自供碳尾水濕地構(gòu)建技術(shù)與應(yīng)用

張 淼， 趙德華

(南京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 江蘇 南京 210023)

濕地中氮去除的主要途徑是微生物硝化/反硝化作用，而污水處理廠常采用A/O工藝，在這一過(guò)程中消耗了大量的COD，特別是其中的BOD，使得污水處理廠尾水常存在碳氮比嚴(yán)重失衡問(wèn)題，造成尾水濕地中的反硝化的碳源不足，抑制反硝化微生物活性，降低氮去除效率[1-2]。此外，與一般濕地相似，尾水濕地常受到凈化能力季節(jié)性波動(dòng)大、冬季凈化能力不足等問(wèn)題的困擾，無(wú)法滿(mǎn)足尾水季節(jié)出水量相對(duì)均衡的凈化要求。

植物是人工濕地的重要組成部分，發(fā)揮著不可忽視的功能，有提升人工濕地水質(zhì)凈化效果、改善人工濕地景觀等功能，濕地植物群落構(gòu)建是人工濕地建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。此外，濕地植物還可通過(guò)根系分泌、有機(jī)殘?bào)w分解、淋溶等途徑為人工濕地補(bǔ)充碳源，提高人工濕地氮去除[3]。蘆葦、菰、菖蒲、再力花等作為目前人工濕地生態(tài)工程中最常用的水生植物種類(lèi)，這些水生植物的生長(zhǎng)旺盛期與反硝化細(xì)菌的活性旺盛期幾乎重疊，使得選擇的水生植物難以在微生物碳源需求旺盛期(春、夏季)提供足夠的碳源，當(dāng)前選擇的水生植物類(lèi)型及其配置往往會(huì)加劇濕地凈化能力的季節(jié)性波動(dòng)。因此，通過(guò)提高人工濕地中植物生物量，改善不同類(lèi)型植物配置，可進(jìn)一步發(fā)揮濕地植物供碳促進(jìn)氮去除的功能。

1 技術(shù)原理與流程

針對(duì)目標(biāo)水體碳氮比嚴(yán)重失衡、水體微生物反硝化能力不足的問(wèn)題，依據(jù)不同濕地植物的生長(zhǎng)-衰亡周期有序交互的特點(diǎn)，開(kāi)展不同物候期植物組合型人工濕地構(gòu)建技術(shù)研究，結(jié)合耐鹽、耐水位波動(dòng)及高效凈化水生植物篩選研究的成果，研發(fā)適用于長(zhǎng)江中下游重污染地區(qū)物候期互補(bǔ)的人工濕地植物群落構(gòu)建技術(shù)，利用暖季型植物在秋冬季和冷季型植物在春夏季的自然衰亡分解有序地向低碳氮比污水補(bǔ)充有機(jī)碳源，以提高目標(biāo)水體碳氮比，促進(jìn)水體微生物的反硝化過(guò)程，增強(qiáng)水生態(tài)工程的凈化效果和季節(jié)功能穩(wěn)定性。自供碳尾水濕地構(gòu)建路線見(jiàn)圖1。

圖1 基于濕地植物供碳功能的自供碳尾水濕地構(gòu)建路線

2 技術(shù)構(gòu)成

2.1 濕地植物供碳周年模式構(gòu)建

濕地植物生長(zhǎng)狀態(tài)、化學(xué)組成、生物生產(chǎn)量及其可提供碳源量及動(dòng)態(tài)受多種因素的影響，導(dǎo)致濕地植物周年供碳動(dòng)態(tài)必然存在極大的時(shí)空異質(zhì)性。但是，根據(jù)一個(gè)地區(qū)的大量研究結(jié)果，可歸納出一個(gè)具有相對(duì)普適性的模式。圖2所示為長(zhǎng)江中下游地區(qū)暖季型濕地植物和冷季型濕地植物周年供碳模式[3]。結(jié)果表明，暖季型濕地植物和冷季型濕地植物的周年供碳模式存在較大差異，且兩類(lèi)濕地植物間存在互補(bǔ)性特征。因此，通過(guò)在人工濕地系統(tǒng)中同時(shí)配置這2種濕地植物，可實(shí)現(xiàn)周年內(nèi)的穩(wěn)定性供碳，降低其波動(dòng)性。

圖2 暖季型(左)和冷季型(右)濕地植物有機(jī)質(zhì)供給量季節(jié)變化動(dòng)態(tài)

2.2 供碳與凈化效果評(píng)估

濕地植物的供碳動(dòng)態(tài)是植物類(lèi)型、各種環(huán)境因子和人工管理措施等多種因素綜合影響的結(jié)果，影響植物光合作用和植物殘?bào)w分解的各種因素均可以影響濕地植物的供碳動(dòng)態(tài)，而植物的供碳量直接影響人工濕地的凈化效果。因此正確評(píng)估濕地植物的供碳量與凈化效果對(duì)其在工程中的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。

為了對(duì)濕地植物周年供碳與凈化效果進(jìn)行評(píng)估，分別設(shè)計(jì)冷季型水生植物冬季凈化效果評(píng)估與近常綠型水生植物冬季凈化效果評(píng)估小試實(shí)驗(yàn)，以暖季型水生植物黃菖蒲和冷季型水生植物菹草組合，以及冷季型水芹菜和暖季型水生植物黑藻組合為研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象，評(píng)估基于不同物候組合的人工濕地凈化效果。

暖季型水生植物黃菖蒲和冷季型水生植物菹草組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同物候組合在春夏季可顯著提升人工濕地硝氮與總氮去除效率，NO3和TN去除率由對(duì)照的41.6%和70.2%提升至68.6%和83.7%，而出水由對(duì)照的3.08 mg/L和4.94 mg/L降至1.04 mg/L和3.12 mg/L；而在菹草殘?bào)w分解前期，NO3和TN去除率分別可達(dá)82.9%和89.4%，質(zhì)量濃度分別為0.53 mg/L和2.38 mg/L[4]。表明在尾水濕地碳氮失衡較為嚴(yán)重的春夏季，冷季型和暖季型水生植物組合可顯著提升氮去除效率。

冷季型水芹和暖季型水生植物黑藻組合實(shí)驗(yàn)表明，不同物候組合在秋冬季可顯著提升人工濕地NO3與TN去除效率，TN去除率可由對(duì)照的2.0%和25.8% 提升至44.8%，而NO3去除率可由對(duì)照的14.9%和25.7%提升至48.9%[5]。表明，不同物候型水生植物組合可實(shí)現(xiàn)提升人工濕地低溫季節(jié)污染物去除效率，并有效降低常用暖季型水生植物殘?bào)w在秋冬季集中分解引起的二次污染問(wèn)題。

2.3 復(fù)合處理系統(tǒng)構(gòu)建

人工濕地是將污水有控制的投配到一定長(zhǎng)寬比及地面坡度并種有水生植物的洼池中，按不同方式控制有效停留時(shí)間，并使污水沿著一定方向流動(dòng)，在物理、化學(xué)、生物三者協(xié)同作用下，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解等來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的目的，同時(shí)人工濕地還具有強(qiáng)大的生態(tài)修復(fù)功能，能夠改善小區(qū)域環(huán)境。人工濕地分類(lèi)方式較多，通常是按水流在濕地床體中的主導(dǎo)流向方式差異來(lái)分類(lèi)，一般分為2種：表面流人工濕地和潛流型人工濕地。

表面流人工濕地水流在基質(zhì)上流過(guò)，水力負(fù)荷較小，允許藻類(lèi)和浮葉植物在自由水體表面生長(zhǎng)，由于浮葉植物比挺水植物具有更高的光合活性，產(chǎn)生的氧氣可間接使二氧化碳轉(zhuǎn)移，降低水體pH 值，從而去除磷酸鹽和促使氨揮發(fā)，硝化強(qiáng)度較好，但也存在夏季容易滋生蚊蠅，處理負(fù)荷相對(duì)較低，去污能力有限等缺點(diǎn)。

潛流型濕地保溫效果好，衛(wèi)生條件也較好，能充分利用濕地的空間，發(fā)揮植物、微生物和基質(zhì)三者協(xié)同作用，但其投資成本較高。單一類(lèi)型人工濕地運(yùn)行效果差、溶氧水平低、氨氮處理效率低，且容易發(fā)生運(yùn)行問(wèn)題。

因此，將幾種不同類(lèi)型的人工濕地進(jìn)行串聯(lián)，組成復(fù)合人工濕地系統(tǒng)，這種組合不僅延長(zhǎng)了污水的停留時(shí)間，提高污染物的凈化效率，同時(shí)還增加了系統(tǒng)的抗負(fù)荷能力和穩(wěn)定性，能夠有效防止?jié)竦鼗|(zhì)堵塞現(xiàn)象。結(jié)合工程需要，利用水生植物提高碳氮失衡尾水濕地TN去除率，構(gòu)建一個(gè)復(fù)合處理系統(tǒng)，該復(fù)合處理系統(tǒng)包括穩(wěn)定塘——表面流濕地——生態(tài)輸水渠——水平潛流濕地4個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間通過(guò)各工藝依次串聯(lián)，如圖3所示。

2.4 工藝要求

復(fù)合處理系統(tǒng)中，穩(wěn)定塘水深3.0～4.0 m，生態(tài)輸水渠最深不超過(guò)1.5 m，表面流濕地水深0.3～1.5 m；(穩(wěn)定塘+生態(tài)輸水渠+表面流濕地)與水平潛流濕地面積比大于5∶1，水力停留時(shí)間2～4 d。

水生植物群落實(shí)行冷季型和暖季型植物間種，總面積比為2∶1。水生植物群落具體配置方式：穩(wěn)定塘岸邊淺水區(qū)挺水植物以蘆葦、花葉蘆竹、香蒲和水生鳶尾為主，浮葉植物以銅錢(qián)草為主，浮床植物以冷季型的水芹為主，植物總體覆蓋度大于20%；生態(tài)輸水渠水生植物群落包括沉水植物和挺水植物，其中，沉水植物包括菹草和穗花狐尾藻，挺水植物以蘆葦、花葉蘆竹、香蒲和水生鳶尾為主，水面水生植物蓋度在30%～50%之間；表面流濕地水生植物包括蘆葦、花葉蘆竹、香蒲和水生鳶尾；水平潛流濕地水生植物群落以蘆葦和水生鳶尾為主。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 示范工程簡(jiǎn)介

該技術(shù)應(yīng)用于《南水北調(diào)東線沿線城市洪澤區(qū)尾水收集處理及利用工程二期》(下稱(chēng)《二期工程》，相對(duì)應(yīng)的前期工程《南水北調(diào)東線沿線城市洪澤尾水收集處理及利用工程》稱(chēng)之為《一期工程》)，該工程立項(xiàng)背景為：隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污水處理廠尾水排放引起的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，通過(guò)生物-生態(tài)處理技術(shù)對(duì)污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的尾水進(jìn)行收集、處理和再利用，減少污染物排放量，減輕水環(huán)境壓力，是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要舉措。洪澤尾水收集處理及利用工程利用寧連高速公路東側(cè)天然的綠化用地對(duì)洪澤污水處理廠尾水進(jìn)行處理和再利用，項(xiàng)目的實(shí)施能夠有效改善白馬湖水生態(tài)環(huán)境，有利于保障南水北調(diào)東線工程調(diào)水水質(zhì)及淮安市區(qū)飲用水安全。

圖3 復(fù)合處理系統(tǒng)平面圖

2011年3月洪澤區(qū)尾水收集處理及利用工程一期完工并投入試運(yùn)行，項(xiàng)目利用洪澤區(qū)內(nèi)寧連高速公路東側(cè)，蘇北灌溉總渠以南，寬約500 m、長(zhǎng)約6 500 m的地塊，建設(shè)人工濕地、穩(wěn)定塘等，對(duì)污水處理廠尾水進(jìn)行生物-生態(tài)處理，處理后的尾水一部分用于農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)補(bǔ)水，多余水穿越蘇北灌溉總渠排入入海水道。

《二期工程》立項(xiàng)主要基于2個(gè)方面的考慮。一是為了進(jìn)一步擴(kuò)大尾水處理規(guī)模(從一期的每日60 000 t提升至每日100 000 t)；二是在《一期工程》的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升尾水處理效果，擬在該項(xiàng)目當(dāng)前建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二期工程建設(shè)，進(jìn)一步地完善工程管護(hù)設(shè)施，提高項(xiàng)目運(yùn)行和管護(hù)水平，更好地發(fā)揮工程和生態(tài)環(huán)境效益，以打造江蘇水利科技示范教育基地和水資源綜合利用示范基地。

3.2 水生植物群落恢復(fù)效果

示范工程建成運(yùn)行后，對(duì)示范區(qū)各監(jiān)測(cè)區(qū)段的水生植物群落進(jìn)行調(diào)研。不同監(jiān)測(cè)區(qū)段的水生植物物種數(shù)量以及生物量均有大幅度提高(表1～2)。與示范工程建設(shè)前相比，1#曝氣塘水生植物物種數(shù)增加了11種，生物量增加了87.2%；生態(tài)廊道水生植物物種數(shù)增加了5種，生物量增加了32.5%；1#兼性塘水生植物物種數(shù)增加了7種，生物量增加了12.6%；南線工程表面流濕地水生植物物種數(shù)增加了9種，生物量增加了32.9%；輸水渠水生植物物種數(shù)增加了5種，生物量增加了6.18倍；潛流濕地水生植物物種數(shù)增加了3種，生物量增加了38.9倍。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究研發(fā)了自供碳尾水濕地構(gòu)建技術(shù)，形成了該新型技術(shù)應(yīng)用流程。通過(guò)構(gòu)建長(zhǎng)江中下游地區(qū)不同類(lèi)型濕地植物周年供碳模式，以及評(píng)估不同類(lèi)型濕地植物配置的效果，表明暖季型和冷季型濕地植物配置可極大提高人工濕地氮的去除效率。進(jìn)一步，將該技術(shù)體系成功應(yīng)用于大型尾水濕地工程，提升了尾水濕地植物生物量，取得了良好的景觀效果。該技術(shù)的成功應(yīng)用可為正在興起的污水處理廠尾水濕地提供良好的示范，保障尾水濕地正常運(yùn)行，提升尾水濕地工程效益和生態(tài)環(huán)境效果。

表1 2014年尾水濕地不同單元水生植物面積與生物量

表2 2017年尾水濕地不同單元水生植物面積與生物量

續(xù)表2 2017年尾水濕地不同單元水生植物面積與生物量