固相碳源反硝化强化人工湿地水质净化技术应用研究

谢含军，高豆豆

（宁波市政工程建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315000）

引言

随着国家大力提倡海绵城市建设以提升城市水环境质量与安全，人工湿地逐渐发展为河道水质净化的一项重要技术手段[1]。根据国内工程实际案例，人工湿地长时间的运行，容易出现填料堵塞以及出水水质不稳定的现象，影响湿地填料脱氮除磷的效果。这种现象不仅会影响水的流速，而且会影响水的复氧以及微生物的活性，进而影响到处理效果。

一般来说，人工湿地对BOD、COD的去除效果较好[2]。在生活污水、污水处理厂尾水、景观水体和面源污水的治理中，针对尾水氮元素超标且碳氮比较低的现状，采用人工湿地处理技术进行深度处理，而碳源是限制人工湿地脱氮效率的最主要因素[3-5]。此过程中，生物硝化反硝化被认为是污水脱氮中最为经济有效的途径，却常因碳源不足导致反硝化过程无法顺利进行[4]。目前常通过投加葡萄糖、乙酸钠等来提供反硝化过程所需碳源，但该投加方式易导致投加过量或不足的情况，并存在液体碳源的运输、储存等风险[5]。

因此，推行一种技术可行、效果显著、成本可控的反硝化技术成为深度脱氮领域的迫切需求。

1 研究思路和内容

1.1 研究思路

本文的整体研究思路：针对低C/N 特征的污染水体，将新型固相碳源投加到传统人工湿地中，以提高人工湿地系统中高难度氮污染物的去除率。

1.2 研究内容

为契合海绵城市建设布局，宁波市在江北区水系整治及综合提升工程中融入海绵城市建设理念，结合项目实际河道现状问题，将海绵化建设融入河道水系整治提升中。本研究在原设计方案的基础上，在传统人工湿地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脱氮技术处理单元。

在人工湿地原设计布设中增设“固相反硝化强化湿地脱氮技术单元”。按800 mm×800 mm竖向插入管径DN160 mm、高1 050 mm的PVC穿孔管，其内填充固相碳源反硝化技术填料。与湿地中原有填料相比，所投加的固相碳源反硝化技术填料不仅可以作为生物膜附着生长的载体，提高单位面积人工湿地中微生物的数量，其分解后释放的小分子有机物还能够为微生物提供新陈代谢和反硝化过程所需的碳源，显著提高变形菌门、拟杆菌门和螺旋菌门的活性及相对丰度[5]。同时，固相碳源表面生长的生物膜有助于形成“好氧-兼性好氧-厌氧”的溶解氧分布梯度，进而实现“固相反硝化强化湿地脱氮技术单元”对水体中氨氮和硝酸盐氮的有效去除[7]。脱氮途径详见图1。

图1 固相碳源反硝化强化人工湿地脱氮途径

“固相反硝化强化湿地脱氮技术单元”的设计处理水量为1 090.32 m3/d，水力停留时间为3天，每27天可完成一次河道中水体的更新和深度处理，该技术单元稳定运行后的年处理水量为398 697 m3，污染物消减量为COD 5 250.53 kg/a、氨氮583.18 kg/a，总磷143.53 kg/a，总氮2 522.88 kg/a。

固相碳源反硝化强化湿地脱氮系统主要材料配置具体见表1。

表1 主要材料配置表

1.2.1 湿地填料层+种植层

本研究中湿地填料层分为A、B、C、D四种填料。分别为粒径为15～20 mm级配碎石、体积比为1∶2的粒径10～15 mm的碎石和沸石混合物、体积比为1∶2的粒径10～15 mm的碎石和生物陶粒混合物组成、粒径为10 mm碎石。种植层为150 mm粘土+50 mm中粗砂，有利于植物生长。

1.2.2 固相碳源

本研究选用新型固相反硝化脱氮填料，此主体材料采用高分子可生物降解材料（见表2固相反硝化脱氮填料性能参数），可以作为微生物反硝化过程的附着载体，使用过程中无有毒有害物质溶出，同时可有效降低水体中农药等污染物。考虑河道运维时间长，该填料具备作用长效、持久、稳定的特性，以减少更换次数。

表2 固相反硝化脱氮填料性能参数

2 基于固相碳源人工湿地污染物去除特性

2.1 系统运行工况与水质特征

本研究设置2种人工湿地系统，分别为优化前的人工湿地、优化后强化人工湿地。优化后的人工湿地仅增加“固相反硝化强化湿地脱氮技术单元”，对应水力停留时间、进水流量等变量均保持一致。

本研究对2种湿地系统分别于2021年1月至2021年12月运行时间段的进出水进行取样，通过对比研究两系统的水质净化效果，可以考察两种系统去除污染物效果。

2.2 监测指标和方法

监测指标包括NH3-N、COD。测定溶解性指标前先将水样经过0.45 μm滤膜过滤。测定方法及使用仪器型号如表3所示。

表3 水质指标监测方法及使用仪器

2.3 氨氮

进出水中氨氮是氮素污染物的主要形式，通过对比2021年1月—2021年12月的2种人工湿地系统进出水氨氮浓度（mg/L）数据得知，曹隘河、前王河、徐家庄小河、后王河1—12月份进水氨氮平均浓度分别为1.975 mg/L、2.126 mg/L、3.363 mg/L、2.242 mg/L。优化前的人工湿地系统1—12月出水氨氮平均浓度分别为0.896 mg/L、0.973 mg/L、2.152 mg/L、1.492 mg/L，平均去除率分别达到56.4%、54.2%、36.0%、33.4%，效果良好。优化后的人工湿地（固相碳源+人工湿地）系统1—12月出水氨氮平均浓度分别为0.763 mg/L、0.770 mg/L、1.494 mg/L、1.247 mg/L，平均去除率分别达到61.4%、63.8%、55.6%、44.4%，效果相对优化前的表现极佳。具体数据对比，详见表4。

表4 2种人工湿地系统对氨氮去除效果对比表

由上表数据对比可知，四条河在不同时间段的进水氨氮浓度波动范围较大，2种人工湿地系统对氨氮去除都比较稳定，并且优化后的人工湿地（固相碳源+人工湿地）的去除效果明显高于优化前的人工湿地。

2.4 有机物

通过对比2021年1月至2021年12月2种人工湿地系统进出水COD浓度（mg/L）数据得知，曹隘河、前王河、徐家庄小河、后王河1—12月进水COD平均浓度分别为15.378 mg/L、15.505 mg/L、15.715 mg/L、15.573 mg/L。优化前的人工湿地系统1—12月出水COD平均浓度分别为12.420 mg/L、12.321 mg/L、11.965 mg/L、12.940 mg/L，平均去除率分别达到19.2%、20.5%、23.9%、16.9%，效果良好。优化后的人工湿地（固相碳源+人工湿地）系统1—12月出水COD平均浓度分别为11.884 mg/L、10.634 mg/L、11.064 mg/L、10.637 mg/L，平均去除率分别达到22.7%、31.4%、29.6%、31.7%，效果相对优化前的表现极佳。具体数据对比，详见表5。

表5 2种人工湿地系统对COD去除效果对比表

由上表数据对比可知，尽管不同时间段的进水COD浓度波动范围较大，但四条河的2种人工湿地系统对COD都比较稳定。此外，优化后的人工湿地（固相碳源+人工湿地）的去除效果明显高于优化前的人工湿地。

3 研究结论

通过对4条河道采用固相碳源反硝化强化湿地水质净化技术，进行近1年的长效运维管养，各条河道中污染物指标均降低到既定目标，且数据持续稳定，水质均达到V类水标准以上。

（1）实践结果证明，对两种污染源氨氮、COD的去除效果分析，优化后的“固相碳源反硝化脱氮技术单元”的出水水质优于优化前的人工湿地，且能达到地表水V类水标准的设计目标。

（2）通过上述研究及实践应用工作证明，在原有湿地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脱氮技术处理单元，不但能为微生物提供反硝化过程所需碳源和营养，还能有效解决河道治理的主要水质问题，实现污染物高效降解的目标。

4 展望

固相碳源反硝化强化湿地水质净化技术在江北区海绵城市水系整治及综合提升工程中的应用，验证了其实际应用性能，现场测试的一系列指标都满足技术要求，工程应用表明，固相碳源反硝化强化湿地水质净化技术具有较好的施工可操作性与应用效果[8]。

（1）不但能为微生物提供反硝化过程所需碳源和营养，还有效解决了河道治理的主要水质问题，实现污染物高效降解的目标。

（2）因地制宜解决工程改造，降低工程造价，最大程度避免影响河道周边景观、河道泄洪、通航以及中期清淤带来的二次施工等问题。

（3）通过长效运维管养，逐步提升水体水质，修复河道生态系统、提高河道自净能力，实现河道水质达标。

固相碳源反硝化强化湿地水质净化技术表现出较大的优势，工程应用效果较为显著，值得推广使用。在此，希望能够为未来的类似工程提供一定的指导和借鉴。