人工湿地对危险废物尾水处理效果评价

毛雪慧，易科浪

(深圳市碧园环保技术有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

随着城市化和工业化进程的加快，我国危险废物的产生量也呈现快速增长的现状。而危险废物具有易燃性、腐蚀性、化学反应性、毒害性、爆炸性反射性及传染性等危害特性，并以其特有的性质对环境产生污染。危害爆发不仅会使人畜中毒，引发燃烧和爆炸事故，还会污染大气，并且可以通过雨雪渗透土壤、地下水，由地表径流将污染带入江河湖海，从而造成长久的、难以恢复的后果及隐患。

人工湿地是设计和构建的工程化系统，利用湿地植被、土壤介质及其相关微生物相关组合的自然功能在受控制的环境中进行废水处理。由于其具有污染物去除效果好、安装和维护成本相对较低、操作简单、水和养分重复利用潜力大等特点，人工湿地被运用于许多类型的废水，包括工业废水、农业径流、湖水、垃圾渗滤液、暴雨径流和泥炭提取流出物等。

收集的各企业产生的高盐有机废水经深化处理后的尾水，其组成成分复杂、具有生物毒性、挥发性等多种特征，经危险废物处理站中现有的高盐废水处理系统处理后，仍含有一定的CODCr、NH3-N、TP、盐度，不满足危险废物处理厂区对出水水质的要求——地表水Ⅳ类标准。本研究以危险废物处理的尾水为研究对象，针对水质不达标的问题，采用人工湿地进行深度处理该废水。通过构建活性炭人工湿地、沸石人工湿地、锯木屑人工湿地和砂石人工湿地，对比分析不同填料人工湿地对高盐有机废水的处理效果，为危险废物处理的废水深度处理提供一种可行方案。

2 材料与方法

2.1 工艺流程

本试验工艺流程见图1。

图1 垂直流人工湿地工艺流程

首先，将前段生化系统出水用潜水泵抽入进水储存水箱，然后，分别自流进入不同填料的人工湿地，通过布水管布水，污水经过人工湿地的净化处理后，由湿地底部出水排往出水收集箱，最后，抽往危废站主生化系统继续处理。

2.1.1 进水存储水箱

储存前段工艺处理产生的尾水，采用PE桶，基座底部与湿地顶面平行，数量2个，单个容积2 m3。

2.1.2 人工湿地

人工湿地系统占地面积18 m2，分为对照组人工湿地、活性炭人工湿地、沸石人工湿地和锯木屑人工湿地，共计四组池子。每组湿地池高度为1.5 m，砖砌结构，均设置单独的进出水管道系统，铺设防渗膜。

对照组面积6 m2，活性炭人工湿地、沸石人工湿地和锯木屑人工湿地为特殊填料池，均为4 m2。特殊填料池从上到下填料层分布为砂石层0.4 m，特殊填料层0.4 m，砂石层0.4 m，碎石层0.3 m。而对照组人工湿地填料从上到下填料层分布为砂石层0.4 m，砂石层0.4 m，砂石层0.4 m，碎石层0.3 m。

在活性炭、沸石、锯木屑三组特殊填料人工湿地池中，均种植芦苇、花叶芦荻、蜘蛛兰、鸢尾、香根草、纸莎草、千屈菜、风车草、水葱、海桑、白骨壤、秋茄、拉关木、怪柳14种植物，在对照组人工湿地中则种植芦苇、花叶芦荻、蜘蛛兰、鸢尾、香根草、纸莎草、千屈菜、风车草、水葱、怪柳10种植物。

2.1.3 出水收集箱

储存工艺处理产生的尾水，采用PE桶，地上储存，数量4个，容积1 m3。

2.2 进出水质及运行时间

本试验的进水标准是《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A，设计进水水质为流量Q=0.5～2 t/d，COD=80～100 mg/L，NH3-N=3～5 mg/L,TP含量：0.5～1.5 mg/L，pH值：6.0～9.0。

试验分三个阶段，每个阶段运行2个月。第一阶段向4组人工湿地进水，平均每天进水量最小为0.5 m3、最大为2 m3；第二阶段向活性炭人工湿地和对照组人工湿地进水，平均每天进水2 m3；第三阶段向沸石人工湿地和锯木屑人工湿地进水，平均每天进水量最小为0.83 m3，最大为2 m3。为了模拟连续进水条件，通过设置时间控制器控制进水时间和进水量。

2.3 现场采样及水样分析

试验期间每3 d进行1次采样，按照工艺流程，采集进水、人工湿地出水、对照人工湿地出水样，每个采样口采集2瓶水样(检测时均匀混合)。送实验室检测CODCr、氨氮、总磷等指标。水样分析按照《水和废水检测分析方法》(第4版)进行，并做平行样，其中CODCr按照《水质 化学需氧量 重铬酸钾法》(HJ828-2017)测定，氨氮按照《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ535-2009)测定，总磷按照《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB11893-89)测定。

3 结果与分析

3.1 不同水力负荷下人工湿地对污染物的去除能力定量分析

3.1.1 不同水力负荷下人工湿地对CODCr去除能力分析

在数据处理时，分两个阶段的CODCr进水浓度和水力负荷，分别为：①水力负荷0.1 m/d(低负荷)；② 水力负荷0.2 m/d(高负荷)；③ CODCr≤30mg/L(低浓度)；④ 30

图2表明，四种填料人工湿地对CODCr的去除能力大小排序为：活性炭>沸石>砂石>锯木屑；活性炭和沸石对CODCr的去除能力最为显著，其次为砂石，锯木屑最差，该结果的主要原因是由基质特性导致。沸石中由于带有金属离子，可对极性有机物具有较强的吸附能力，而活性炭则对非极性有机物的吸附能力较强。在低负荷低浓度第10次采样前，锯木屑对CODCr的去除率均为负值，使前几次出水CODCr值高于进水，最主要的原因可能是木屑在微生物的作用下不断分解，释放出来的碳源没有被及时消耗掉而随污水流出。尽管在后期试验中，锯木屑组对CODCr也表现出一定的去除率，但鉴于锯木屑具有释放碳源的不可控因素，为保证湿地运行具有稳定去除率，不建议使用锯木屑作为特殊填料。同时，研究表明，活性炭对有机物的吸附能力强于沸石，特别是在高浓度进水下，这是因为沸石在水中，极性有机物难于与水(强极性)的吸附位进行竞争，故对极性有机物的吸附能力得不到体现。而活性炭易吸附水中的非极性或弱极性有机物，体现出对有机物的良好吸附能力。

图2 不同特殊填料人工湿地CODCr去除率比较

3.1.2 不同水力负荷下人工湿地对NH3-N去除能力分析

不同水力负荷下四组人工湿地对NH3-N的绝对去除率由图3所示。低负荷低进水浓度(NH3-N≤5 mg/L)和高NH3-N进水浓度(NH3-N>5 mg/L)下，沸石组>活性炭>砂石>锯木屑；高负荷低氨氮进水浓度和高氨氮进水浓度下，活性炭>砂石；高负荷高氨氮进水浓度下，沸石>锯木屑。同时比较同一阶段内，高氨氮进水浓度时人工湿地对NH3-N的去除率均高于低进水浓度。同一组人工湿地，在高水力负荷下对氨氮的去除率高于低水力负荷。

图3 不同特殊填料人工湿地NH3-N去除率比较

在试验前期，四组人工湿地对氨氮的去除率均低于后期，出现此现象的原因可能在于人工湿地运行前，并没有接受过含盐废水，其中的微生物受到盐分的冲击，适应性差，导致死亡，造成有机氮的释放，另外加上系统中可利用碳源量不足，限制了反硝化过程。同时，沸石具有选择性吸附氨氮的特点，同时其表面也可形成生物膜而使氨氮的去除能力得到提高。而活性炭主要通过生物硝化作用去除氨氮，生物生长存在一定的周期，生物量不可能随着进水浓度的大幅度变化而做出迅速改变，所以其缓冲能力较弱。

3.1.3 不同水力负荷下人工湿地对TP去除能力分析

不同水力负荷、不同进水浓度下四种填料人工湿地对TP的去除率图4所示。由图4可知，随着水力负荷的增加，砂石、活性炭、锯木屑填料的人工湿地对TP的去除率增加，沸石填料的人工湿地对TP去除率降低；同时随着进水TP浓度的增加，人工湿地对TP的去除率也增加。

图4 不同特殊填料人工湿地TP去除率比较

图4表明，4种填料人工湿地对TP的去除能力大小排序为：沸石>砂石>活性炭>锯木屑，但此排序结果规律并不显著，影响因素包括：水力负荷、进水TP浓度、TP测定方法等。人工湿地对磷的去除包括植物吸磷、生物除磷、磷在基质中的吸附沉淀等过程。虽然在进水盐度的抑制下，植物及微生物的吸磷会受到一定程度的抑制，但是由于人工湿地除磷的主要途径是通过使污水中的磷吸附于基质并与基质中的铁、铝、钙等金属离子形成磷酸盐的沉淀而除磷。根据前人的研究结论，湿地中磷的去除与填料性能关系密切，污水中70%～87%的磷是通过填料的吸附、络合、累积作用以及与Ca2+、Fe3+、Al3+和土壤颗粒生成不溶性磷酸钙从废水中沉淀下来。

3.2 不同水力负荷下人工湿地对污染物的去除能力定性分析

将1%～10%的去除率赋值1分，10%～20%的去除率赋值2分、20%～30%赋值3分、30%～40%赋值4分，40%～50%赋值5分、50%～60%赋值6分、60%～70%赋值7分、70%～80%赋值8分、80%～90%赋值9分、90%～100%赋值10分。

根据四组人工湿地对CODCr、NH3-N、TP的总去除率，得到如图5所示去除率得分，其中四组人工湿地对三种污染物的去除率得分排序为：活性炭组>砂石组>沸石组>锯木屑组。得分结果显示，活性炭填料人工湿地的污染物去除率最高，锯木屑最低，沸石和砂石效果居中。作为人工湿地特殊填料的筛选，可选择活性炭和沸石。同时由于本试验期间TP去除效果不是很好，根据相关文献及工程经验，可考虑在特殊填料下层添加100 mm石灰石，原理是石灰石主要成分为CaO，CaO溶出钙离子可以与水中的磷结合，生成溶解度较小的沉淀物，从而去除污水中的磷。

图5 四组人工湿地去除率得分

3.3 高盐废水中植物的生长状况

在低负荷低浓度时，盐度为1.13%～1.38%(平均盐度1.23%)的四组人工湿地，蜘蛛兰=芦苇=香根草=怪柳>花叶芦荻>水葱>风车草>白骨壤=秋茄>鸢尾>拉关木>纸莎草=千屈菜=海桑，其中蜘蛛兰、芦苇、香根草、怪柳存活率为100%，纸莎草、千屈菜、海桑无法在人工湿地里生存。

在高负荷高浓度时，盐度为1.14%～1.59%(平均盐度1.3%)的砂石人工湿地和活性炭人工湿地中，红树类植物、鸢尾、水葱在两组人工湿地中均全部枯萎，只剩下蜘蛛兰、芦苇、香根草、怪柳、花叶芦荻和风车草6种植物。沸石人工湿地和锯木屑人工湿地中，只剩下芦苇、花叶芦荻、香根草等3种植物。

在低负荷低浓度下，沸石人工湿地的植物存活率(64.29%)>锯木屑(59.64%)>活性炭(50%)。植物无法在活性炭基质中良好生存，原因可能是由于活性炭颗粒大，基质无良好保水性，对植物的生长不如颗粒小的沸石、锯木屑和砂石。湿地加大水力负荷后，多种植物死亡，比如红树类、鸢尾、水葱等，最后仅存的几种耐盐植物为芦苇、花叶芦荻、香根草。本试验14种植物在高盐度废水中的生长状况分析，不同植物呈现不同的生长状况，可能由于不同植物的耐盐机理不同，如避盐、耐盐性，植物耐盐机理较复杂。

本试验四组人工湿地对盐度的去除能力有限，在低负荷低浓度时，对盐度的平均去除率为13.16%～18.57%；到高负荷高浓度时，多种湿地植物无法生存、枯萎，对盐度的去除率急剧下降，很多出水盐度浓度反而增加。

4 结论

(1)通过本试验中试研究结果表明垂直流人工湿地对高盐废水中有机物、氮、磷、重金属等污染物均有一定的去除效果，说明垂直流人工湿地技术可运用于高盐废水处理中。

(2)通过试验筛选高盐废水中垂直流人工湿地植物，得出芦苇、花叶芦荻和香根草长势最好：蜘蛛兰、风车草、怪柳长势一般；红树林类植物、鸢尾、纸莎草、千屈菜和水葱长势较差，在试验后期枯萎。在以后工程的应用中，可选择芦苇、花叶芦荻和香根草为高盐废水湿地植物。

(3)本试验垂直流人工湿地填料从上到下填料结构为砂石层0.4 m、特殊填料层0.4 m、砂石层0.4 m、碎石层0.3 m；特殊填料为活性炭和沸石；为增强特殊填料对CODCr、NH3-N的去除作用，宜将0.3 m铺设在原来的位置，包裹植物根系，0.1 m铺设在上层布水管管沟中。为增加人工湿地对TP的去除效果，可在碎石层中混合铺设0.1 m石灰石。

(4)垂直流人工湿地处理高盐废水尾水，当湿地进水稳定在一级A排放标准时，垂直流人工湿地出水能达到地表水Ⅳ类出水标准，在工程扩大应用中，为保证出水效果，建议进水水力负荷不大于0.25 m/d。

5)运用人工湿地技术处理危废高盐废水具有重要的意义：尾水相对于一般污水(废水)而言处理的难度高很多，该项目的实施可以提供一种新的有效的尾水深度处理方法，为后期实际工程的建设提供指导及依据。