与Ⅱ组中7 号构筑物7.23%和6.75%的总氮去除率。由此可知，表流湿地增加曝气后，总氮去除效率与未曝气相差不大，对后续构筑物总氮去除有一定促进提升作用。垂直潜流湿地增加曝气后，自身总氮去除率明显提升，且能提升后续构筑物总氮去除效率。

3.4 不同气水比情况下生物－生态组合式人工湿地对总磷的去除效果

不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对总磷的去除效果见图5。

图5 不同气水比情况下生物-生态组合式人工湿地对总磷的去除效果

不同气水比情况下，生物-生态组合式人工湿地对总磷的去除效果不存在明显差异，Ⅰ到Ⅳ组总磷去除率分别为61.33%，66.17%，65.50%，68.00%。在Ⅳ组中营造了两级厌氧好氧环境，Ⅳ组最终总磷相对去除率比Ⅰ组中两级均未营造厌氧好氧环境的高10.87%，Ⅳ组最终总磷相对去除率比只营造第一级或只营造第二级的Ⅱ组与Ⅲ组分别高2.77%和3.84%。由此可知，增加曝气后能在小范围内提高系统整体的总磷去除率。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 组最终出水（8 号构筑物出水）总磷浓度均满足地表水Ⅲ类水质要求。

Ⅱ组和Ⅳ组在3 号构筑物中设置有曝气，Ⅱ组与Ⅳ组3 号构筑物总磷去除率分别为13.33%和12.67%，整体高于3 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅲ组11.33%和10.67%的总磷去除率；Ⅱ组与Ⅳ组4 号构筑物总磷去除率分别为16.00%和16.67%，整体高于Ⅰ组与Ⅲ组中4 号构筑物14.00%和15.33%的总磷去除率。Ⅲ组与Ⅳ组在6 号构筑物中设置有曝气，Ⅲ组与Ⅳ组6 号构筑物总磷去除率分别为13.00%和13.00%，整体高于6 号构筑物未曝气的Ⅰ组与Ⅱ组11.00%和11.50%的总磷去除率；Ⅲ组与Ⅳ组7 号构筑物总磷去除率分别为12.50%和12.00%，整体高于Ⅰ组与Ⅱ组中7 号构筑物10.50%和11.00%的总磷去除率。由此可知，曝气能提升自身构筑物总磷去除率，且能少量提升后续构筑物总磷去除率。

3.5 机理分析

通过不同曝气情况的组合式人工湿地对COD、氨氮、总氮、总磷去除的影响分析，可以得出，多级厌氧好氧环境对上述4 种水质指标去除率都有提高，提高效率由大到小依次为氨氮、COD、总氮、总磷。

氨氮在组合式人工湿地中主要是通过植物的吸收和湿地系统中的硝化作用去除，增加曝气形成好氧环境后能提高湿地中好氧的硝化细菌数量，从而提高硝化作用效果。

COD 在组合式人工湿地中去除主要通过湿地内部微生物的降解。湿地内部微生物分为厌氧型和好氧型两大类，其中厌氧型微生物对低浓度COD 降解效果较弱，但能将水中难降解物质水解为容易降解的小分子，便于好氧微生物进行处理。好氧型微生物对低浓度COD 去除效果好，同时前面厌氧环境中部分难降解物质分解，提高了水中有机物的可生化性。当增加曝气后，好氧型微生物量增加，因此提高了COD 去除效率。水中微生物将低浓度有机污染物作为碳源分解，给自身提供能量，主要分解二氧化碳和水［3］。

总氮在组合式人工湿地中去除主要通过植物的吸收和湿地内部的反硝化作用。在厌氧（兼氧）环境下，反硝化细菌将水中NO2-和NO3-转化为N2，从水中逸出。本实验中，增加曝气形成厌氧好氧环境后，能促进硝化作用生成NO2-和NO3-，同时能形成更适合反硝化的兼氧湿地环境，但由于水中COD 浓度值较低，即水中碳源量少，一定程度上限制了反硝化作用的进行［4］。

总磷在组合式人工湿地中去除主要是通过植物吸收和土基及湿地填料吸附。植物吸收水中总磷后，转化为自身ATP，DNA 及RNA 等有机物。组合式人工湿地增氧后，提高了植物生长环境中微生物的种群数，促进了植物对氮、磷的吸收，从而提高了总磷的去除，但该部分提升作用有限［5］。

4 结论

生物-生态相结合的组合式人工湿地，即含有曝气的组合式人工湿地，对低浓度污水具有良好的去除效果，增加曝气后能提升组合式人工湿地对COD、氨氮、总氮、总磷的去除效率，一定气水比情况下，形成两级厌氧好氧环境后，上述4 种指标去除率相对于未增加曝气的组合式人工湿地分别提高了35.28%，47.66%，25.66%，10.87%。因此，将生物水处理技术和生态水处理技术相结合产生的生物-生态组合式人工湿地，在低浓度污水处理中具有良好的应用前景，可以提高常规组合式人工湿地处理效果，减少占地面积。