人工湿地用于污水深度处理的反应动力学

付国楷，王 敏，张 智，周 琪

（1.重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045；2.同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）

城镇污水处理厂大多采用二级生物处理工艺削减污染物，由于工艺本身的局限性，出水污染物浓度很难再进一步降低，若将二级出水排至自净能力有限或已受到污染的水体，仍会造成水环境污染［1］。在水资源问题日益严峻的形势下，污水处理系统应考虑有机物和氮、磷营养盐的联合去除，因此，应大力开发高效低耗的深度处理工艺以适应更高的水质标准，同时考虑污水再生利用。常见的深度处理工艺有微滤、超滤、臭氧氧化＋生物过滤、湿地和土壤渗滤等，前3种工艺的运行成本较高，且需要专业的操作管理人员，使其在发展中国家的推广受到限制［2－4］。人工湿地通过生物降解、吸附、过滤、沉淀和植物吸收作用净化污水，可适应低浓度污染物去除的要求，具有投资省、维护管理简便等特点，从而得到广泛应用［5－6］。

现阶段人工湿地设计主要基于经验，没有统一标准和规范，缺乏有力的工艺参数指引，用于优化湿地系统脱氮除磷的设计参数和与之相关的研究很少。运用数学模型模拟湿地处理系统是定量化研究的重要方法，较常见的有一级动力学模型、Monod模型及黑箱模型。其中，一级动力学模型因其简便应用最为广泛，Monod模型在模拟生物反应过程方面具有一定优势，但其相关模型参数难以准确测定，黑箱模型则过于粗糙。总的来说，目前还没有一种模型能够很好的描述湿地系统内部复杂的反应机理及其相互关系［7－8］。一级动力学模型可以较好的描述人工 湿 地 中 COD、TN 和 TP的 分 解 过 程［9－10］；Trang等采用一阶反应动力学模型评价热带地区人工湿地的处理能力，当水力负荷为62mm／d时，COD、SS和TP的去除速率常数分别达到30、51、84m／a［12］。Ouyang等利用一阶反应模型研究垂直流人工湿地中脱氮动力学，出水TN模拟值与实测值线性相关（R2＝0.692 9），出水氮浓度占进水氮浓度的54%，吸附、沉淀脱氮量占22%，反硝化脱氮量仅占18%，并指出出水回流可改善脱氮效果［11］。

人工湿地的处理效果以及一级动力学模型中的反应速率常数（kA）受气候条件、湿地结构和原水水质的影响较大，在不同环境条件下由单一湿地形式得出的模型参数在工程设计中没有较大的指导意义［12］。笔者通过构建潜流湿地、表流湿地和潜流／表流组合湿地处理系统，同时考察3种湿地对二级出水中有机质、氮、磷等污染物的去除效果和机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

中试系统由潜流湿地（SSFW）、表面流湿地（SFW）、潜流／表流组合湿地（CFW）3个单元并联组成，3个单元占地面积相等。其中潜流湿地和表流湿地有效面积均为37.7m2；组合湿地前半段为潜流湿地，有效面积17.7m2，后半段为表流湿地，有效面积15.6m2。各单元沿长度方向每隔3.6m设1个取样点。湿地中试模型剖面图见图1，构建参数见表1。

图1 人工湿地剖面图

表1 人工湿地构建参数

1.2 运行工况

人工湿地采用连续进水方式，原水来自二级生物处理系统出水，其COD、氨氮、TN、TP分别为31.0～42.1、0.32～6.44、12.59～25.04、1.25～2.70mg／L，pH值6.74～7.43。试验分 A（3月—5月）、B（6月—8月）、C（9月—11月）3个阶段进行，每阶段运行0.16、0.32、0.48m／d 3个水力负荷，共9个工况，每个工况运行30d，对应水温分别为9.6～16.2、16.3～23.5、23.2～24.8、24.3～28.1、28.2～29.3、25.3～27.4、26.0～22.5、23.8～18.1、22.1～13.8℃，由此考察不同负荷条件下湿地系统对各污染物的去除效果和影响因素。

1.3 数据检测及分析方法

沿各取样点垂直方向取混合水样，采样频率为3d／次，参考《水和废水监测分析方法》（第四版）测定COD、TN、NH3－N、TP、pH等指标。

污染物的降解采用一级动力学模型模拟（忽略背景浓度），计算人工湿地面积反应速率常数

式中：Co、Ce分别为进水、出水中污染物浓度，mg／L；q为水力负荷，m／d；kA为面积反应速率常数，m／d。

根据Arrhenius方程计算温度影响常数θ［14］：

式中：kA，T为T℃时的面积反应速率常数，m／d；kA，20为20℃下的面积反应速率常数，m／d；θ为温度影响常数；T为水温，℃。

2 结果与分析

2.1 有机物的去除

在进水COD浓度稳定的条件下，潜流湿地、表面流湿地、组合湿地对COD的去除效率均随水力负荷（HLR）的增加而下降；面积反应速率常数受水力负荷和温度的影响不明显，如表2所示。COD面积去除量对面积负荷的变化类似于Monod曲线，在低负荷条件下面积去除量随着面积负荷增大迅速上升，之后在中高负荷条件下上升平缓，最后将趋向定值，如图2所示。在相同的面积负荷条件下，潜流湿地面积去除量最高，组合湿地次之，而表面流湿地面积去除量明显低于其它2种湿地。试验条件下潜流湿地的最大 COD面积去除量达到10.7g／（m2·d），组合流湿地达到9.1g／（m2·d），而表面流湿地仅有5.4g／（m2·d）。

3种池型中潜流湿地对COD的去除能力最强，在水力负荷为0.16m／d时，3个试验阶段其COD平均去除率可达75%，组合湿地次之，表流湿地最弱。这可能是由于潜流湿地具有更长的水力停留时间以及固液两相有更大接触面积的原因。

图2 COD面积负荷对去除量的影响

2.2 氨氮的去除

3种湿地对氨氮的去除效率受到水温和水力负荷的影响。在相同的水温条件下，湿地系统对氨氮的去除效率随着水力负荷的增加而降低，在相同的水力负荷条件下，湿地系统对氨氮的去除效率和面积反应速率常数随着水温的上升而提高，如表3所示。水温低于15℃时，相同负荷条件下组合流湿地氨氮去除效率最高，潜流湿地效率最低，表面流湿地居中；水温高于15℃时，表面流湿地氨氮去除效率最高，潜流湿地效率最低，组合流湿地居中。总体来看表流湿地的氨氧化能力最强，其kA最高达到0.186m／d，约为同水平下潜流湿地或组合湿地的2倍，但受温度影响最为显著，低温条件难以保证处理效果。

在较小的温度变化区间内，3种湿地氨氮面积去除量对面积负荷的变化规律与有机物类似，如图3所示，所不同的是表面流湿地最大的氨氮面积去除量达到了0.68g／（m2·d），而潜流湿地仅有0.42g／（m2·d）。

表2 COD去除率及其反应速率常数

图3 NH3－N面积负荷对去除量的影响（20～25℃）

2.3 总氮的去除

3种湿地的脱氮能力依次为SSFW＞CFW＞SFW，总氮去除率随HLR的升高显著降低，见表4。对照表3可知，SFW可将大部分氨氮转化为硝态氮，但不能提供适宜兼性厌氧菌生长的环境，故反硝化脱氮能力最差。据报道，曝气可促进氨氧化和反硝化，当控制湿地中DO为0.2～0.6mg／L时，氨氮和总氮去除率均可达86%以上［15－16］。一阶动力学模拟结果表明，温度升高对脱氮有明显的促进作用，当水温≥28℃时，SSFW的kA最高达到0.28m／d；当水温≤15℃时，kA＝0.116m／d，相应的θ值为1.058，这与Leverenz等研究结果一致，同时，湿地植物可以减轻低温对系统处理效果产生的负面影响［17］。

在相同的总氮面积负荷条件下，潜流湿地面积去除量最高，最高可达3.5g／（m2·d），组合流湿地次之，最高可达2.7g／（m2·d），表面流湿地总氮面积去除量最低，最高值也仅有2.1g／（m2·d）。

表3 氨氮去除率及其反应速率常数

表4 TN去除率及其反应速率常数

图4 TN面积负荷对去除量的影响（20～25℃）

2.4 磷的去除

人工湿地磷去除率随HLR的升高显著降低，见表5。整个运行期间3种湿地的平均除磷率分别为61.2%、33.6%、37.5%，对应的kA值为0.276、0.112、0.130m／d；由于进水C／P＝6.6较低，湿地生物除磷能力较弱，磷主要通过吸附、截留、沉淀等方式去除［18］。由于页岩和钢渣的磷吸附能力较强，优于砾石和塘泥，因此在所采用的基质类似的条件下，组合湿地对总磷的去除仅略优于表面流湿地，而采用页岩和钢渣为基质的潜流湿地除磷效率则有大幅提高。当HLR为0.16m／d时，不同温度条件下SSFW 的除磷率分别为81.7%、83.6%、77.7%，说明温度对湿地除磷效果无显著影响。

3种湿地对总磷的面积去除量随着面积负荷的升高而加大，但是页岩和钢渣为基质的潜流湿地总磷面积去除量最高可达0.65g／（m2·d），以砾石和塘泥为基质的组合湿地总磷面积去除量最高为0.36g／（m2·d），而表面流湿地最高值为0.33g／（m2·d）。

图5 TP面积负荷对去除量的影响

2.5 动力学常数

将试验期间不同污染物的所有数据计算kA值，并对应当日水温采用Arrhenius公式模拟，得到标准温度下的反应速率常数kA，20及温度影响常数θ，如表6所示。在污染物浓度较低时，3种湿地系统对有机质、氮、磷的去除符合一级动力学方程。温度对3种形式人工湿地中有机物和磷的去除影响不明显，但是对总氮和氨氮的去除影响较大。总体来说，潜流湿地对污染物的去除效率更高，但是表面流湿地对于氨氮具有更高的去除效率。

表5 TP去除率及其反应速率常数

表6 3种湿地一阶反应速率常数及温度的影响

根据标准温度下反应速率常数和温度影响常数，可以计算不同气候条件下所需要的湿地面积，用于指导实际工程设计。但是根据不同目标污染物计算将得到不同的结果。对于处理污水厂尾水的人工湿地来说，若出水水质目标为地表水Ⅳ类标准，限制性污染物将为TN，因此建议根据TN反应速率常数和当地的温度条件来计算湿地面积，同时采用TP数据来进行校核。另外也有资料表明，若湿地运行得当，还可显著降低统出水大肠埃希氏菌含量［19］。

3 结论

1）3种池型人工湿地对污染物的去除可以采用一级反应动力学模型模拟，并计算得到其标准温度下的反应速率常数kA，20及温度影响常数θ，此结果可以为不同条件下人工湿地的类型选择和精确化设计提供参考。

2）对于有机物、总氮、总磷的去除来说，潜流湿地优于其它2种湿地，其kA，20值分别为0.29、0.20和0.28m／d，但是表流湿地对氨氮的去除效率更高，其kA，20值为0.12m／d。

3）温度对人工湿地中氨氮和总氮去除有明显影响，其中对表面流湿地影响最大，其温度影响常数θ分别为1.077和1.074；温度对有机物和总磷的影响不明显。

4）3种人工湿地对污染物的去除效率均随着水力负荷的增大而显著下降，湿地对污染物的面积去除量随着面积负荷的提高，将平缓上升后趋于定值，因此人工湿地宜在低负荷工况下运行。

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