人工湿地工艺在污水处理中的应用优势分析

杨宗慧，李亚园，马贵鹏，赵琦琳

(1.云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034；2.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650500；3.云南省环境监测中心站，云南 昆明 650034)



人工湿地工艺在污水处理中的应用优势分析

杨宗慧1，李亚园1，马贵鹏2，赵琦琳3*

(1.云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034；2.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650500；3.云南省环境监测中心站，云南 昆明 650034)

【目的】研究人工湿地工艺在污水处理中的作用，明确人工湿地工艺运行机制，为污水处理行业提供借鉴。【方法】以实际监测数据就当前国内生活污水处理常用的氧化沟工艺、ICEAS工艺及垂直流人工湿地工艺对CODCr、BOD5、SS、TP、TN这5项指标的处理现状作了分析比较。【结果】人工湿地工艺相对于其它两种工艺表现出了更加优秀的处理能力，CODCr、BOD5、SS、TP、TN等5项指标的去除率均相对较高。应用人工湿地工艺的污水处理厂CODCr、BOD5、SS、TP 等4项指标的年平均去除率均达到了90 %及以上，TN的去除率也可达80 %。【结论】从处理效果、投资及运营成本等各方面来看，人工湿地应用在中小型污水处理厂生活污水的处理中表现出突出的优势。将人工湿地工艺运用在污水处理中可大大提高污水的处理效率，还可降低运行成本。

生活污水；人工湿地；氧化沟；ICEAS

【研究意义】 水是人类和其它生物的重要组成部分，也是人类赖以生存的重要条件之一。中国本身水资源是匮乏的，随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对水的需求量不断增加，但排出的废水也越来越多。中国现阶段的水体污染状况不容乐观。全国地表水总体为轻度污染，部分城市河段甚至达到了中重度污染。面对如此严峻的形式，我们除了应该考虑从源头上采取措施减少生产、生活各个环节产生的废水外，还应该解决废水的处理问题。【前人研究进展】人工湿地工艺最早在国外始于1953年的德国Max Planck 研究所，该研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能去除大量有机物和无机物，该发现标志着人工湿地污水处理的初步萌芽。随后人工湿地处理污水技术不断完善，并于20世纪80、90年代在欧洲、美国、加拿大、日本等地得到了广泛的应用。中国进行人工湿地处理系统的研究较晚，在“七五”期间才开始人工湿地的研究工作，仍处于起步阶段。目前人工湿地的研究和应用正方兴未艾。当前，全国各省、市也都在积极的开展设计、规划等工作。【本研究切入点】本研究以分别采用氧化沟工艺[1]、ICEAS工艺[2]及垂直流人工湿地工艺[3-4]的A、B、C 3县的污水处理厂为研究对象。通过监测氧化沟工艺、ICEAS工艺和垂直流人工湿地工艺处理生活污水的CODCr、BOD5、TP、TN、pH、SS六项指标，计算每种指标的去除率(pH除外)，分析比较3种工艺处理的情况。【拟解决的关键问题】以现有的数据通过对比这3种普遍采用的污水处理工艺的优缺点，突出人工湿地处理工艺的优势，并着重分析该工艺的污水处理情况，试图解释处理过程中一些突发现象并找出解决办法，使现有的工程运行趋于完善、为其他工程提供借鉴[5-6]。

1 材料与方法

1.1 材料

以前期收集的采用氧化沟工艺的A县污水处理厂、采用ICEAS工艺的B县污水处理厂以及以垂直流人工湿地工艺处理生活污水的C县污水处理厂提供的2011-2014年各月份的CODCr、BOD5、TP、TN、pH、SS6项指标的进出口浓度值为分析材料。

1.2 方法

1.2.1 污水处理工艺方法 (1)氧化沟是一种活性污泥处理系统，其曝气池呈封闭的沟渠型，在水力流态上不同于传统的活性污泥法，是一种首尾相连的循环流曝气沟渠，又称循环曝气池，具有克服短流、提高缓冲能力、有明显的溶解氧浓度梯度、特别适用于硝化-反硝化生物处理工艺、处理流程简单、操作管理方便、出水水质好、工艺可靠性强、基建投资省、运行费用低等优点[7]。

(2)ICEAS工艺(Intermittent Cycle Extended Aeration)，间歇式循环延时曝气活性污泥法)是将SBR反应池沿长度方向分为两个部分，前部为预反应区，后部为主反应区，预反应区可起调节水流的作用，主反应区是曝气、沉淀的主体。它具有占地面积小，土建投资少、设备少、能耗低、沉淀效果好、耐冲击负荷、运行灵活等特点[8]。

(3)人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术[9]。而垂直流人工湿地在净化污水尤其是脱氮除磷方面有较好的效果[10]。工艺流程如图1。

图1 人工湿地工艺简易流程Fig.1 The simplified schematic of constructed wetland process

该工艺以耐冲击负荷的碎石床作为一级湿地，将污染物去除效率高、水质的深度处理效果好的垂直流人工湿地作为第二级，形成了类型多样、结构合理，优势互补的低能耗综合处理系统[11]。两级湿地之间存在梯级坡降，表面也种植具有一定观赏价值的水生、湿生植物，可提高整个处理系统的感观效果，使人工湿地发挥多项综合效益[12]。

1.2.2 数据分析方法 将A、B、C 3县的污水处理厂所提供的数据进行处理分析，根据3个污水处理厂每月监测一次CODCr、BOD5、SS、TP、TN 5项指标的进出口浓度值算出各项指标月平均去除率，对数据全部处理后得出了氧化沟工艺、ICEAS工艺及垂直流人工湿地工艺处理生活污水之后各指标的平均去除率，并作比较。从不同角度重点分析了人工湿地应用在污水处理中的效果。

2 结果与分析

2.1 不同工艺各项指标平均去除率的比较

从图2可以看到，氧化沟工艺、ICEAS工艺及垂直流人工湿地工艺对常规生活污水的处理均具有较理想的效果。其中人工湿地工艺相对于其它2种工艺表现出了更加优秀的处理能力，CODCr、BOD5、SS、TP、TN 等5项指标的去除率均相对较高。从平均处理生活污水能力来看，应用人工湿地工艺可以取得更为理想的效果。人工湿地不仅处理效果显著，还具有建设运行费用低等优势[13]，其投资成本大约为一般二级污水处理厂的1/3；运行成本仅为一般二级污水处理厂的1/6。这一系统日常运行管理维护只需一名兼职管理人员即可完成，是中小型污水处理厂的最佳工艺选择[14-15]。

2.2 人工湿地工艺随年份各项指标去除率的变化

C县污水处理厂采用人工湿地工艺，对2011-2014年各月份处理生活污水的CODCr、BOD5、SS、TP、TN指标浓度值作分析后给出了年平均去除率，从图3可以看出，C县人工湿地工艺污水处理厂处理生活污水的能力在2011-2014年中第3年有一个下降再回升的过程，这是因为人工湿地在连续运行了3年后，由于污染物的积累以及净化水质的植物达到饱和，处理能力出现了明显的下降。这时采取更换人工植物，清理人工湿地系统的措施，第四年之后其处理能力又回升到原始处理水平。CODCr、BOD5、SS、TP 4项指标的年平均去除率均达到90 %左右，TN的去除率也接近80 %。该监测结果可以为以后及其它人工湿地处理系统提供一个借鉴参考，在条件允许的情况下，人工湿地系统清理及更换种植植物需2～3年/次或不定期。

图2 不同工艺各项指标平均去除率Fig.2 The average removal rates of different processes

2.3 人工湿地工艺历年随月份各项指标去除率的变化

每年这几项指标的去除率总体都呈现出一个先下降后上升的趋势(图4)，在1-5月由于气温较低，大部分植物的生长都比较缓慢，在水质污染指标不变的情况下湿地的去除率较差；但从6月开始进入植物生长繁殖期，湿地工艺的处理能力这时表现出快速增长的趋势，第二年又转入了能力下降趋势。

图3 人工湿地工艺随年份各项指标去除率的变化Fig.3 The changes of the removal rates of the index with years in constructed wetland process

2.4 数据比较结果分析

一个污水处理厂一年交替应用2种工艺处理生活污水，其处理能力会大大提高。前半年可以使用处理能力相对较好的氧化沟工艺或ICEAS工艺，这时人工湿地系统可以得到休整，避免在处理能力较低时导致污染物的积累。后半年可以停用氧化沟工艺或ICEAS工艺，这时人工湿地系统正处于处理能力最好的时期，前半年系统也得到很好的自净，后半年换用人工湿地处理生活污水不但不会降低处理能力，反而会增加。依此类推每年轮换工艺，这样既提高了整个污水处理厂的处理能力和效率，也在一定程度上降低了成本，起到了一举两得的效果。

图4 人工湿地工艺历年随月份各项指标去除率的变化Fig.4 The changes of the removal rates of the index with months in constructed wetland process

3 讨 论

对于污水处理厂的人工湿地系统，运行2～3年后由于植物老化，污染物积累等因素出现能力下降的情况。在条件允许下，每隔2年左右对湿地系统作一次植物更换和清理。

单独运用人工湿地工艺处理生活污水，在低温季1-5月水生植物生长繁殖缓慢，污水处理厂的处理能力会下降，6月后才会回升。因此建议污水处理厂可考虑一年中的前半年和后半年分别采用两种工艺，这样，可大大提高全年的处理效率，还可降低运行成本。

4 结 论

文章对分别采用氧化沟工艺、ICEAS工艺及垂直流人工湿地工艺的A、B、C 3县的污水处理厂进行研究。监测生活污水进出口的CODCr、BOD5、SS、TP、TN 5项指标浓度变化，并重点探究了人工湿地处理生活污水能力的规律变化，各指标的分析结果表明湿地工艺的处理能力相对于氧化沟工艺和ICEAS工艺更略胜一筹。应用人工湿地工艺的污水处理厂CODCr、BOD5、SS、TP 4项指标的年平均去除率均达到了90 %及以上，TN的去除率也可达80 %。

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(责任编辑 王家银)

Analysis on Advantages of Constructed Wetland in Sewage Treatment

YANG Zong-hui1，LI Ya-yuan1，MA Gui-peng2，ZHAO Qi-lin3*

(1.Yunnan Institute of Environmental Science, Yunnan Kunming 650034, China; 2.Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Yunnan Kunming 650500, China; 3.Yunnan Center of Environmental Monitoring, Yunnan Kunming 650034, China)

【Objective】The objective of this study is to clarify the role and the operation mechanism of artificial wetland process, and to provide reference for the sewage treatment industry. 【Method】 Actually monitoring data from three kinds of current domestic sewage treatment methods which are oxidation ditch process, ICEAS process and vertical flow of artificial wetland process were analyzed and compared in the paper.【Result】The removal rates of CODCr, BOD5, SS, TP and TN in artificial wetland process was relatively high, and this result shows that it has a better processing capability than the other two processes. The annual average removal rates of CODCr, BOD5, SS and TP in sewage treatment plants with artificial wetland process reached 90 %, and the removal rate of TN was up to 80 %.【Conclusion】From the aspects of processing effect, investment and operation cost, the application of constructed wetland has been outstanding in the treatment of domestic sewage in small and medium-sized sewage treatment plant. The use of artificial wetland process in sewage treatment not only can greatly improve the efficiency of sewage treatment, but also reduce operating costs.

Domestic sewage; Constructed wetland; Oxidation ditch; ICEAS

1001-4829(2017)7-1652-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.7.032

2015-07-19

2017年度云南省生态智库建设项目“环境监测技术/(生态环境质量指标体系)在云南省地方政府综合考评中的应用研究”

杨宗慧(1972-)，女，白族，云南大理人，高级工程师，本科，研究方向为环境影响评价及环境监测，E-mail：Yangzh126327@sina.com，*为通讯作者：赵琦琳，E-mail：615975026@qq.com。

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