高 松 周 杰 郭程程 高 言

1.宿遷市泗洪環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 泗洪 223900；2.江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000；3.泗洪縣一鳴文化教育培訓(xùn)中心，江蘇 泗洪 223900

0 引言

城鄉(xiāng)污水處理廠處理后的出水雖然水質(zhì)能夠達(dá)標(biāo)，但依然含有一定濃度的氮、磷等污染物，直接排放會(huì)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成一定影響。江蘇省宿遷市泗洪縣距離我國(guó)第四大淡水湖洪澤湖較近。如果當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)和農(nóng)村污水處理廠所排出水直接匯入其中，將會(huì)影響洪澤湖水質(zhì)。而如果將污水處理廠所排出水經(jīng)過(guò)特定的人工濕地進(jìn)行凈化，就可進(jìn)一步降低出水的氮、磷等污染物含量。因此，研究提出針對(duì)城鄉(xiāng)污水處理廠出水凈化的人工濕地設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證凈化效果，是十分必要的。

1 人工濕地對(duì)污水的凈化原理

人工濕地是人為設(shè)計(jì)與建設(shè)的一種構(gòu)造，其利用一些建筑材料和污泥，順應(yīng)水體的自然流動(dòng)，并借助當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件搭建一個(gè)以水為中心的水陸循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)槟依硕喾N動(dòng)植物及微生物，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污染物的富集和凈化。由此可見(jiàn)，作為小型的生態(tài)系統(tǒng)，人工濕地能夠利用其中的基質(zhì)、植物與微生物等對(duì)污水進(jìn)行凈化，具體的凈化機(jī)制包括物理、化學(xué)和生物等方面。其中，物理作用是沉降、吸附、過(guò)濾等，化學(xué)作用是化學(xué)沉淀、離子交換、氧化還原等，生物作用表現(xiàn)在植物吸收、微生物分解及各類(lèi)動(dòng)物的作用等。

1.1 基質(zhì)的污水凈化作用

人工濕地中會(huì)布置一些基質(zhì)，包括砂礫、活性炭等傳統(tǒng)基質(zhì)，也包括沸石、陶粒等新型材料基質(zhì)。基質(zhì)對(duì)污水的凈化作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，基質(zhì)本身對(duì)部分污染物具有吸附與促沉降的作用；另一方面，基質(zhì)可作為微生物群落的載體，能夠滋養(yǎng)很多細(xì)菌與真菌等，有利于降解污染物。

1.2 植物的污水凈化作用

植物對(duì)污水的凈化作用主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面。第一，部分有機(jī)污染物質(zhì)（包括酚類(lèi)、石油類(lèi)、芳烴類(lèi)、多環(huán)芳烴類(lèi)、硝基苯類(lèi)等）對(duì)植物來(lái)說(shuō)是營(yíng)養(yǎng)成分，因此，植物可通過(guò)發(fā)達(dá)的根系和莖葉對(duì)這些有機(jī)物質(zhì)乃至部分金屬（包括鐵、錳等）元素進(jìn)行吸收。第二，植物可通過(guò)光合作用給濕地系統(tǒng)帶來(lái)豐富的氧氣，從而為其他生物（包括好氧微生物）提供適宜的生存環(huán)境，而且植物的根系表面也易滋生多種微生物，因此，植物能夠?yàn)閮艋鬯峁l件。第三，植物發(fā)達(dá)的根系和莖葉在水中蔓延，能夠降低水流速度，有利于延長(zhǎng)污水在生態(tài)系統(tǒng)中的滯留時(shí)間，使其中的污染物質(zhì)有足夠的時(shí)間被凈化［1］。

1.3 水生動(dòng)物的污水凈化作用

河湖中的污染物先被細(xì)菌和真菌作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)攝取，其中的有機(jī)污染物被分解為無(wú)機(jī)物；而細(xì)菌、真菌又可被原生動(dòng)物吞食，其分解污染物時(shí)產(chǎn)生的無(wú)機(jī)物（如氮、磷等）作為營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)被藻類(lèi)吸收；水中的浮游動(dòng)物、魚(yú)、蝦、蝸牛、鴨等恰恰以藻類(lèi)為食，可抑制藻類(lèi)的過(guò)度繁殖，不致產(chǎn)生二次污染。同時(shí)，濕地生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中蚌、螺、草食性浮游動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)等還可直接吸收營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)物質(zhì)，有效控制藻類(lèi)生長(zhǎng)［2］。

1.4 微生物的污水凈化作用

微生物是包括細(xì)菌、病毒、真菌及一些小型原生生物、顯微藻類(lèi)等在內(nèi)的一大類(lèi)生物群體，其個(gè)體微小，必須借助于顯微鏡等設(shè)備才能被看見(jiàn)。在以水為主體的人工濕地中，基質(zhì)、植物等通過(guò)與外部環(huán)境的相互作用可滋生出多種多樣的好氧與厭氧微生物。微生物可分解多種污染物，如反硝化桿菌、螢氣極毛桿菌等可將硝酸類(lèi)物質(zhì)或銨最終分解為氮?dú)猓饬拙薮笱挎邨U菌可將含磷物質(zhì)轉(zhuǎn)化成磷酸鹽，溝戈登氏菌可吸收和富集金屬離子等［3］。此外，部分微生物還有去除毒性的作用。此類(lèi)微生物通過(guò)轉(zhuǎn)化、降解、礦化、聚合等反應(yīng)，可改變污染物的分子結(jié)構(gòu)，從而降低或去除其毒性。例如，黃桿菌屬細(xì)菌、假單胞菌等可將有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷水解為含有一酸或二酸的物質(zhì)。

2 人工濕地的設(shè)計(jì)

2.1 人工濕地形式的選擇

人工濕地可分為表流濕地和潛流濕地。表流濕地是指廢水在填料表面漫流，絕大部分有機(jī)污染物的降解由浸沒(méi)在廢水中的植物莖基部生物膜中的微生物完成。潛流濕地沒(méi)有用砂礫層組成的淺床——濕池植物系統(tǒng)，被處理廢水從填料床的一端均勻平緩流過(guò)植物根區(qū)，是一個(gè)主要由土壤、濕地植物和微生物組成的生態(tài)處理系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的是潛流濕地。但潛流人工濕地在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生堵塞現(xiàn)象，這主要是由填料間隙內(nèi)生物的生長(zhǎng)和分解、固體有機(jī)物在濕地內(nèi)部填料間隙間的沉積、填料本身所含物質(zhì)的化學(xué)沉淀反應(yīng)及無(wú)機(jī)顆粒在濕地內(nèi)部的沉積等造成的。潛流人工濕地堵塞后，不僅會(huì)改變其最初的水流模式，而且會(huì)對(duì)濕地的凈水效果產(chǎn)生較大影響。因此，筆者建議將表流濕地作為凈化水質(zhì)的人工濕地處理單元。

2.2 人工濕地各功能區(qū)設(shè)計(jì)

尾水濕地工程各功能區(qū)及污水凈化流程為生態(tài)塘—表流濕地區(qū)—沉水植物區(qū)—生態(tài)河道，如圖1 所示。工程設(shè)計(jì)目標(biāo)為將進(jìn)水的重鉻酸鹽指數(shù)（dichro‐mate oxidizability，CODCr）削減15%，總氮、總磷含量削減20%，氨氮指標(biāo)優(yōu)于Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)污水處理廠處理后，污水中大部分易被生物降解的有機(jī)物已被去除；出水CODCr質(zhì)量濃度較低，但該部分有機(jī)物較難被生物降解，需要利用尾水濕地工程的生態(tài)處理功能進(jìn)一步進(jìn)行削減。尾水濕地工程的生態(tài)塘及沉水植物區(qū)是去除CODCr的主要功能區(qū)，表流濕地區(qū)主要去除氮、磷。沉水植物區(qū)是尾水濕地工程的水質(zhì)保障單元，力保尾水濕地工程出水水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。尾水濕地工程尾端還設(shè)置了生態(tài)河道，利用河道水體自?xún)裟芰ΓＷC出水指標(biāo)優(yōu)于Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 尾水濕地污水凈化流程

2.2.1 生態(tài)塘設(shè)計(jì)。生態(tài)塘是人工濕地的入口，通常情況下不需要安置曝氣與推流設(shè)施，僅需要設(shè)計(jì)一個(gè)緩坡，進(jìn)水就可順勢(shì)下流。在這個(gè)過(guò)程中，非溶解性有機(jī)物（顆粒態(tài)CODCr）被植物帶生態(tài)過(guò)濾、攔截后滯留在濕地，在濕地內(nèi)部經(jīng)吸附、沉淀、生物吸收等過(guò)程被轉(zhuǎn)化與消解。

2.2.2 表流濕地區(qū)設(shè)計(jì)。表流濕地區(qū)模擬天然沼澤濕地系統(tǒng)營(yíng)建和運(yùn)行，植物按照季節(jié)變化和自身的生長(zhǎng)周期生長(zhǎng)、枯萎、漚漬殘?bào)w。人工濕地凈水系統(tǒng)以基質(zhì)中的腐殖質(zhì)和植物殘?bào)w釋放的有機(jī)物作為碳源，完成反硝化脫氮過(guò)程。表流濕地區(qū)按功能分為正常濕地區(qū)及反硝化脫氮區(qū)，其中反硝化脫氮區(qū)域內(nèi)的植物冬季不收割，保留植物殘?bào)w。表流濕地區(qū)為水位可調(diào)控區(qū)，最低水位為0.3 m，最高水位為0.6 m。表流濕地區(qū)末端可設(shè)置水位控制壩。

2.2.3 沉水植物區(qū)設(shè)計(jì)。沉水植物區(qū)作為水質(zhì)保障單元，位于濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)的末端。目前，我國(guó)應(yīng)用于沉水植物區(qū)的沉水植物主要有苦草［Vallisneria natans（Lour.）Hara］、刺苦草（Vallisneria spinulosaYan）、菹草（Potamogeton crispusLinn.）、輪葉黑藻［Hydrilla verticillata（Linn.f.）Royle］、竹葉眼子菜（Potamogeton wrightiiMorong）等。沉水植物區(qū)設(shè)計(jì)水深為2.5 m，高3.0 m，邊坡為斜坡，坡比為1∶3。沉水植物區(qū)主要是沉水植物及魚(yú)類(lèi)等大型生物的生存空間。工作人員通過(guò)放養(yǎng)適量的魚(yú)類(lèi)構(gòu)建完善的水生生物群落，形成一個(gè)水質(zhì)保障區(qū)域。同時(shí)，由于水質(zhì)逐漸清澈，沉水植物能自動(dòng)向深水區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.2.4 河渠設(shè)計(jì)。河渠為梯形斷面，通常建議邊坡比為1∶3，上口寬20 m，下口寬14 m，設(shè)計(jì)水深0.5 m，縱向坡度0.3%，主要功能在于輸送尾水濕地工程的出水至現(xiàn)有河道。

2.3 植物選擇

植物能夠通過(guò)根、莖、葉等器官吸收和富集污染物，同時(shí)可為微生物提供生長(zhǎng)空間、附著場(chǎng)所。濕地中的植物應(yīng)具有成活率高、抗水性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值等特點(diǎn)。濕地植物不僅能夠?qū)τ袡C(jī)污染物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行分解或合成代謝，顯著提升污染物處理效果，而且在冬季還具有保溫功能，能夠使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)維持在較恒定的溫度范圍內(nèi)［4］。表1為人工濕地植物分類(lèi)，表2 為典型人工濕地生態(tài)系統(tǒng)各單元植物配植建議。

表1 濕地植物分類(lèi)

表2 各單元植物選擇

3 案例分析

3.1 人工濕地對(duì)城鎮(zhèn)污水的凈化效果分析

3.1.1 案例項(xiàng)目概況。泗洪縣城北污水處理廠人工濕地位于江蘇省泗洪縣城北區(qū)域，負(fù)責(zé)接納城北污水處理廠排出的尾水，主要由生態(tài)塘、表流濕地區(qū)、沉水植物區(qū)和生態(tài)河道4 個(gè)部分組成。城北污水處理廠排出的尾水平均需要在濕地系統(tǒng)中滯留91 h，其水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)后匯入攔崗河。現(xiàn)階段，該尾水濕地工程每天平均處理水量可達(dá)4.2 萬(wàn)t，1 a 預(yù)計(jì)可削減CODCr80 t、氨氮15 t、總氮2.5 t、總磷1.3 t，極大地提升了該區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量，為國(guó)、省考斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.1.2 人工濕地對(duì)城鎮(zhèn)污水凈化效果。自2019年9 月至2021 年3 月，筆者分別在不同時(shí)間段對(duì)泗洪縣城北污水處理廠人工濕地進(jìn)出水進(jìn)行采樣檢測(cè)，主要檢測(cè)指標(biāo)有CODCr、氨氮、總氮、總磷。

3.1.2.1 對(duì)CODCr的去除效果。由表6 可知，進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度在20～32 mg/L，均值為24.92 mg/L，出水CODCr質(zhì)量濃度在15～24 mg/L，均值為20.00 mg/L，平均去除率為19.31%。污水經(jīng)污水處理廠生物單元處理后，大部分易被生物降解的有機(jī)物被去除，而尾水濕地工程的生態(tài)塘可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的進(jìn)一步去除，主要體現(xiàn)在生態(tài)塘可利用藻菌共生系統(tǒng)分解部分有機(jī)物，同時(shí)沉水植物區(qū)可進(jìn)一步去除前端區(qū)域殘留的部分CODCr。

表6 泗洪縣城北污水處理廠人工濕地CODCr去除效果

3.1.2.2 對(duì)氨氮的去除效果。由表7可知，人工濕地進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度在0.17～0.80 mg/L，均值為0.39 mg/L，出水氨氮質(zhì)量濃度在0.06～0.58 mg/L，均值為0.25 mg/L，平均去除率達(dá)33.66%，去除效果較為明顯。以時(shí)間節(jié)點(diǎn)為參考，人工濕地整體上夏季對(duì)氨氮的去除率高于冬季。筆者分析認(rèn)為，這與不同季節(jié)人工濕地中植物與微生物的活性不同有直接的關(guān)系，夏季溫度高，植物與微生物活性高，因此對(duì)氨氮的去除效果也更好。

表7 泗洪縣城北污水處理廠人工濕地氨氮去除效果

3.1.2.3 對(duì)總氮的去除效果。由表8可知，人工濕地進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度在7.12～12.15 mg/L，均值為9.16 mg/L，出水總氮質(zhì)量濃度在1.69～9.80 mg/L，均值為7.49 mg/L，平均去除率為18.50%，整體去除效果較好，比較穩(wěn)定。但冬季該尾水凈化濕地總氮去除效果不佳，這與泗洪縣冬季氣溫較低，植物與微生物活性較低有直接的關(guān)系。

表8 泗洪縣城北污水處理廠人工濕地總氮去除效果

3.1.2.4 對(duì)總磷的去除效果。由表9可知，人工濕地進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度在0.04～0.21 mg/L，均值為0.10 mg/L，出水總磷質(zhì)量濃度在0.04～0.10 mg/L，均值為0.06 mg/L，平均去除率為34.72%，去除效果顯著。同時(shí)可得出，在進(jìn)水總磷濃度較高時(shí)，該尾水凈化濕地除磷效果較為明顯，而進(jìn)水總磷濃度較低時(shí)（如為0.04 mg/L），去除效果則不明顯。

表9 泗洪縣城北污水處理廠人工濕地總磷去除效果

3.2 人工濕地對(duì)農(nóng)村污水的凈化分析

3.2.1 案例項(xiàng)目概況。泗洪縣現(xiàn)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠29 個(gè)，除了正在擴(kuò)建的9 個(gè)外，其他20 個(gè)均配套建設(shè)了尾水凈化濕地。現(xiàn)以雙溝污水處理廠尾水濕地和界集污水處理廠尾水濕地為例進(jìn)行分析。雙溝鎮(zhèn)污水處理廠與界集鎮(zhèn)污水處理廠主要采用A/A/O+MBR 污水處理工藝和碧水源自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的ICWT 智能一體化污水凈化系統(tǒng)處理工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)項(xiàng)目均于2018 年2 月開(kāi)始調(diào)試運(yùn)行，尾水凈化濕地于4 月正式投入運(yùn)行。前者每天處理污水能力為5 000 t，配套建設(shè)了24 992 m2濕地；后者每天污水處理能力為3 000 t，配套建設(shè)了8 080 m2濕地。

3.2.2 人工濕地設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員利用水生態(tài)平衡原理及水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建定量模型，以水生動(dòng)植物凈化系統(tǒng)構(gòu)建為主、生態(tài)景觀環(huán)境提升為輔，實(shí)現(xiàn)人工濕地的水質(zhì)凈化功能及景觀生態(tài)服務(wù)功能。同時(shí)，通過(guò)景觀環(huán)境營(yíng)造、生態(tài)功能區(qū)布置，以及人工后期建設(shè)水生態(tài)系統(tǒng)、采取相關(guān)的水生態(tài)工程措施使景觀水域生態(tài)系統(tǒng)趨于平衡，實(shí)現(xiàn)水體自?xún)舨⒈３炙|(zhì)穩(wěn)定。項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路是打造完善、多元化的水生生物系統(tǒng)，將污染物富集到大型動(dòng)植物體內(nèi)，并通過(guò)捕撈和收割的方式將污染物轉(zhuǎn)移出水體［5］。

3.2.3 人工濕地對(duì)農(nóng)村污水常規(guī)污染物的凈化效果。筆者于2022 年2—6 月對(duì)雙溝污水處理廠尾水濕地和界集污水處理廠尾水濕地進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行了采樣檢測(cè)，主要檢測(cè)指標(biāo)有CODCr、氨氮、總氮、總磷。

3.2.3.1 對(duì)CODCr、氨氮的去除效果。由表10 可知，雙溝污水處理廠人工濕地進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度均值為33.6 mg/L，出水均值為17.6 mg/L，平均去除率為47.7%；進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度均值為3.04 mg/L，出水均值為0.32 mg/L，平均去除率為90.4%。界集污水處理廠人工濕地進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度均值為30.6 mg/L，出水均值為16.8 mg/L，平均去除率為45.1%；進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度均值為2.90 mg/L，出水均值為0.52 mg/L，平均去除率為82.56%。

表10 雙溝、界集污水處理廠人工濕地對(duì)CODCr、氨氮的去除率

3.2.3.2 對(duì)總磷、總氮的去除效果。由表11可知，雙溝污水處理廠人工濕地進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度均值為0.36 mg/L，出水均值為0.19 mg/L，平均去除率為43.4%；進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度均值為12.59 mg/L，出水均值為7.22 mg/L，平均去除率43.3%。界集污水處理廠人工濕地進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度均值為0.41mg/L，出水均值為0.18mg/L，平均去除率為57.56%；進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度均值為11.37mg/L，出水均值為5.59 mg/L，平均去除率為54.84%。

表11 雙溝、界集污水處理廠人工濕地對(duì)總磷、總氮的去除率

4 結(jié)論

人工濕地作為一種生物量密集的生態(tài)系統(tǒng)，理論上能夠通過(guò)基質(zhì)、植物、水生動(dòng)物、微生物等對(duì)污水中的常見(jiàn)污染物進(jìn)行去除。為強(qiáng)化去除效果，相關(guān)部門(mén)需要整體優(yōu)化人工濕地的空間結(jié)構(gòu)和植物選擇，同時(shí)加強(qiáng)后期管護(hù)。筆者對(duì)案例項(xiàng)目泗洪縣城北污水處理廠人工濕地進(jìn)行多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其對(duì)城市污水的CODCr平均去除率為19.31%，對(duì)氨氮的平均去除率達(dá)33.66%，去除效果較為明顯，且呈現(xiàn)季節(jié)差異，夏季去除效果優(yōu)于冬季；對(duì)總氮的平均去除率為18.50%，對(duì)總磷平均去除率為34.72%，去除效果顯著。同樣，案例項(xiàng)目雙溝污水處理廠人工濕地、界集污水處理廠人工濕地亦對(duì)農(nóng)村污水CODCr、氨氮、總磷、總氮去除效果顯著，推測(cè)可能與植物選擇和生長(zhǎng)情況及后期的管理等有一定聯(lián)系，仍需要進(jìn)一步研究分析。由此可見(jiàn)，人工濕地對(duì)城鄉(xiāng)污水的凈化處理作用在理論和實(shí)踐上都能夠得到驗(yàn)證，CODCr、氨氮、總磷、總氮去除效果顯著。

鑒于泗洪縣的氣候條件，冬季當(dāng)?shù)氐乃参锖臀⑸锘钚越档停焕谌斯竦貙?duì)污水的凈化。因此，探討引入耐寒性強(qiáng)的植物或培養(yǎng)具有耐寒能力的植物與微生物群落，提升該地區(qū)人工濕地對(duì)污水的凈化能力，是后續(xù)進(jìn)一步研究的方向。