固相碳源反硝化強化人工濕地水質凈化技術應用研究

謝含軍，高豆豆

（寧波市政工程建設集團股份有限公司，浙江 寧波 315000）

引言

隨著國家大力提倡海綿城市建設以提升城市水環境質量與安全，人工濕地逐漸發展為河道水質凈化的一項重要技術手段[1]。根據國內工程實際案例，人工濕地長時間的運行，容易出現填料堵塞以及出水水質不穩定的現象，影響濕地填料脫氮除磷的效果。這種現象不僅會影響水的流速，而且會影響水的復氧以及微生物的活性，進而影響到處理效果。

一般來說，人工濕地對BOD、COD的去除效果較好[2]。在生活污水、污水處理廠尾水、景觀水體和面源污水的治理中，針對尾水氮元素超標且碳氮比較低的現狀，采用人工濕地處理技術進行深度處理，而碳源是限制人工濕地脫氮效率的最主要因素[3-5]。此過程中，生物硝化反硝化被認為是污水脫氮中最為經濟有效的途徑，卻常因碳源不足導致反硝化過程無法順利進行[4]。目前常通過投加葡萄糖、乙酸鈉等來提供反硝化過程所需碳源，但該投加方式易導致投加過量或不足的情況，并存在液體碳源的運輸、儲存等風險[5]。

因此，推行一種技術可行、效果顯著、成本可控的反硝化技術成為深度脫氮領域的迫切需求。

1 研究思路和內容

1.1 研究思路

本文的整體研究思路：針對低C/N 特征的污染水體，將新型固相碳源投加到傳統人工濕地中，以提高人工濕地系統中高難度氮污染物的去除率。

1.2 研究內容

為契合海綿城市建設布局，寧波市在江北區水系整治及綜合提升工程中融入海綿城市建設理念，結合項目實際河道現狀問題，將海綿化建設融入河道水系整治提升中。本研究在原設計方案的基礎上，在傳統人工濕地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脫氮技術處理單元。

在人工濕地原設計布設中增設“固相反硝化強化濕地脫氮技術單元”。按800 mm×800 mm豎向插入管徑DN160 mm、高1 050 mm的PVC穿孔管，其內填充固相碳源反硝化技術填料。與濕地中原有填料相比，所投加的固相碳源反硝化技術填料不僅可以作為生物膜附著生長的載體，提高單位面積人工濕地中微生物的數量，其分解后釋放的小分子有機物還能夠為微生物提供新陳代謝和反硝化過程所需的碳源，顯著提高變形菌門、擬桿菌門和螺旋菌門的活性及相對豐度[5]。同時，固相碳源表面生長的生物膜有助于形成“好氧-兼性好氧-厭氧”的溶解氧分布梯度，進而實現“固相反硝化強化濕地脫氮技術單元”對水體中氨氮和硝酸鹽氮的有效去除[7]。脫氮途徑詳見圖1。

圖1 固相碳源反硝化強化人工濕地脫氮途徑

“固相反硝化強化濕地脫氮技術單元”的設計處理水量為1 090.32 m3/d，水力停留時間為3天，每27天可完成一次河道中水體的更新和深度處理，該技術單元穩定運行后的年處理水量為398 697 m3，污染物消減量為COD 5 250.53 kg/a、氨氮583.18 kg/a，總磷143.53 kg/a，總氮2 522.88 kg/a。

固相碳源反硝化強化濕地脫氮系統主要材料配置具體見表1。

表1 主要材料配置表

1.2.1 濕地填料層+種植層

本研究中濕地填料層分為A、B、C、D四種填料。分別為粒徑為15～20 mm級配碎石、體積比為1∶2的粒徑10～15 mm的碎石和沸石混合物、體積比為1∶2的粒徑10～15 mm的碎石和生物陶?；旌衔锝M成、粒徑為10 mm碎石。種植層為150 mm粘土+50 mm中粗砂，有利于植物生長。

1.2.2 固相碳源

本研究選用新型固相反硝化脫氮填料，此主體材料采用高分子可生物降解材料（見表2固相反硝化脫氮填料性能參數），可以作為微生物反硝化過程的附著載體，使用過程中無有毒有害物質溶出，同時可有效降低水體中農藥等污染物?？紤]河道運維時間長，該填料具備作用長效、持久、穩定的特性，以減少更換次數。

表2 固相反硝化脫氮填料性能參數

2 基于固相碳源人工濕地污染物去除特性

2.1 系統運行工況與水質特征

本研究設置2種人工濕地系統，分別為優化前的人工濕地、優化后強化人工濕地。優化后的人工濕地僅增加“固相反硝化強化濕地脫氮技術單元”，對應水力停留時間、進水流量等變量均保持一致。

本研究對2種濕地系統分別于2021年1月至2021年12月運行時間段的進出水進行取樣，通過對比研究兩系統的水質凈化效果，可以考察兩種系統去除污染物效果。

2.2 監測指標和方法

監測指標包括NH3-N、COD。測定溶解性指標前先將水樣經過0.45 μm濾膜過濾。測定方法及使用儀器型號如表3所示。

表3 水質指標監測方法及使用儀器

2.3 氨氮

進出水中氨氮是氮素污染物的主要形式，通過對比2021年1月—2021年12月的2種人工濕地系統進出水氨氮濃度（mg/L）數據得知，曹隘河、前王河、徐家莊小河、后王河1—12月份進水氨氮平均濃度分別為1.975 mg/L、2.126 mg/L、3.363 mg/L、2.242 mg/L。優化前的人工濕地系統1—12月出水氨氮平均濃度分別為0.896 mg/L、0.973 mg/L、2.152 mg/L、1.492 mg/L，平均去除率分別達到56.4%、54.2%、36.0%、33.4%，效果良好。優化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）系統1—12月出水氨氮平均濃度分別為0.763 mg/L、0.770 mg/L、1.494 mg/L、1.247 mg/L，平均去除率分別達到61.4%、63.8%、55.6%、44.4%，效果相對優化前的表現極佳。具體數據對比，詳見表4。

表4 2種人工濕地系統對氨氮去除效果對比表

由上表數據對比可知，四條河在不同時間段的進水氨氮濃度波動范圍較大，2種人工濕地系統對氨氮去除都比較穩定，并且優化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）的去除效果明顯高于優化前的人工濕地。

2.4 有機物

通過對比2021年1月至2021年12月2種人工濕地系統進出水COD濃度（mg/L）數據得知，曹隘河、前王河、徐家莊小河、后王河1—12月進水COD平均濃度分別為15.378 mg/L、15.505 mg/L、15.715 mg/L、15.573 mg/L。優化前的人工濕地系統1—12月出水COD平均濃度分別為12.420 mg/L、12.321 mg/L、11.965 mg/L、12.940 mg/L，平均去除率分別達到19.2%、20.5%、23.9%、16.9%，效果良好。優化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）系統1—12月出水COD平均濃度分別為11.884 mg/L、10.634 mg/L、11.064 mg/L、10.637 mg/L，平均去除率分別達到22.7%、31.4%、29.6%、31.7%，效果相對優化前的表現極佳。具體數據對比，詳見表5。

表5 2種人工濕地系統對COD去除效果對比表

由上表數據對比可知，盡管不同時間段的進水COD濃度波動范圍較大，但四條河的2種人工濕地系統對COD都比較穩定。此外，優化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）的去除效果明顯高于優化前的人工濕地。

3 研究結論

通過對4條河道采用固相碳源反硝化強化濕地水質凈化技術，進行近1年的長效運維管養，各條河道中污染物指標均降低到既定目標，且數據持續穩定，水質均達到V類水標準以上。

（1）實踐結果證明，對兩種污染源氨氮、COD的去除效果分析，優化后的“固相碳源反硝化脫氮技術單元”的出水水質優于優化前的人工濕地，且能達到地表水V類水標準的設計目標。

（2）通過上述研究及實踐應用工作證明，在原有濕地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脫氮技術處理單元，不但能為微生物提供反硝化過程所需碳源和營養，還能有效解決河道治理的主要水質問題，實現污染物高效降解的目標。

4 展望

固相碳源反硝化強化濕地水質凈化技術在江北區海綿城市水系整治及綜合提升工程中的應用，驗證了其實際應用性能，現場測試的一系列指標都滿足技術要求，工程應用表明，固相碳源反硝化強化濕地水質凈化技術具有較好的施工可操作性與應用效果[8]。

（1）不但能為微生物提供反硝化過程所需碳源和營養，還有效解決了河道治理的主要水質問題，實現污染物高效降解的目標。

（2）因地制宜解決工程改造，降低工程造價，最大程度避免影響河道周邊景觀、河道泄洪、通航以及中期清淤帶來的二次施工等問題。

（3）通過長效運維管養，逐步提升水體水質，修復河道生態系統、提高河道自凈能力，實現河道水質達標。

固相碳源反硝化強化濕地水質凈化技術表現出較大的優勢，工程應用效果較為顯著，值得推廣使用。在此，希望能夠為未來的類似工程提供一定的指導和借鑒。