人工濕地技術在污水深度處理中的設計與應用

韓成鐵

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市　200092）

人工濕地技術在污水深度處理中的設計與應用

韓成鐵

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

人工濕地以其建設運行成本低、耗能少、運行維護方便、對負荷變化適應性強、具有較強的氮磷去除能力以及生態環境效益顯著等優點在處理污染水體中具有良好的應用前景。針對上海市東區水質凈化廠二級出水中存在的問題，以二級出水的深度處理為主要研究對象，研究人工濕地深度處理技術的影響和控制因素，開發高效、低成本的人工濕地深度處理技術，可有效去除COD、氮、磷等污染物。

人工濕地；深度處理；濕地結構；水力負荷；去除能力

1　概況

上海市東區水質凈化廠（簡稱東廠）建成于1926年，至今已有80余年的歷史。根據廠區規劃調整整體方案，廠內2個輻流式二沉池和6個濕污泥池目前基本閑置，擬改建為人工濕地用于二級出水的強化處理。圖1為東廠人工濕地整體規劃示意圖。

圖1　東廠人工濕地整體規劃示意圖

在一期實施工程中，規劃以2個輻流式二沉池為基礎，構建以人工濕地為主的生物生態處理系統對污水廠二級出水進行強化處理，并將強化處理出水作為景觀用水用于廠區內水體景觀。對原二沉池周邊綠化帶進行調整，并種植兼具觀賞價值及凈化作用的大型挺水植物、浮水植物、沉水植物等，以構成一個完整的生物處理-景觀生態系統。

2　方案設計

2.1水質水量分析

東廠2009年全年的月平均進水水量接近7 000 m3/d，且來水分布時段極不均勻，每天僅有4～5 h有水，變化幅度極大，給污水廠的運行帶來很大困難。

東廠2009年8月至2010年5月的進水平均水質情況見表1。

表1　東區水質凈化廠進水水質月平均值　mg/L

東廠主要工藝為傳統活性污泥法，經處理后，二沉出水水質COD＜70 mg/L，TN＜60 mg/L，其中NH4-N約為11 mg/L，NO3-N＞30 mg/L，NO2-N＜2 mg/L，TP＜3 mg/L。該出水碳氮比偏低，較適合運用人工濕地技術進行深度處理。

2.2濕地結構設計

根據二沉池周邊情況以及對人工濕地平面布置的要求，兩個二沉池內人工濕地采用不同的平面布置，如圖2所示。

圖2　人工濕地平面布置

各濕地單體過水方式為：進水由溢流堰進入布水槽，通過穿孔花墻進入濕地，通過人工濕地處理之后由穿孔花墻進入出水槽，通過溢流管排出。濕地內部從下而上分別為0.9 m填料層、0.3 m覆土層、植物。各濕地單體結構參數見表2，各濕地單體主體結構如圖3所示。

表2　各濕地結構參數

2.3水力負荷設計

根據前期的研究成果以及有關的文獻報道，水平潛流人工濕地水力負荷設計值一般小于0.2 m/d。由于該工程處理水質為二沉池出水，水質較一般人工濕地處理較好，因此在保證水力停留時間的基礎上可適當提升水力負荷。在該工程中，人工濕地的水力負荷設計值為0.4～1 m/d，設計總流量為100～250 m3/d。

圖3　人工濕地單體結構示意圖

2.4植物及填料選用

植物是人工濕地、生態景觀池的特點所在。一方面水生植物自身能吸收一部分營養物質，同時它的根區為微生物的生存和降解營養物質提供了必要的場所和物質條件。考慮到該工程中人工濕地的運行管理以及景觀的要求，應選用生物量大、氮吸收能力較強、景觀效果較好的植物，對植物抗逆性能則要求不高，因此在該工程中將選用蘆竹、茭白、千屈菜、美人蕉等作為濕地植物，選用睡蓮作為生態景觀池植物。

人工濕地的填料為濕地內的微生物生長提供載體，表面積越大，可生長的微生物數量越多，因此需要填料有盡可能大的比表面積，同時填料還具有吸附、過濾等功能。根據該工程中對人工濕地處理能力的要求，應選用氮磷去除能力較強的填料，同時考慮填料取得的難易難度，因此選用礫石、沸石、鋼渣等作為該工程中人工濕地填料。

經過綜合選用植物和填料，最終設計各濕地植物填料配比見表3。

表3　各濕地單元植物填料詳表

3　人工濕地去除能力分析

通過近半年的濕地啟動運行，由于各濕地填料和植物選擇配比的不同，各濕地處理能力也呈現顯著的差異性，各濕地單體處理能力基本穩定，出水水質也基本達到一級B標準，部分指標達一級A標準。

3.1COD去除分析

圖4為各濕地單體啟動運行期間COD去除率變化曲線。由圖可得，人工濕地進水的COD基本在50 mg/L以下，已基本滿足一級A標準。

圖4　各濕地單體啟動運行期COD去除率變化曲線

分析整個過程中COD的去除率變化情況，可以看到COD去除率變化趨勢大致為先下降后上升，其可能原因為在啟動運行初期，COD的去除以填料的吸附為主，微生物的降解為輔；一段時間過后，隨著填料吸附容量的飽和，去除能力有所下降；在啟動運行的中后期，微生物群落發育成熟，成為COD去除的主要方式，濕地去除COD的能力得到顯著上升。

3.2氮去除分析

由于污水中氮的化合形態復雜，且氮在微生物、植物生命活動中參與較多，因此在人工濕地中氮的去除機理比磷的去除機理復雜，影響因素較多。該工程研究中嘗試從填料、植物、pH值等方面分析人工濕地對NH4-N、NO3-N、NO2-N等的去除能力。

（1）NH4-N

圖5為啟動運行期間各濕地單體進出水中NH4-N濃度變化曲線，進水濃度一般在8～10 mg/L。

圖5　各濕地單體啟動運行期NH4-N濃度變化曲線

圖6　各濕地單體啟動運行期硝態氮濃度變化曲線

在啟動運行期間對各個濕地單體出水中的NH4-N濃度進行縱向比較，可以看到隨著啟動期的延長，在1 m/d的水力負荷條件下，出水中的NH4-N濃度可普遍控制在5 mg/L以下，其中部分濕地單元可穩定控制在2 mg/L以下。可見人工濕地對于NH4-N的去除能力較強，可以處理到較低的濃度。分析其原因，隨著植物的不斷生長，一方面植物對NH4-N進行了吸收利用，另一方面，植物生長之后根系的輸氧能力和分泌能力為濕地中的硝化反應提供了足夠的氧氣和有機物，從而極大地促進了硝化作用的進行。

對各濕地單體進行橫向比較，可以看到濕地A、D、H在啟動運行初期即對NH4-N保持較高的去除能力，此時植物仍處于發芽期，去除能力的差異只能由各濕地單體中的填料導致。分析濕地A、D、H中的填料，濕地A、D均為100%沸石，濕地H為50%礫石+50%沸石，由圖5可以看到，A、D的去除能力要強于H，可見沸石對NH4-N有特異去除性，這一結果也與一般報道相符合。進一步分析其他濕地單體中的填料，濕地E、I中配比25%沸石、濕地F、G中配比50%的沸石，但這幾個濕地單體并未表現出有較強的NH4-N去除能力，其中濕地G常出現出水NH4-N濃度高于進水的情況。分析其可能原因，濕地I中沸石配比較低，濕地E、F、G中其他配比填料分別為爐渣和鋼渣，具有較高的堿度，從而影響了沸石對NH4-N的特異去除性。

因此可以認為，如需對NH4-N有較高的去除能力，可盡可能多采用沸石作為濕地填料；同時，沸石對NH4-N的去除能力受環境pH值的影響，堿度越高，去除能力越差。

（2）硝態氮

考慮到NO2-N為NO3-N的第一級還原產物，且在好氧條件下，NO2-N易被氧化為NO3-N，因此在該工程研究中對NO3-N和NO2-N作為硝態氮綜合考察。圖6為啟動運行期間各濕地單體進出水中硝態氮濃度變化曲線。

由圖5可以看到，人工濕地出水中硝態氮的濃度縱向變化較小，僅呈緩慢下降趨勢；橫向差異性也不大，除濕地F在4月到7月間顯著較低外，其余出水中硝態氮濃度一般在15 mg/L左右。由圖4可以看到，在整個過程中，人工濕地中的硝化反應在不斷加強，因此，雖然出水中的硝態氮濃度下降較慢，但實際上人工濕地中的反硝化反應在不斷加強。

3.3磷去除分析

一般認為，人工濕地對磷的去除主要通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收等途徑完成，以上途徑與濕地中的填料、植物以及微環境均有關系，其中填料的影響因素最大。

由于東區水質凈化廠的污水處理環節中無特定的除磷環節，二沉出水的TP濃度較高，一般在2.5 mg/L左右，根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002），TP的一級B標準為1.5 mg/L，一級A標準為1 mg/L，因此后續人工濕地深度處理過程中TP的去除壓力較大。圖7為啟動運行期間各濕地單體進出水中TP濃度變化曲線。

圖7　各濕地單體啟動運行期TP濃度變化曲線

由圖7可以看到，人工濕地進水TP濃度一般在2.2 mg/L以上，經過長期啟動運行之后，各濕地單元對TP均有一定的去除能力，出水中TP濃度可控制在1.5 mg/L左右。

考察整個過程中出水TP濃度，多數濕地單體呈現升高后降低的變化趨勢，其可能原因為：在啟動初期，填料對磷的吸附作用較大，但隨著吸附容量的不斷消耗，填料對磷的吸附截留能力下降，出水TP濃度有所提升；5月份以后，植物生長進入茂盛期，植物在生長過程中攝取了大量的磷，又有效降低了出水中的TP濃度。

對各濕地單體進行出水TP濃度的橫向對比，可以發現濕地G的出水TP濃度顯著偏低，其余濕地則差異不明顯。導致這一差異的可能原因只能為濕地所使用的植物和填料。從植物方面看，濕地G中原有植物為茭白，但成活率較低，其實際植物種類較多樣化，對磷有特異性吸收的可能性較小，而且從其他濕地單體對比情況看，不同植物對磷的吸收能力并不存在較大的差異。從填料方面看，一般研究認為，鋼渣中含有較多的重金屬離子，且pH值較高，有利于磷的物理截留。濕地G的填料配比了50%的鋼渣，從結果上看對磷的去除效果顯著。

因此可以認為，在該工程研究中，選用的鋼渣填料可顯著去除TP，而選用的植物對TP去除有一定的作用，但作用不顯著，且不同植物種類之間的差異性不大。此結論也與一般研究認可的濕地除磷機理相符合，即濕地除磷以填料截留為主，植物吸收為輔。綜上所述，以除磷為主要目的填料應滿足含有較多金屬離子、pH值較高兩個主要條件。

4　結　論

人工濕地的處理能力優秀，可有效用于污水廠二級出水的深度處理。在1 m/d的水力負荷下，人工濕地對COD有著較好的去除效率，在進水COD 50 mg/L下，COD平均去除率在40%以上，出水COD在30 mg/L以下；鋼渣填料對TP去除效果優秀，在進水TP 2.2 mg/L下，出水TP在0.5 mg/L以下；沸石填料對NH4-N去除效果優秀，在進水NH4-N 8～10 mg/L下，出水NH4-N在2 mg/L以下。

人工濕地具有建設運行成本低、耗能少、運行維護方便、對負荷變化適應性強、具有較強的氮磷去除能力以及美化環境等優點，在污水深度處理工藝中具有相當的推廣應用價值。

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1009-7716（2016）06-0160-04

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上海市楊浦區國家創新型試點城區建設與管理資金項目（2012YPCX03-001）

韓成鐵（1977-），男，吉林和龍人，工程師，從事給排水設計工作。