萬紅　崔海容　黃周滿　熊薇

摘 要：隨著污水廠排放標準的提高和削減進入受納水體污染負荷的迫切需求，污水廠尾水的深度處理研究具有重要的意義。人工濕地被證明是尾水處理的一種經(jīng)濟有效的手段，并且在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求。通過研究水力負荷分別為0.25m/d、0.50m/d、0.75m/、1m/d時垂直流人工濕地系統(tǒng)對COD、TN、TP的去除率和濕地基質(zhì)硝化、反硝化反應強度，實驗結(jié)果顯示供試濕地系統(tǒng)最佳水力負荷是0.5-0.75m/d，TP、TN、COD平均去除率范圍分別是50.1%-54%、52.6%-62.2%、48.2%-48.6%，出水水質(zhì)均達到污水處理廠一級A標準。濕地系統(tǒng)具有良好的反硝化環(huán)境，反硝化速率明顯較硝化速率高，最高和最低速率分別相差17.7倍和25.20倍。

關(guān)鍵詞：人工濕地；尾水；水力負荷；去除效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.011

0 引言

人工濕地作為一種典型的生態(tài)處理技術(shù)，已被廣泛應用于受污染水體的水質(zhì)凈化與恢復、面源污染控制、雨水處理與利用、污水處理等領(lǐng)域，具有投資少、運行費用低、出水水質(zhì)好、無二次污染等優(yōu)點[1-2]。同時，隨著污水排放標準的不斷提高，如太湖流域2008年1月1日后建設(shè)的城鎮(zhèn)污水處理廠的排放標準需GB18918-2002的一級B標準升級為一級A標準，加強對污水廠尾水深度處理的研究具有重要意義。人工濕地被證明是尾水處理的一種經(jīng)濟有效的手段，它不僅可以滿足二級出水脫氮除磷的水質(zhì)要求，而且能大幅削減進入受納水體的污染負荷，并且在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求[3-5]。本文主要研究不同水力負荷下垂直流人工濕地低碳高氮污水廠尾水的凈化，通過監(jiān)測濕地系統(tǒng)對N、P及有機物的凈化效果，得出垂直流人工濕地針對污水處理廠尾水深度處理的最佳水力負荷，以期為尾水深度處理提的工程實踐提供科學依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 實驗和方法

1.1 實驗裝置與方法

濕地模擬系統(tǒng)為長方體（1.5m x 0.8m×1m），實驗裝置由四組相同尺寸的垂直流人工濕地組成，工藝流程為下行流。每組人工濕地池體從底部向上依次填充鵝卵石，粒徑50～80 mm，厚度10cm；礫石，粒徑為20～40mm，厚度30cm；礫石，粒徑為5—20mm、厚度25cm；粘土層，厚度15cm。濕地植物選用蘆葦，取長勢一致的帶土蘆葦移種到濕地中，濕地植物按8株/m2的密度種植蘆葦。

實驗在2015年3月20日一7月10日期間進行。 通過控制進水水量來設(shè)定不同水力負荷（HLR），人工濕地面積為1.5×0.8m2，設(shè)置四組濕地的水力負荷分別為0.25 m/d、0.5 m/d、0.75 m/d、1m/d，因而4組系統(tǒng)進水水量分別為0.3m3/d、0.6m3/d、0.9m3/d、1.2m3/d，四組濕地系統(tǒng)的水力停留時間分別為4d、2d、1.33d、1d。為了實現(xiàn)濕地連續(xù)進出水，進水端處建有一調(diào)節(jié)池，規(guī)格為3×3×1m，距離濕地表層0.5m高。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在每個周期末采集水樣，系統(tǒng)出水水樣直接由出水口采集，進水水樣在進水布水管附近采集。所采集水樣密封保存運輸至實驗室，并將其保存于0-4℃冰箱中，于一天內(nèi)進行COD、總氮、硝酸氮、TP等指標的測定。

1.2 進水水質(zhì)

實驗進水以我校污水處理廠的尾水為處理對象，實驗期間系統(tǒng)進水水質(zhì)為：CODcr=30-60mg/L；TN=13-23mg/L； NH3-N=8-18mg/L； NO3-N=5-6mg/L；TP=0.5-1.5 mg/L。

1.3 分析項目與方法

1.3.1 總磷采用鉬酸氨分光光度法

總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法； COD采用哈希COD測定儀；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；亞硝酸鹽氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

1.3.2 基質(zhì)硝化強度的測定

取新鮮基質(zhì)100g于250mL錐形瓶中，加入50mL（ 25 mg/L ）的NH4+培養(yǎng)液，并用帶孔棉塞塞住，置于恒溫搖床振蕩三天（25℃，140 rpm/min），每隔 24 h取 15 mL 水樣過濾，分析濾液中的NO3--N含量[6]。每次取水樣后用培養(yǎng)液補足?；|(zhì)硝化作用強度計算如下式：

ω1 = （ c2 – c1 ） ×（ v1 + v2 ） ×k/ （ t ×m） （1）

式中：ω1為單位時間內(nèi)單位質(zhì)量基質(zhì)產(chǎn)生的NO3--N，mg/ （kg ·h）；c1為初始溶液中NO3--N質(zhì)量濃度，mg/ L；c2為24 h后溶液中NO3--N質(zhì)量濃度，mg/ L；v1為培養(yǎng)液體積，L；v2為基質(zhì)樣品中水分體積，L；t為培養(yǎng)時間，h；m為樣品質(zhì)量，g；k為水分系數(shù)。

1.3.3 基質(zhì)反硝化強度的測定

稱取100g 新鮮填料置于250 mL錐形瓶中，加入50 mL（50mg/L）含NO3-的培養(yǎng)液，用橡皮塞密封，20℃下置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h，每隔24小時取15 mL 水樣，分析濾液中的NO3--N含量，每次取樣后將培養(yǎng)液補足[7]。 基質(zhì)反硝化強度計算時如下：

ω2 = （ c2 – c1 ） ×（ v1 + v2 ） ×k/ （ t ×m） （2）

式中，ω2為單位時間內(nèi)單位質(zhì)量基質(zhì)消耗的NO3--N，mg/ （kg ·h）；其它字母含義同公式（1）。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 去除效果分析

（1）對有機物的去除。人工濕地對有機物的去除主要通過微生物的吸附降解、植物吸收及填料吸附完成。系統(tǒng)正式運行后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后測得不同水力負荷下隨著運行周期的變化COD的去除率如圖1所示。從圖1可知，實驗期間隨著運行周期的向后推進，系統(tǒng)對有機物去除率比較穩(wěn)定。隨著HLR的增加，人工濕地對CODcr的平均去除率分別是46.3%、48.6%、48.2%、39.6%，可見實驗范圍內(nèi)HLR的變化對CODcr去除率的影響不大， 去除率總體較低，可能是因為污水廠尾水的有機物濃度低且較難降解。當HLR不低于0.75m/d時，去除率在46-49%之間，出水CODcr范圍是15.9-31.8mg/L。

（2）對TP的去除。人工濕地對磷的去除主要是通過植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化和填料的物理化學作用完成，其中植物吸收和基質(zhì)吸附發(fā)揮的作用更大一些[8]。從圖2可知，當HLR為0.5m/d和0.75m/d時，人工濕地對TP的去除率較高，平均去除率分別為54%和50.1%。當HLR為0.25m/d和1m/d時，人工濕地對TP的去除率低，平均去除率分別為47.4%和41.7%。水力負荷低時易造成濕地系統(tǒng)缺氧，使微生物產(chǎn)生厭氧釋磷現(xiàn)象，而好氧過量吸磷受到一定影響，因而影響TP的去除率。水力負荷過高時，一方面污水流速大，易將被吸附在填料或植物表面的磷沖出系統(tǒng)；另外，水力負荷從0.25m/d上升至1m/d時，濕地系統(tǒng)水力停留時間從4d下降至1d，因此較短的水力停留時間影響了TP的去除率。從除磷效果來說，HLR在0.5-0.75m/d時除磷效果較好，平均去除率在50%以上，出水TP范圍為0.24-0.49mg/L。

（3）對氮的去除。人工濕地主要是通過微生物的硝化和反硝化作用、濕地植物的吸收及濕地填料的吸附等作用除氮的，其中微生物的硝化和反硝化作用是除氮主要途徑[9]。濕地系統(tǒng)對TN和NO3-N的去除效果如圖3和圖4所示。由圖3可知，隨著運行周期的推進，系統(tǒng)脫氮不穩(wěn)定。HLR對TN去除效果的影響較大，隨著HLR的增加，濕地系統(tǒng)對TN的平去除率逐漸下降，平均去除率分別為62.2%、57.5%、52.6%和44.2%，可見水力負荷低有利于濕地脫氮。由圖4可知，濕地系統(tǒng)有著較高的硝酸氮去除率，四種負荷下最高、最低平均去除率分別為94.3%和68.8%。濕地系統(tǒng)對TN的去除率遠低于對NO3-N的去除率，說明供試濕地內(nèi)的氧環(huán)境有利于反硝化反應而不利于硝化反應的進行，不同水力負荷導致的不同水力停留時間對硝化反應的程度也有一定的影響。當HLR濕地系統(tǒng)出水TN濃度在0.25-0.5m/d時，出水TN 濃度范圍為4.9-9.5mg/L。

2.2 硝化強度和反硝化強度分析

硝化反應強度分析是將所取一定質(zhì)量的基質(zhì)加入硝化培養(yǎng)液并在恒溫搖床上連續(xù)培養(yǎng)三天，每天取一定體積培養(yǎng)液進行硝化反應強度測定；反硝化反應強度的分析將所取一定質(zhì)量的基質(zhì)加入反硝化培養(yǎng)液，同時充入氮氣密封并在恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)三天，每天取一定體積培養(yǎng)液進行反硝化反應強度測定。不同水力負荷下的測定結(jié)果取平均值，見圖5。四種HLR下的最高和最低硝化速率分別為0.161和0.054mg/（kg·h），最高和最低反硝化速率分別為3.01和1.42mg/（kg·h），兩種情況下對應的水力負荷分別為0.25m/d和1m/d。HLR為0.25m/d和0.5m/d時，均保持較高的硝化和反硝化速率。隨著水力負荷進一步增加，硝化速率顯著降低，反硝化速率逐漸降低。系統(tǒng)的反硝化速率明顯較硝化速率高，最高和最低速率分別相差17.7倍和25.20倍，進一步說明了該系統(tǒng)具有較好的反硝化環(huán)境，對硝態(tài)氮具有較高去除效果。

3 結(jié)論

（1）四種水力負荷下垂直流人工濕地系統(tǒng)對尾水N、P有較好的凈化效果，對COD去除率較低，出水水質(zhì)均達到污水處理廠一級A標準。

（2）HLR在0.5-0.75m/d時除磷效果較好，平均去除率范圍為50.1%-54%，出水TP為0.24-0.49mg/L；水力負荷在0.75m/d以內(nèi)時，TN平均去除率在52.6%-62.2%之間，出水TN 濃度范圍為4.9-9.5mg/L；COD去除率受水力負荷的影響程度相對較小，平均去除率在45%左右；TN和TP去除率隨著水力負荷的增加而下降。綜合考慮水力負荷對氮、磷及有機物去除率，供試濕地系統(tǒng)最佳水力負荷是0.5-0.75m/d。

（3）濕地系統(tǒng)對TN的去除率遠低于對NO3-N的去除率，系統(tǒng)的反硝化速率明顯較硝化速率高，最高和最低速率分別相差17.7倍和25.20倍，說明了系統(tǒng)具有較好的反硝化環(huán)境，對硝態(tài)氮具有較高去除效果。

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項目：2015年度湖北省建設(shè)科技項目計劃。

作者簡介：萬紅（1976-），女，湖北隨州人，碩士，講師，主要從事：水污染控制工程研究。

*為通信作者