曝氣-生態濕地組合技術提升水質的示范研究

摘要：本文以武漢市某水環境治理項目為例，采用曝氣-生態濕地組合技術，將生態曝氣塘與表流人工濕地合理結合，從而改善區域地表水水質，同時達到良好的景觀效果。工程主要涉及進水口改造、曝氣-生物菌劑聯合系統、連通管改造、植物生態系統以及運行管理。運行結果表明，出水氨氮（NH3-N）濃度為0.78 mg/L，總磷（TP）濃度為0.17 mg/L，化學需氧量（COD）為16 mg/L，透明度為65 cm。處理后，出水達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質標準。該組合工藝切實有效，能有效降低水中有機物、氨氮和總磷等污染物。

關鍵詞：曝氣-生態濕地組合技術；水質提升；生態曝氣塘；表流人工濕地

中圖分類號：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.050

Demonstration Study on the Combination Technology of Aeration and Ecological Wetland to Improve Water Quality

XIE Yu1， ZENG Fanhu1， LONG Ming1， GUO Yuping1， LI Qigao1， XU Jiefei2

（1. China First Metallurgical Group Co.， Ltd.， Wuhan 430080， China; 2. School of Resources and Environment Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract： Taking a water environment treatment project in Wuhan City as an example， this paper uses the combination technology of aeration and ecological wetland to reasonably combine the ecological aeration pond and surface flow constructed wetland， so as to improve the regional surface water quality and achieve good landscape effect. The project mainly involves water inlet renovation， aeration-biological agent joint system， connecting pipe renovation， plant ecosystem， and operation management. The operation results show that the effluent ammonia nitrogen （NH3-N） concentration is 0.78 mg/L， the total phosphorus （TP） concentration is 0.17 mg/L， the chemical oxygen demand （COD） is 16 mg/L， and the transparency is 65 cm. After treatment， the effluent meets the Class Ⅲ water quality standard specified in the \"Environmental Quality Standards for Surface Water\" （GB 3838—2002）. This combination process is practical and effective， and can effectively reduce pollutants such as organic matter， NH3-N， and TP in water.

Keywords： combination technology of aeration and ecological wetland; water quality improvement; ecological aeration pond; surface flow constructed wetland

低污染水體主要是指主要污染物濃度雖然優于城鎮污水處理廠相關排放標準，但仍不能穩定滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅳ類水質標準的地表水體[1]。低污染水的治理是我國湖泊環境保護的重要組成部分，以生態工程手段對低污染水進行深度處理，能夠進一步削減污染負荷[2]，低污染水中污染物以有機物、氨氮為主，這些污染物在水中含量較少，但危害大[3]。此類水持續流入湖泊，成為湖泊的重要污染源，易造成湖泊富營養化[4]。低污染水體的來源多種多樣，主要包括污水處理廠出水、雨水徑流、農田徑流和農村面源污染[5]。目前，低污染水體治理的研究以人工濕地[6-8]、生態浮島[9]和氧化塘[10]等生態修復方法為主。濕地通過基質、植物和微生物的物理、化學和生物效應去除水中的污染物[11]。曝氣-生態濕地組合技術具有使用成本低、生態低耗和經濟高效等優勢，適用于處理低污染水體。

本文以武漢市某水環境治理項目為例，借鑒國內外的成功經驗，采用曝氣-生態濕地組合技術對低污染水進行處理，主要涉及進水口改造、曝氣-生物菌劑聯合系統、連接口改造、植物生態系統以及運行管理等。出水水質需要達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質標準，即化學需氧量（COD）小于20 mg/L，氨氮（NH3-N）濃度小于1.0 mg/L，總磷（TP）濃度小于0.2 mg/L，溶解氧濃度（DO）大于5 mg/L，透明度大于60 cm。

1 研究區概況

本項目位于武漢市東南部，屬于亞熱帶季風氣候區，地勢北高南低，年平均氣溫為16.4 ℃，氣候宜人。生態曝氣塘面積為3 400 m2，有效水深為1.5 m，表流人工濕地面積為36 000 m2，有效水深為0.5 m。本項目周邊為農田和荒地，污水主要為雨污水和生活污水。經定期監測，本項目區域內的地表水水質基本超過《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅳ類水質標準，其屬于低污染水體，主要水質指標測定結果的平均值如表1所示。

2 系統設計

本項目的污水處理工藝流程如圖1所示。選取pH、透明度、NH3-N、TP、DO、COD等指標，開展水質分析。其中，pH通過pH計進行測定，透明度按照透明度計法進行檢測，DO采用便攜式溶解氧儀進行測定。NH3-N按照納氏試劑分光光度法進行檢測，TP按照鉬酸銨分光光度法進行檢測，COD按照重鉻酸鉀法進行檢測。

2.1 進水口改造

進水口管道在人行步道底下埋入，結構如圖2（a）所示，在生態曝氣塘靠近進水口處15 m的區域內采用素土夯實，用厚黏土、厚碎石以及厚礫石墊高形成礫石床，堆積邊坡坡比為1∶4，上面相互搭配種植既可耐澇又有一定抗旱能力的水生植物美人蕉、蘆葦和香蒲，提高去污性和觀賞性。污水經過格柵及提升泵池流入礫石床，由于礫石床容易受到雨水的沖刷，不夠穩定，因此選用防水布和杉木樁作為擋墻。在厚礫石層安裝直徑75 cm的聚氯乙烯（PVC）出水穿孔管，作為礫石床的出水口，同時作為生態曝氣濕地的進水口，污水經過水生植物和礫石床的處理可以得到進一步凈化。

2.2 曝氣-生物菌劑聯合系統

在生態曝氣塘底部安裝一層長10 m、寬2.5 m、厚30 mm的椰絲毯，單位面積質量為1 200 g/m3，使用U形釘相互固定，在椰絲毯上鋪一層10 cm厚種植土，防止底泥攪動，便于曝氣機的安裝，沿內循環水流方向安裝4臺推流曝氣機，功率為1.5 kW，電壓為220 V，增氧能力為2 kg/h，保證生態濕地均勻曝氣，曝氣機在塘底采用水泥澆筑厚混凝土結構層進行固定。設備采用間歇曝氣方式。在生態曝氣塘中投加高效氨氮菌劑，高效氨氮菌劑屬于無色桿菌屬，具有異養硝化和好氧反硝化能力，可高效去除水體中的氨氮。最佳投加量為1～2 kg菌液/100 m3，每周兩次。

2.3 連通管改造

生態表流濕地分為一級表流人工濕地、二級表流人工濕地A與二級表流人工濕地B。如圖2（b）所示，生態曝氣塘出水流入溢流井緩沖，連接口用水泥砂漿夯實，設在溢流井的中下方，可控制液位標高，經閥門井控制生態曝氣塘出水水量，并采用多點進水的方式排至一級表流人工濕地。由于地形原因，一級表流人工濕地與二級表流人工濕地使用PVC管進行串聯，二級表流人工濕地A與B使用PVC管進行并聯。

2.4 植物生態系統

在塘體四周圍上杉木樁，防止邊坡滑動及雨水侵蝕，并且在生態曝氣塘和生態表流濕地沿岸5 m范圍內種植挺水植物黃花鳶尾和香蒲，穩固塘體四周的土壤，凈化匯入塘體的徑流雨水，增加塘體美觀性。如圖2（c）所示，表流濕地底部鋪上椰絲毯和厚植土，隔絕污泥與植物根部接觸，保證植株良好的存活率，以種植蘆葦、香蒲、鳶尾等污染物去除率較高的植物為主，增強挺水植物對水中污染物的凈化作用，在提升景觀效應的同時去除水體污染物質。

2.5 運行管理

植物的收割對源水中污染物的去除具有重要影響，若不對植物進行及時收割，植物枯萎腐爛后，磷會重新釋放回到水體中，對水體造成二次污染[12]。根據進水水質，結合濕地污染物去除效果，通過溢流井和閥門井對雨季水位進行定期調整，從而達到最佳的污染物去除效果。

3 結果與分析

3.1 透明度的變化

從圖3可以看出，經過曝氣-生態濕地組合技術的處理，透明度由12 cm提升到68 cm，處理前10 d，

曝氣機的開啟帶動底泥的攪動，使得透明度降低。椰絲毯的鋪設對底泥攪動產生緩沖作用，隨后透明度呈現上升趨勢，處理30～60 d時，礫石層將細小的懸浮物截留過濾，同時起到緩沖作用，防止水流速度過快，隨著水生植物的生長，其對浮游植物產生競爭作用，水體透明度提高。微生物的生長繁殖增強了水體的自凈能力，導致水體中懸浮顆粒濃度降低，使得透明度進一步提高。60 d之后，出水水質接近平穩。

3.2 NH3-N的變化

從圖4可以看出，氨氮濃度呈現不斷降低的趨勢，處理前30 d，礫石抑制了雜草生長，提升了地基承載力和高度，使得上層便于種植挺水植物，挺水植物生長發育會吸收氨氮。隨著間歇曝氣的開啟，曝氣與表面流結合，有利于好氧微生物發揮降解作用，在濕地內營造交替好氧-缺氧環境，分別促進濕地內好氧硝化和缺氧反硝化[6]。同時，隨著高效氨氮菌劑的投加，硝化細菌持續增長，成為優勢菌種，處理30～60 d時礫石床掛膜成功，挺水植物根莖附著更多的微生物，進一步增加氨氮的去除。60 d之后，氨氮的去除率趨于平穩，出水達到Ⅲ類水質標準。

3.3 TP的變化

從圖5可以看出，總磷的濃度呈現降低趨勢，前期水體經過生態曝氣塘進水口礫石床，填料的化學吸附[13]截留、過濾并去除一部分磷，生態曝氣塘和表流濕地的水生植物吸收含磷污染物質，將其轉化為自身生長所需的營養成分。隨著間歇曝氣的進行，水體中DO濃度增加，可能會促進磷吸附和沉淀到基質上[14]，加上嗜磷菌的活性增強以及椰絲毯的鋪設，沉積物中含磷污染物的釋放被有效地抑制。處理中期，礫石床掛膜成功，隨著挺水植物的生長發育，根莖的微生物富集降解磷元素，使得磷濃度進一步降低，出水達到Ⅲ類水質標準。

3.4 COD的變化

從圖6可以看出，COD濃度呈現不斷下降趨勢。前期主要利用礫石床的物理攔截作用，不溶性有機物通過植物的攔截作用和基質的截留作用得以去除，但去除率變化不大。隨著間歇曝氣的進行，水體循環流動，礫石床掛膜成功，植物生長發育成熟，根莖積累更多的微生物，微生物分解使可溶性有機物分解為無機物，使得COD逐漸降低。

4 結語

經長期監測，在進水穩定的情況下，本項目處理后，出水NH3-N濃度為0.78 mg/L，TP濃度為0.17 mg/L，COD為16 mg/L，透明度為65 cm。處理后，出水達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質標準，滿足景觀生態需求和受納水體需求。隨著水生態系統的改善，生物多樣性增加，諸多鳥類遷移到濕地棲息。研究表明，采用曝氣-生態濕地組合技術，將生態曝氣塘與表流人工濕地相結合，可以有效凈化水質，同時達到良好的景觀效果。

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