人工濕地對危險廢物處理站尾水處理效果評價

毛雪慧，易科浪

(深圳市碧園環保技術有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著城市化和工業化進程的加快，我國危險廢物的產生量也呈現快速增長的現狀。而危險廢物具有易燃性、腐蝕性、化學反應性、毒害性、爆炸性反射性及傳染性等危害特性，并以其特有的性質對環境產生污染。危害爆發不僅會使人畜中毒，引發燃燒和爆炸事故，還會污染大氣，并且可以通過雨雪滲透土壤、地下水，由地表徑流將污染帶入江河湖海，從而造成長久的、難以恢復的隱患及后果。

人工濕地是設計和構建的工程化系統，利用濕地植被、土壤介質及其相關微生物相關組合的自然功能在受控制的環境中進行廢水處理(Kadlec，2009)。由于其具有污染物去除效果好、安裝和維護成本相對較低、操作簡單、水和養分重復利用潛力大(Prochaska et al.，2007；張驍棟等，2016)等特點，人工濕地被運用于許多類型的廢水，包括工業廢水(Comino et al.，2011；楊旭等，2013)、農業徑流(Zhang et al.，2017)、湖水(Martin et al.，2013)、垃圾滲濾液(Speer et al.，2012)、暴雨徑流(Heyvaert et al.，2006)和泥炭提取流出物(Postila et al.，2015)等。

經危險廢物處理站中現有的高鹽廢水處理系統處理后，仍含有一定的CODCr、NH3-N、TP、鹽度，不滿足危險廢物處理廠區對出水水質的要求----地表水Ⅳ類標準。本研究以危險廢物處理的尾水為研究對象，針對水質不達標的問題，采用人工濕地進行深度處理該廢水。通過構建活性炭人工濕地、沸石人工濕地、鋸木屑人工濕地和砂石人工濕地，對比分析不同填料人工濕地對高鹽有機廢水的處理效果，為危險廢物處理的廢水深度處理提供一種可行方案。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

本試驗工藝流程圖見圖1。

圖1 垂直流人工濕地工藝流程圖

首先將前段生化系統出水用潛水泵抽入進水儲存水箱，然后分別自流進入不同填料的人工濕地，通過布水管布水，污水經過人工濕地的凈化處理后，由濕地底部出水排往出水收集箱。

(1)進水存儲水箱。儲存前段工藝處理產生的尾水，采用PE桶，基座底部與濕地頂面平行，數量2個，單個容積2 m3。

(2)人工濕地。人工濕地系統占地面積18 m2，分為對照組人工濕地、活性炭人工濕地、沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地，共計四組池子。每組濕地池高度為1.5 m，磚砌結構，均設置單獨的進出水管道系統，鋪設防滲膜。

對照組面積6 m2，活性炭人工濕地、沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地為特殊填料池，均為4 m2。特殊填料池從上到下填料層分布為砂石層0.4 m，特殊填料層0.4 m，砂石層0.4 m，碎石層0.3 m。而對照組人工濕地填料從上到下填料層分布為砂石層0.4 m，砂石層0.4 m，砂石層0.4 m，碎石層0.3 m。

在活性炭、沸石、鋸木屑三組特殊填料人工濕地池中，均種植蘆葦、花葉蘆荻、蜘蛛蘭、鳶尾、香根草、紙莎草、千屈菜、風車草、水蔥、海桑、白骨壤、秋茄、拉關木、怪柳14種植物，在對照組人工濕地中則種植蘆葦、花葉蘆荻、蜘蛛蘭、鳶尾、香根草、紙莎草、千屈菜、風車草、水蔥、怪柳10種植物。

(3)出水收集箱。儲存工藝處理產生的尾水，采用PE桶，地上儲存，數量4個，容積1 m3。

1.2 進出水質及運行時間

本試驗的進水標準是《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A，設計進水水質為流量Q=0.5～2 t/d，COD=80～100 mg/L，NH3-N=3～5 mg/L,TP含量：0.5～1.5 mg/L，pH值：6.0～9.0。

試驗分3個階段，每個階段運行2個月。第一階段向4組人工濕地進水，平均每天進水量最小為0.5 m3，最大為2 m3；第二階段向活性炭人工濕地和對照組人工濕地進水，平均每天進水2 m3；第三階段向沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地進水，平均每天進水量最小為0.83 m3，最大為2 m3。為了模擬連續進水條件，通過設置時間控制器控制進水時間和進水量。

1.3 現場采樣及水樣分析

試驗期間每3 d進行1次采樣，按照工藝流程，采集進水、人工濕地出水、對照人工濕地出水樣，每個采樣口采集2瓶水樣(檢測時均勻混合)。送實驗室檢測CODCr、氨氮、總磷等指標。水樣分析按照《水和廢水檢測分析方法》(第4版)進行，并做平行樣，其中CODCr按照《水質 化學需氧量 重鉻酸鉀法》(HJ828-2017)測定，氨氮按照《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ535-2009)測定，總磷按照《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB11893-89)測定。

2 結果與分析

2.1 不同水力負荷下人工濕地對污染物的去除能力定量分析

2.1.1 不同水力負荷下人工濕地對CODCr去除能力分析

在數據處理時，分兩個階段的CODCr進水濃度和水力負荷，分別為：①水力負荷0.1m/d(低負荷)；② 水力負荷0.2 m/d(高負荷)；③ CODCr≤30 mg/L(低濃度)；④ 30

圖2 不同水力負荷及特殊填料人工濕地CODCr去除率

從圖2表明，四種填料人工濕地對CODCr的去除能力大小排序為：活性炭>沸石>砂石>鋸木屑；活性炭和沸石對CODCr的去除能力最為顯著，其次為砂石，鋸木屑最差，該結果的主要原因是由基質特性導致。沸石中由于帶有金屬離子，可對極性有機物具有較強的吸附能力，而活性炭則對非極性有機物的吸附能力較強。(鄧慧萍，2004)在低負荷低濃度第10次采樣前，鋸木屑對CODCr的去除率均為負值，使前幾次出水CODCr值高于進水，最主要的原因可能是木屑在微生物的作用下不斷分解，釋放出來的碳源沒有被及時消耗掉而隨污水流出。盡管在后期試驗中，鋸木屑組對CODCr也表現出一定的去除率，但鑒于鋸木屑具有釋放碳源的不可控因素，為保證濕地運行具有穩定去除率，不建議使用鋸木屑作為特殊填料。同時，研究表明，活性炭對有機物的吸附能力強于沸石，特別是在高濃度進水下，這是因為沸石在水中，極性有機物難于與水(強極性)的吸附位進行競爭，故對極性有機物的吸附能力得不到體現。而活性炭易吸附水中的非極性或弱極性有機物，體現出對有機物的良好吸附能力(鄧慧萍，2004)。

2.1.2 不同水力負荷下人工濕地對NH3-N去除能力分析

不同水力負荷下四組人工濕地對NH3-N的絕對去除率由圖3所示。低負荷低進水濃度(NH3-N≤5 mg/L)和高NH3-N進水濃度(NH3-N>5 mg/L)下，沸石組>活性炭>砂石>鋸木屑；高負荷低氨氮進水濃度和高氨氮進水濃度下，活性炭>砂石；高負荷高氨氮進水濃度下，沸石>鋸木屑。同時比較同一階段內，高氨氮進水濃度時人工濕地對NH3-N的去除率均高于低進水濃度。同一組人工濕地，在高水力負荷下對氨氮的去除率高于低水力負荷。

圖3 不同水力負荷及特殊填料人工濕地NH3-N去除率

在試驗前期，四組人工濕地對氨氮的去除率均低于后期，出現此現象的原因可能在于人工濕地運行前，并沒有接受過含鹽廢水，其中的微生物受到鹽分的沖擊，適應性差，導致死亡，造成有機氮的釋放，另外加上系統中可利用碳源量不足，限制了反硝化過程。同時，沸石具有選擇性吸附氨氮的特點，同時其表面也可形成生物膜而使氨氮的去除能力得到提高。而活性炭主要通過生物硝化作用去除氨氮，生物生長存在一定的周期，生物量不可能隨著進水濃度的大幅度變化而做出迅速改變，所以其緩沖能力較弱(鄧慧萍，2004)。

2.1.3 不同水力負荷下人工濕地對TP去除能力分析

不同水力負荷、不同進水濃度下四種填料人工濕地對TP的去除率圖4所示。由圖4可知，隨著水力負荷的增加，砂石、活性炭、鋸木屑填料的人工濕地對TP的去除率增加，沸石填料的人工濕地對TP去除率降低；同時隨著進水TP濃度的增加，人工濕地對TP的去除率也增加。

圖4 不同水力負荷及特殊填料人工濕地TP去除率

從圖4表明，四種填料人工濕地對TP的去除能力大小排序為：沸石>砂石>活性炭>鋸木屑，但此排序結果規律并不顯著，影響因素包括：水力負荷、進水TP濃度、TP測定方法等。人工濕地對磷的去除包括植物吸磷、生物除磷、磷在基質中的吸附沉淀等過程。雖然在進水鹽度的抑制下，植物及微生物的吸磷會受到一定程度的抑制，但是由于人工濕地除磷的主要途徑是通過使污水中的磷吸附于基質并與基質中的鐵、鋁、鈣等金屬離子形成磷酸鹽的沉淀而除磷。根據前人的研究結論，濕地中磷的去除與填料性能關系密切，污水中70%～87%的磷是通過填料的吸附、絡合、累積作用以及與Ca2+、Fe3+、Al3+和土壤顆粒生成不溶性磷酸鈣從廢水中沉淀下來(秦娟娟，2014)。

2.2 不同水力負荷下人工濕地對污染物的去除能力定性分析

將1%～10%的去除率賦值1分，10%～20%的去除率賦值2分、20%～30%賦值3分、30%～40%賦值4分，40%～50%賦值5分、50%～60%賦值6分、60%～70%賦值7分、70%～80%賦值8分、80%～90%賦值9分、90%～100%賦值10分。

圖5 4組人工濕地去除率得分圖

根據4組人工濕地對CODCr、NH3-N、TP的總去除率，得到如圖5所示去除率得分，其中4組人工濕地對3種污染物的去除率得分排序為：活性炭組>砂石組>沸石組>鋸木屑組。得分結果顯示，活性炭填料人工濕地的污染物去除率最高，鋸木屑最低，沸石和砂石效果居中。作為人工濕地特殊填料的篩選，可選擇活性炭和沸石。同時由于本試驗期間TP去除效果不是很好，根據相關文獻及工程經驗，可考慮在特殊填料下層添加100 mm石灰石，原理是石灰石主要成分為CaO，CaO溶出鈣離子可以與水中的磷結合，生成溶解度較小的沉淀物，從而去除污水中的磷(曾雪梅，2014)。

2.3 高鹽廢水中植物的生長狀況

在低負荷低濃度時，鹽度為1.13%～1.38%(平均鹽度1.23%)的4組人工濕地，蜘蛛蘭=蘆葦=香根草=怪柳>花葉蘆荻>水蔥>風車草>白骨壤=秋茄>鳶尾>拉關木>紙莎草=千屈菜=海桑，其中蜘蛛蘭、蘆葦、香根草、怪柳存活率為100%，紙莎草、千屈菜、海桑無法在人工濕地里生存。

在高負荷高濃度時，鹽度為1.14%～1.59%(平均鹽度1.3%)的砂石人工濕地和活性炭人工濕地中，紅樹類植物、鳶尾、水蔥在兩組人工濕地中均全部枯萎，只剩下蜘蛛蘭、蘆葦、香根草、怪柳、花葉蘆荻和風車草6種植物。沸石人工濕地和鋸木屑人工濕地中，只剩下蘆葦、花葉蘆荻、香根草等3種植物。

在低負荷低濃度下，沸石人工濕地的植物存活率(64.29%)>鋸木屑(59.64%)>活性炭(50%)。植物無法在活性炭基質中良好生存，原因可能是由于活性炭顆粒大，基質無良好保水性，對植物的生長不如顆粒小的沸石、鋸木屑和砂石。濕地加大水力負荷后，多種植物死亡，比如紅樹類、鳶尾、水蔥等，最后僅存的幾種耐鹽植物為蘆葦、花葉蘆荻、香根草。本試驗14種植物在高鹽度廢水中的生長狀況分析，不同植物呈現不同的生長狀況，可能由于不同植物的耐鹽機理不同，如避鹽、耐鹽性，植物耐鹽機理較復雜(聶莉莉，2008)。

本試驗4組人工濕地對鹽度的去除能力有限，在低負荷低濃度時，對鹽度的平均去除率為13.16%～18.57%；到高負荷高濃度時，多種濕地植物無法生存、枯萎，對鹽度的去除率急劇下降，很多出水鹽度濃度反而增加。

3 結 論

(1)通過本試驗中試研究結果表明垂直流人工濕地對高鹽廢水中有機物、氮、磷、重金屬等污染物均有一定的去除效果，說明垂直流人工濕地技術可運用于高鹽廢水處理中。

(2)通過試驗篩選高鹽廢水中垂直流人工濕地植物，得出蘆葦、花葉蘆荻和香根草長勢最好：蜘蛛蘭、風車草、怪柳長勢一般；紅樹林類植物、鳶尾、紙莎草、千屈菜和水蔥長勢較差，在試驗后期枯萎。在以后工程的應用中，可選擇蘆葦、花葉蘆荻和香根草為高鹽廢水濕地植物。

(3)本試驗垂直流人工濕地填料從上到下填料結構為砂石層0.4 m、特殊填料層0.4 m、砂石層0.4 m、碎石層0.3 m；特殊填料為活性炭和沸石；為增強特殊填料對CODCr、NH3-N的去除作用，宜將0.3 m鋪設在原來的位置，包裹植物根系，0.1 m鋪設在上層布水管管溝中。為增加人工濕地對TP的去除效果，可在碎石層中混合鋪設0.1 m石灰石。

(4)垂直流人工濕地處理高鹽廢水，當濕地進水穩定在一級A排放標準時，垂直流人工濕地出水能達到地表水Ⅳ類出水標準，在工程擴大應用中，為保證出水效果，建議進水水力負荷不大于0.25 m/d。

(5)運用人工濕地技術處理危廢高鹽廢水具有重要的意義：尾水相對于一般污水(廢水)而言處理的難度高很多，該項目的實施可以提供一種新的有效的尾水深度處理方法，為后期實際工程的建設提供指導及依據。

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