改良人工濕地強化污水處理廠尾水脫氮性能研究

張高軍，王永軍，魏玉朝，陳 璐，張寶珊，董亮亮，謝翼飛，王 臣

（1.蘭州新區城建工程有限公司，蘭州 730300；2.中國科學院成都生物研究所；3.四川省環境微生物重點實驗室，成都 610041）

隨著國家對環境保護的重視，黨的十九大報告把污染防治作為決勝全面建成小康社會的三大攻堅戰之一，將生態文明建設和環境保護工作推向了前所未有的戰略高度。水資源作為最大的剛性約束，再生水已成為全球公認的“第二水源”，而每年約有559.2 億m3的污水處理廠尾水被排放[1]，將其安全、生態回用是緩解水資源供需緊張、實現污水資源化的有效途徑之一[2]。

作為水體富營養化的主要限制性因素之一，氮素一直是學者研究和國家水質控制的主要污染指標[3]。20世紀90年代以后，中國許多集水區氮濃度迅速由原來的1 mg/L 上升至大于15 mg/L，人為原因造成的氮排入淡水的速度為每年1 450 萬t，約為安全排放閾值估值（每年520 萬t）的2.7 倍[4]。同時，污水處理廠尾水中氮素偏高也是限制其達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準的主要因素[5]。另外，即使污水處理廠出水達到一級A 標準，其氨氮、總氮的排放濃度也分別是《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水質標準的5～8倍、15 倍，大量污染物的排放勢必會加劇生態負擔，引起水體富營養化的風險[6]。因此，對污水處理廠尾水進行深度處理，展開提標脫氮研究是非常必要的。

人工濕地處理技術是一種通過植物、基質、微生物聯合作用去除水體中污染物的生態處理方法，其具有成本低、處理效果好、耐沖擊負荷強、運行管理簡單、景觀效果好等優點[7]，從而被廣泛應用于污水處理廠尾水的深度處理。但目前大多數研究表明[8-10]，僅通過人工濕地處理，出水水質大多僅能達到Ⅳ類標準，其超Ⅲ類水質標準的因子有氨氮和總氮。另外，污水處理廠尾水具有碳氮比低等特點，要向人工濕地中投加反硝化碳源，以提高氮素的去除效果，但這也會導致化學需氧量超標風險[11-12]。因此，本研究通過設置“硝化+反硝化”兩級串聯人工濕地和“硝化+反硝化+深度處理”三級串聯人工濕地的中試裝置，分析化學需氧量（CODCr）、氨氮、總氮在兩種工藝中的變化趨勢，研究污染物的去除效果，以使污水處理廠尾水深度處理后氮素可以達到Ⅲ類水質標準，為污水處理廠尾水提標脫氮工程的實施提供理論依據。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗設計

本試驗選用水平潛流人工濕地，為了比較不同級別人工濕地的串聯對污水處理廠尾水的處理效果，分別設置兩級、三級串聯人工濕地，單級人工濕地如圖1所示。其中，第一級人工濕地作為硝化池，加裝曝氣裝置；第二級人工濕地作為反硝化池，加裝碳源投加裝置；第三級人工濕地作為深度處理池，同樣加裝曝氣裝置。

圖1 單級人工濕地裝置

每級濕地的尺寸為230 cm×60 cm×100 cm（長×寬×高），其中布水區、集水區尺寸均為60 cm×40 cm×100 cm， 填料區尺寸為150 cm×60 cm×100 cm，水平潛流人工濕地基質從下往上依次是39 cm厚的火山石層、25 cm厚的鵝卵石層、5 cm厚的粗砂層、15 cm 厚的種植土層，運行水深為65 cm。種植層上統一種植挺水植物菖蒲和蘆葦，其中，菖蒲每個人工濕地種植18 株，蘆葦每個人工濕地種植12 株。

1.2 試驗方法

試驗地點位于四川省成都市某城鎮污水處理廠，進水水源為調節后的污水處理廠二沉池出水，其CODCr為15～25 mg/L，氨氮為2～3 mg/L，總氮為8～11 mg/L，平均水溫為17.16 ℃。進水和碳源添加均采用恒流蠕動泵方式，兩級串聯及三級串聯人工濕地日進水量分別為400 L/d、600 L/d，碳源添加量分別為15.38 g/d、23.08 g/d。試驗期間，檢測各級人工濕地出水的CODCr（重鉻酸鹽法）、氨氮（納氏試劑分光光度法）、總氮（堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）。

2 結果與分析

2.1 兩級串聯人工濕地對污染物去除效果的影響

2.1.1 對CODCr的去除效果

由圖2 可知，污水處理廠尾水中CODCr濃度為15～25 mg/L，經過第一級人工濕地處理4 d 后，CODCr濃度降低，保持在10～15 mg/L，CODCr去除率保持在12.39%～51.02%，出水達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅰ類水質。而在向第二級人工濕地布水區加入反硝化碳源時，前期出水CODCr含量較高，可能是由于加入的CODCr和人工濕地內部殘留CODCr含量大于反硝化所需CODCr的含量，從而導致前期二級人工濕地出水CODCr含量較高；當該裝置運行至第10 d 時，人工濕地內部CODCr被消耗完全，在反硝化菌的作用下，第二級人工濕地出水CODCr達到Ⅲ類水質標準，運行穩定后，CODCr去除率最高僅有30.61%，其濃度低于污水處理廠尾水的CODCr濃度，但高于第一級人工濕地出水CODCr。

圖2 兩級串聯人工濕地對尾水中CODCr 的去除情況

2.1.2 對氨氮的去除效果

由圖3 可知，調節后的污水處理廠尾水中氨氮濃度保持在2～3 mg/L，經過第一級人工濕地硝化處理后，氨氮濃度降低，保持在0.30～0.51 mg/L，氨氮去除率介于64.33%～97.42%，出水達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質。這與第一級人工濕地進水端曝氣，池內溶解氧充足為硝化菌提供了較好的反應條件，從而抑制反硝化作用的進行有關。而在經過第二級人工濕地后，整體氨氮濃度較第一級人工濕地出水氨氮濃度略有升高，尤其是第2 d、第4 d 氨氮濃度分別達到1.19 mg/L、1.16 mg/L，原因可能是在第二級人工濕地缺氧條件下，部分難降解有機物被降解，釋放氨氮，此時出水中氨氮去除率最高僅有82.16%。

圖3 兩級串聯人工濕地對尾水中氨氮的去除情況

2.1.3 對總氮的去除效果

由圖4 可知，污水處理廠尾水中總氮濃度保持在8～10 mg/L，經過第一級人工濕地處理后，總氮出水濃度介于6～8 mg/L，總氮去除率僅有8.15%～37.25%，這與其氨氮被硝化后不能被完全去除有關。經過第二級人工濕地處理后，由于添加一定量的碳源促進反硝化，總氮開始有大幅度的去除，在連續運行至第6 d 后，總氮濃度穩定維持在1 mg/L 以內，總氮去除率高，介于85.5%～94.60%，達到Ⅲ類水標準。

圖4 兩級串聯人工濕地對尾水中總氮的去除情況

2.2 三級串聯對污染物去除效果的影響

2.2.1 對CODCr的去除效果

由圖5 可知，經過第一級人工濕地處理8 d 后，CODCr濃度達到Ⅲ類水質標準，CODCr去除率保持在1.02%～35.71%；而在向第二級人工濕地布水區加入反硝化碳源時，其CODCr出水濃度與兩級串聯人工濕地的第二級人工濕地CODCr出水情況相似，前期出水CODCr含量較高，連續運行6 d 后，第二級人工濕地出水CODCr達到Ⅲ類水質標準；經過第三級人工濕地處理后，CODCr得到進一步深度處理，其CODCr濃度最低可達7.89 mg/L，CODCr去除率最高可達60.71%，連續運行8 d 后，人工濕地出水穩定達到Ⅲ類水標準。

圖5 三級串聯人工濕地對尾水中CODCr 的去除情況

2.2.2 對氨氮的去除效果

由圖6 可知，經過第一級人工濕地硝化處理后，氨氮濃度有所降低，其氨氮出水濃度在III～IV 類水質波動，明顯高于兩級串聯人工濕地的氨氮出水濃度，可能是由于三級串聯人工濕地日處理量較大，流速（600 L/d）較快，硝化不完全，導致出水氨氮濃度較高。經過第二級人工濕地處理后，其氨氮變化趨勢與兩級串聯人工濕地出水氨氮變化趨勢相似，均要高于第一級人工濕地出水氨氮濃度，可能是由于第二級人工濕地厭氧條件下部分有機物被降解而釋放氨氮。第三級人工濕地與第一級人工濕地作用相似，在充足溶解氧的供給下，可將第二級人工濕地出水中殘留的少量氨氮進一步硝化，第三級人工濕地氨氮出水可穩定達到Ⅱ類水質標準，去除率最高可達92.19%。

圖6 三級串聯人工濕地對尾水中氨氮的去除情況

2.2.3 對總氮的去除效果

三級串聯人工濕地對尾水中總氮的去除情況如圖7所示。由圖7 可知，經過第一級人工濕地處理后，總氮出水濃度與兩級串聯的第一級人工濕地出水濃度相似，介于6～8 mg/L，總氮去除率保持在9.87%～34.23%。經過第二級人工濕地處理后，總氮開始有大幅度的去除，總氮出水濃度維持在1 mg/L左右。由于三級串聯人工濕地日處理量較大（600 L/d），停留時間相對較短，三級串聯人工濕地中的第二級人工濕地總氮出水濃度要略高于兩級串聯人工濕地中第二級人工濕地總氮的出水濃度。但是，經過第三級人工濕地深度處理10 d 后，第三級串聯人工濕地的最終總氮出水濃度也能夠穩定達到Ⅲ類水標準，此時總氮的去除率高，保持在83.14%～94.60%。

圖7 三級串聯人工濕地對尾水中總氮的去除情況

3 結論

本文利用改良后的人工濕地，分別考察“硝化+反硝化”兩級串聯人工濕地及“硝化+反硝化+深度處理池”三級串聯人工濕地對污水處理廠尾水中氮素的去除效果。研究表明，污水處理廠尾水經過兩級串聯人工濕地、三級串聯人工濕地處理后，其CODCr、氨氮、總氮的去除率最高分別為30.61%、82.16%、94.60%和60.71%、92.19%、94.60%，出水均能穩定達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質。三級串聯人工濕地較兩級串聯人工濕地多了一個深度處理池，一方面可進一步降低水中CODCr含量，防止碳源添加帶來的二次污染，另一方面可深度去除水體中殘余的氨氮，進一步降低水體中氨氮對水生動物的毒性影響，污水處理廠尾水經三級串聯人工濕地處理后，氨氮出水均可達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅱ類水質。另外，三級串聯人工濕地處理量是兩級串聯人工濕地的1.5 倍，單日可處理更多的污水處理廠尾水，產生較高的經濟效益和社會效益。綜上所述，三級串聯人工濕地無論是在出水水質上，還是在日處理量上均要優于兩級串聯人工濕地，更適用于強化污水處理廠尾水深度脫氮效能，保障再生水回用生態安全。