人工濕地工藝在污水處理中的應用優勢分析

楊宗慧，李亞園，馬貴鵬，趙琦琳

(1.云南省環境科學研究院，云南 昆明 650034；2.昆明理工大學環境科學與工程學院，云南 昆明 650500；3.云南省環境監測中心站，云南 昆明 650034)

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人工濕地工藝在污水處理中的應用優勢分析

楊宗慧1，李亞園1，馬貴鵬2，趙琦琳3*

(1.云南省環境科學研究院，云南 昆明 650034；2.昆明理工大學環境科學與工程學院，云南 昆明 650500；3.云南省環境監測中心站，云南 昆明 650034)

【目的】研究人工濕地工藝在污水處理中的作用，明確人工濕地工藝運行機制，為污水處理行業提供借鑒。【方法】以實際監測數據就當前國內生活污水處理常用的氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝對CODCr、BOD5、SS、TP、TN這5項指標的處理現狀作了分析比較。【結果】人工濕地工藝相對于其它兩種工藝表現出了更加優秀的處理能力，CODCr、BOD5、SS、TP、TN等5項指標的去除率均相對較高。應用人工濕地工藝的污水處理廠CODCr、BOD5、SS、TP 等4項指標的年平均去除率均達到了90 %及以上，TN的去除率也可達80 %。【結論】從處理效果、投資及運營成本等各方面來看，人工濕地應用在中小型污水處理廠生活污水的處理中表現出突出的優勢。將人工濕地工藝運用在污水處理中可大大提高污水的處理效率，還可降低運行成本。

生活污水；人工濕地；氧化溝；ICEAS

【研究意義】 水是人類和其它生物的重要組成部分，也是人類賴以生存的重要條件之一。中國本身水資源是匱乏的，隨著社會的發展和人們生活水平的提高，人們對水的需求量不斷增加，但排出的廢水也越來越多。中國現階段的水體污染狀況不容樂觀。全國地表水總體為輕度污染，部分城市河段甚至達到了中重度污染。面對如此嚴峻的形式，我們除了應該考慮從源頭上采取措施減少生產、生活各個環節產生的廢水外，還應該解決廢水的處理問題。【前人研究進展】人工濕地工藝最早在國外始于1953年的德國Max Planck 研究所，該研究所的Seidel博士在研究中發現蘆葦能去除大量有機物和無機物，該發現標志著人工濕地污水處理的初步萌芽。隨后人工濕地處理污水技術不斷完善，并于20世紀80、90年代在歐洲、美國、加拿大、日本等地得到了廣泛的應用。中國進行人工濕地處理系統的研究較晚，在“七五”期間才開始人工濕地的研究工作，仍處于起步階段。目前人工濕地的研究和應用正方興未艾。當前，全國各省、市也都在積極的開展設計、規劃等工作。【本研究切入點】本研究以分別采用氧化溝工藝[1]、ICEAS工藝[2]及垂直流人工濕地工藝[3-4]的A、B、C 3縣的污水處理廠為研究對象。通過監測氧化溝工藝、ICEAS工藝和垂直流人工濕地工藝處理生活污水的CODCr、BOD5、TP、TN、pH、SS六項指標，計算每種指標的去除率(pH除外)，分析比較3種工藝處理的情況。【擬解決的關鍵問題】以現有的數據通過對比這3種普遍采用的污水處理工藝的優缺點，突出人工濕地處理工藝的優勢，并著重分析該工藝的污水處理情況，試圖解釋處理過程中一些突發現象并找出解決辦法，使現有的工程運行趨于完善、為其他工程提供借鑒[5-6]。

1 材料與方法

1.1 材料

以前期收集的采用氧化溝工藝的A縣污水處理廠、采用ICEAS工藝的B縣污水處理廠以及以垂直流人工濕地工藝處理生活污水的C縣污水處理廠提供的2011-2014年各月份的CODCr、BOD5、TP、TN、pH、SS6項指標的進出口濃度值為分析材料。

1.2 方法

1.2.1 污水處理工藝方法 (1)氧化溝是一種活性污泥處理系統，其曝氣池呈封閉的溝渠型，在水力流態上不同于傳統的活性污泥法，是一種首尾相連的循環流曝氣溝渠，又稱循環曝氣池，具有克服短流、提高緩沖能力、有明顯的溶解氧濃度梯度、特別適用于硝化-反硝化生物處理工藝、處理流程簡單、操作管理方便、出水水質好、工藝可靠性強、基建投資省、運行費用低等優點[7]。

(2)ICEAS工藝(Intermittent Cycle Extended Aeration)，間歇式循環延時曝氣活性污泥法)是將SBR反應池沿長度方向分為兩個部分，前部為預反應區，后部為主反應區，預反應區可起調節水流的作用，主反應區是曝氣、沉淀的主體。它具有占地面積小，土建投資少、設備少、能耗低、沉淀效果好、耐沖擊負荷、運行靈活等特點[8]。

(3)人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制地投配到經人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術[9]。而垂直流人工濕地在凈化污水尤其是脫氮除磷方面有較好的效果[10]。工藝流程如圖1。

圖1 人工濕地工藝簡易流程Fig.1 The simplified schematic of constructed wetland process

該工藝以耐沖擊負荷的碎石床作為一級濕地，將污染物去除效率高、水質的深度處理效果好的垂直流人工濕地作為第二級，形成了類型多樣、結構合理，優勢互補的低能耗綜合處理系統[11]。兩級濕地之間存在梯級坡降，表面也種植具有一定觀賞價值的水生、濕生植物，可提高整個處理系統的感觀效果，使人工濕地發揮多項綜合效益[12]。

1.2.2 數據分析方法 將A、B、C 3縣的污水處理廠所提供的數據進行處理分析，根據3個污水處理廠每月監測一次CODCr、BOD5、SS、TP、TN 5項指標的進出口濃度值算出各項指標月平均去除率，對數據全部處理后得出了氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝處理生活污水之后各指標的平均去除率，并作比較。從不同角度重點分析了人工濕地應用在污水處理中的效果。

2 結果與分析

2.1 不同工藝各項指標平均去除率的比較

從圖2可以看到，氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝對常規生活污水的處理均具有較理想的效果。其中人工濕地工藝相對于其它2種工藝表現出了更加優秀的處理能力，CODCr、BOD5、SS、TP、TN 等5項指標的去除率均相對較高。從平均處理生活污水能力來看，應用人工濕地工藝可以取得更為理想的效果。人工濕地不僅處理效果顯著，還具有建設運行費用低等優勢[13]，其投資成本大約為一般二級污水處理廠的1/3；運行成本僅為一般二級污水處理廠的1/6。這一系統日常運行管理維護只需一名兼職管理人員即可完成，是中小型污水處理廠的最佳工藝選擇[14-15]。

2.2 人工濕地工藝隨年份各項指標去除率的變化

C縣污水處理廠采用人工濕地工藝，對2011-2014年各月份處理生活污水的CODCr、BOD5、SS、TP、TN指標濃度值作分析后給出了年平均去除率，從圖3可以看出，C縣人工濕地工藝污水處理廠處理生活污水的能力在2011-2014年中第3年有一個下降再回升的過程，這是因為人工濕地在連續運行了3年后，由于污染物的積累以及凈化水質的植物達到飽和，處理能力出現了明顯的下降。這時采取更換人工植物，清理人工濕地系統的措施，第四年之后其處理能力又回升到原始處理水平。CODCr、BOD5、SS、TP 4項指標的年平均去除率均達到90 %左右，TN的去除率也接近80 %。該監測結果可以為以后及其它人工濕地處理系統提供一個借鑒參考，在條件允許的情況下，人工濕地系統清理及更換種植植物需2～3年/次或不定期。

圖2 不同工藝各項指標平均去除率Fig.2 The average removal rates of different processes

2.3 人工濕地工藝歷年隨月份各項指標去除率的變化

每年這幾項指標的去除率總體都呈現出一個先下降后上升的趨勢(圖4)，在1-5月由于氣溫較低，大部分植物的生長都比較緩慢，在水質污染指標不變的情況下濕地的去除率較差；但從6月開始進入植物生長繁殖期，濕地工藝的處理能力這時表現出快速增長的趨勢，第二年又轉入了能力下降趨勢。

圖3 人工濕地工藝隨年份各項指標去除率的變化Fig.3 The changes of the removal rates of the index with years in constructed wetland process

2.4 數據比較結果分析

一個污水處理廠一年交替應用2種工藝處理生活污水，其處理能力會大大提高。前半年可以使用處理能力相對較好的氧化溝工藝或ICEAS工藝，這時人工濕地系統可以得到休整，避免在處理能力較低時導致污染物的積累。后半年可以停用氧化溝工藝或ICEAS工藝，這時人工濕地系統正處于處理能力最好的時期，前半年系統也得到很好的自凈，后半年換用人工濕地處理生活污水不但不會降低處理能力，反而會增加。依此類推每年輪換工藝，這樣既提高了整個污水處理廠的處理能力和效率，也在一定程度上降低了成本，起到了一舉兩得的效果。

圖4 人工濕地工藝歷年隨月份各項指標去除率的變化Fig.4 The changes of the removal rates of the index with months in constructed wetland process

3 討 論

對于污水處理廠的人工濕地系統，運行2～3年后由于植物老化，污染物積累等因素出現能力下降的情況。在條件允許下，每隔2年左右對濕地系統作一次植物更換和清理。

單獨運用人工濕地工藝處理生活污水，在低溫季1-5月水生植物生長繁殖緩慢，污水處理廠的處理能力會下降，6月后才會回升。因此建議污水處理廠可考慮一年中的前半年和后半年分別采用兩種工藝，這樣，可大大提高全年的處理效率，還可降低運行成本。

4 結 論

文章對分別采用氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝的A、B、C 3縣的污水處理廠進行研究。監測生活污水進出口的CODCr、BOD5、SS、TP、TN 5項指標濃度變化，并重點探究了人工濕地處理生活污水能力的規律變化，各指標的分析結果表明濕地工藝的處理能力相對于氧化溝工藝和ICEAS工藝更略勝一籌。應用人工濕地工藝的污水處理廠CODCr、BOD5、SS、TP 4項指標的年平均去除率均達到了90 %及以上，TN的去除率也可達80 %。

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(責任編輯 王家銀)

Analysis on Advantages of Constructed Wetland in Sewage Treatment

YANG Zong-hui1，LI Ya-yuan1，MA Gui-peng2，ZHAO Qi-lin3*

(1.Yunnan Institute of Environmental Science, Yunnan Kunming 650034, China; 2.Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Yunnan Kunming 650500, China; 3.Yunnan Center of Environmental Monitoring, Yunnan Kunming 650034, China)

【Objective】The objective of this study is to clarify the role and the operation mechanism of artificial wetland process, and to provide reference for the sewage treatment industry. 【Method】 Actually monitoring data from three kinds of current domestic sewage treatment methods which are oxidation ditch process, ICEAS process and vertical flow of artificial wetland process were analyzed and compared in the paper.【Result】The removal rates of CODCr, BOD5, SS, TP and TN in artificial wetland process was relatively high, and this result shows that it has a better processing capability than the other two processes. The annual average removal rates of CODCr, BOD5, SS and TP in sewage treatment plants with artificial wetland process reached 90 %, and the removal rate of TN was up to 80 %.【Conclusion】From the aspects of processing effect, investment and operation cost, the application of constructed wetland has been outstanding in the treatment of domestic sewage in small and medium-sized sewage treatment plant. The use of artificial wetland process in sewage treatment not only can greatly improve the efficiency of sewage treatment, but also reduce operating costs.

Domestic sewage; Constructed wetland; Oxidation ditch; ICEAS

1001-4829(2017)7-1652-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.7.032

2015-07-19

2017年度云南省生態智庫建設項目“環境監測技術/(生態環境質量指標體系)在云南省地方政府綜合考評中的應用研究”

楊宗慧(1972-)，女，白族，云南大理人，高級工程師，本科，研究方向為環境影響評價及環境監測，E-mail：Yangzh126327@sina.com，*為通訊作者：趙琦琳，E-mail：615975026@qq.com。

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