新型人工湿地用于校园生活污水强化氨氮、磷及有机物的去除

吴子平 王竹梅

摘要：该试验选用垂直地下流人工湿地（vertical subsurface flow constructed wetlands， VSSF-CWs）处理校园生活污水，第一、三级人工湿地水力负荷为0.822m3/（m2·d），第二、四级为0.038m3/（m2·d）。以潮汐流方式运行（运行周期为8h），提高溶解氧供给，强化NH4+-N及COD的去除;并选用建筑固体废弃物为填料强化磷的去处。试验结果表明：COD浓度由118.60±37.91mg/L降为43.50±16.56mg/L，平均去除率为87.03%;NH4+-N主要通过硝化作用转化为硝氮，浓度由48.74±15.96mg/L降为1.57±1.48mg/L，平均去除率为96.69%。建筑固体废弃物表现出良好的吸附性能，PO43--P浓度由2.94±0.92mg/L降为0.02±0.01mg/L，平均去除率为99.36%。

关键词：垂直地下流人工湿地;校园生活污水;潮汐流;建筑固体废弃物

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：Vertical underground flow constructed wetland was selected to treat Campus Domestic Sewage in this experiment. The hydraulic loading of the first and third stages was 0.822 m3/（m2·d）， while， the hydraulic loading of the second and fourth stages was 0.038 m3/（m2·d）. To enhance ammonia nitrogen and COD removal， the tide-flow operation was adopted （the cycle of circulation was 8 h） to increase dissolved oxygen supply. At the same time， the removal of phosphorus was strengthened by using building solid waste as filler. The results showed that a perfect efficiency was achieved. The concentration of COD decreased from 118.60±37.91mg/L to 43.50±16.56mg/L， and the removal efciency was 87.03%. The concentration of NH4+-N dropped from 48.74±15.96mg/L to 1.57±1.48mg/L， which mainly transformed into nitrate by nitrification， and the removal ef?ciency was 96.69%. Construction solid waste showed perfect P sorption capacity. The concentration of PO43--P dropped from 2.94±0.92mg/L to 0.02±0.01mg/L， and the removal ef?ciencies of PO43--P was 99.36%.

keywords：Vertical underground flow constructed wetland;Domestic wastewater for campus;Tidal ?ow;Construction solid wast

随着西安城市化进程的发展，在城郊或阔别城区的场所不断有居民区和大学园区逐渐建成。由于缺乏污水收集管网和相应的处理设施，大部分新建的社会公园在没有任何处理的情况下现场排放，最后并入渭河，污染水体。目前，渭河流域关中段分散型生活污水排放已经成为渭河污染物的主要点源贡献者。因此，分散型污染的治理十分紧迫。

人工湿地经常使用于分散型生活污水处理[1]。但是，以下关键工艺问题还有待进一步改善：一、由于人工湿地溶解氧不足使硝化过程受到抑制;二、基质吸附性能差造成磷的去除效果不佳。

潮汐流人工湿地通过进水 - 滞留 - 排水 - 空转模式运行，允许空气中的氧气进入基质空隙，增加溶解氧的供应并增强NH4 + -N和COD的去除[2]。磷去除是经过植物汲取、微生物同化和填料吸附等协同实现，其中植物汲取磷小于10%，微生物同化除去磷为4.5%～19%，所以磷主要是靠填料吸附和沉淀作用去除[3]。砾石和碎石是人工湿地常用基质，但对磷的去除仅为26.7%～65.0%，因为砾石和碎石中通常没有足够的Fe、Al、Ca等金属盐类[3]。此外，每年中国建筑产生的建筑固体废物有4000万吨[4]。大量的建筑固体废弃物不仅占用了大量的土地资源，而且严重污染了周围的环境。将其中的粉煤灰砌砖（含27.80%Al2O3、6.63%FeO/Fe2O3和3.22%CaO[4]）资源化利用作为人工湿地填料，它不仅可以增强人工湿地的脱磷，还可以实现废物处理，为建筑固体废物的处理提供了新的途径。

为探索建筑物处理固体废物的新方法，探索适合处理分散生活污水的新工艺，本项目采用新型潮流人工湿地，以建筑固体废弃物为基质处理校园生活污水，研究了COD，NH4 + -N和PO43- - P对主要污染物的影响，特别是氮、磷的去除效果。

1 试验系统与方法

试验构成见图1，由Imhoff池和四个垂直流人工湿地串连构成。每级人工湿地承托层15cm，填料层50cm。第一、三级人工湿地表面积均为0.006936m2，填料均为建筑固体废弃物回收的砾石，粒径由上至下分别为大于2cm、1.2～2cm和 0.6～1.2cm、0.3～0.6cm。第二、四级人工湿地表面积均为0.15m2，前后均有15cm的布水区，填料均为建筑固体废弃物粉煤灰砌砖制作成的不同粒径粉煤灰，粒径由上至下分别为 1.2～2cm、0.6～1.2cm和0.14～0.3cm、0.09～0.14cm。测试系统由潮汐流操作，运行周期8h，每次进水1.9L，第一、三级人工湿地水力负荷为0.822m3/（m2·d），第二、四级为0.038m3/（m2·d）。

2 原水水质

试验用水是西安某大学的校园生活污水，确定水样指标的方法采用第四版“水和污水监测分析方法”的标准方法。原水水质见表1：

3 试验结果与讨论

3.1 VSSF-CWs对有机物的去除特征

图2 為VSSF-CWs 对COD的去除特征。由图2可知：校园生活污水COD浓度变化大，经Imhoff池预处理后，由331.37±153.55mg/L降至118.60±37.91mg/L，再经VSSF-CWs处理后降为43.15±16.56mg/L 。VSSF-CWs系统对COD的平均去除率为87.03%，其中Imhoff池去除了65.13%，主要是通过沉淀去除大部分SS实现，而VSSF-CWs去除的COD只有21.89%。可见，Imhoff池对SS有很好的去除效果，它与人工湿地组合对COD的去除效果良好，且VSSF-CWs运行50d后达到稳定。

Jan Vymazal[3]采用Imhoff池与潜流人工湿地组合而成的复合系统处理生活污水时，Imhoff池能去除大部分SS，该系统的COD去除率为74.9%。Samira Abidi等人[5] 以沉淀-消化池为预处理设施，采用复合潮汐流人工湿地处理分散型生活污水，结果表明系统对COD的去除率高达90%。本试验对COD的去除效果优于Jan Vymazal的研究结果，与Samira Abidi的研究结果相近。

3.2 VSSF-CWs对氨氮的去除特征

图3为VSSF-CWs对氨氮的去除特征。由图3可知：生活污水原水NH4+-N变化大，浓度为48.74±15.96mg/L，但VSSF-CWs出水稳定，浓度为1.57±1.48mg/L。Imhoff池对NH4+-N几乎没有去除效果，出水浓度为46.93±13.81mg/L，各级人工湿地出水NH4+-N浓度逐级递减。VSSF-CWs对NH4+-N的去除效果显著，去除率为90.85%～100%，平均去除率为96.69%。各级人工湿地的平均去除率依次为39.94%、35.32%、16.55%和1.49%。其中硝氮占出水三氮（氨氮+硝氮+亚硝氮）总量的93.87%，氨氮占6.13%，说明VSSF-CWs以潮汐流方式运行，提供了充足的溶解氧供硝化过程顺利进行，而反硝化过程不理想，NH4+-N主要通过硝化作用转化成硝氮去除。VSSF-CWs试验结果与Guenter Langergraber[6]的结果相似，他用两级串联潮汐流人工湿地处理生活污水，在进出水NH4+-N浓度分别为59.30mg/L和0.29mg/L时，氨氮的去除率为99.51%。

3.3 VSSF-CWs对磷的去除特征

在过去的几十年里很多学者对人工湿地的研究结果均表明磷的去除效果欠佳。Hans Brixy[7]用沙作为垂直流人工湿地基质处理小区生活污水时，磷的去除率为20%～30%。Chan等人[8]用基质为煤渣的潮汐流人工湿地处理大学园区生活污水时，磷的去除效果仅为40%。当Fenxia Ye[9]等人用砾石和沙组成混合基质的人工湿地系统处理小区生活污水时，TP的去除率为64%。Jan Vymazal等人[1]用碎石作为基质的人工湿地处理生活污水时，磷的去除率为65.4%。由此可知，磷去除的关键在于基质的选择。本试验选择建筑固体废弃物粉煤灰砌砖制作成的不同粒径的粉煤灰颗粒作为除磷基质，其除磷效果如图4所示。

由图4可知：生活污水原水磷酸盐浓度化大，平均为2.94±0.92mg/L，经Imhoff池后一部分有机磷转化成磷酸盐，出水浓度升高至3.41±0.72mg/L，再经VSSF-CWs处理后的出水浓度为0.02±0.01mg/L。VSSF-CWs对磷的去除效果显著，去除率为96.23%～100%，平均去除率为99.36%。Imhoff池对磷酸盐完全没有去除效果。第二级人工湿地对磷酸盐的去除贡献最大，平均去除率为79.86%，磷酸盐浓度从2.86±0.53mg/L降至0.58±0.29mg/L，粉煤灰对磷酸盐的去除效果显著。同时第一、三级人工湿地通过微生物同化吸收了18.54%和4.33%的磷酸盐，第四级人工湿地吸附去除了14.09%磷酸盐。Defu Xu等人[10] 用朗格缪尔吸附等温线钻研了人工湿地中不同基质对磷酸盐的吸附去除能力，结果显示粉煤灰对磷酸盐有很好的去除效果，吸附能力为8.81 g P kg-1，明显优于沙、土等。

3.4 VSSF-CWs中溶解氧的供给与消耗特点

供氧不足是人工湿地普遍存在的问题。传统人工湿地采用连续流方式运行，其内部溶解氧主要为植物根部传递光合作用产生的氧和进水中自带的小部分氧，这两部分溶解氧往往不能满足污染物氧化消耗需要的溶解氧。而潮流人工湿地是间歇性的入口和出口水，空气中的氧气在闲置阶段进入基质空间，可以增加氧气供应，加强NH4 + -N和COD的去除。VSSF-CW以潮流模式运行，溶解氧供应和消耗特性如图5所示。

研究表明，1g COD完全氧化需要1g 溶解氧，1g NH4+-N完全硝化成硝氮需要4.57g 溶解氧[2]。VSSF-CWs系统去除的COD和NH4+-N分别为407.96 mg/d和255.22mg/d。由此计算出VSSF-CWs中COD和NH4+-N分别消耗了11.34 g/（m2·d） 和104.89 g/（m2·d）的溶解氧。又根据试验所在地的地理条件计算，有512.56 g/（m2·d）氧进入整个VSSF-CWs中，即使只有25% 的氧溶于VSSF-CWs，也有128.14 g/（m2·d）的溶解氧可供利用，完全满足VSSF-CWs中COD和NH4+-N消耗的溶解氧量。因此，潮汐流人工湿地提供了充足的溶解氧，保证了COD和NH4+-N的高效去除。

4 结论

VSSF-CWs对校园生活污水中主要污染物COD、NH4+-N、PO43--P和TP去除效果良好。因此，它非常适合用作分散社区污水的处理技术。

VSSF-CWs采用潮汐流方式运行，能提高氧的供给，强化NH4+-N和COD的去除，其平均去除率分别为96.69%和87.03%。建筑固体废弃物对磷表现出很好的吸附性能， PO43--P平均去除率为99.36%，为大量建筑固体废弃物的处置提供了新途径。

参考文献

[1]Jan Vymazal， Lenka Kr?pfelová. A three-stage experimental constructed wetland for treatment of domestic sewage： First 2 years of operation. Ecological Engineering， 2010，16（31）：1-9.

[2]Guangzhi Suna， Yaqian Zhao， Stephen Allen. Enhanced removal of organic matter and ammoniacal-nitrogen in a column experiment of tidal ?ow constructed wetland system. Journal of Biotechnology，2005（115）：189-197.

[3]Jan Vymazal. The use of sub-surface constructed wetlands for wastewater treatment in the Czech Republic：10 years experience. Ecological Engineering， 2002（18）：633–646.

[4]王助国，刘军，李亚峰等.粉煤灰处理废水的相关问题[J].辽宁城乡环境科， 2005（25）：39-50.

[5]Samira Abidi， Hamadi Kallali， Naceur Jedidi et al. Comparative pilot study of the performances of two constructed wetland wastewater treatment hybrid systems. Desalination 2009（246）：370-377.

[6]Guenter Langergraber， Klaus Leroch， Alexander Pressl et al. High-rate nitrogen removal in a two-stage subsurface vertical flow constructed wetland.Desalination，2009（246）：55-68.

[7]Hans Brix， Carlos A. Arias. The use of vertical ?ow constructed wetlands for on-site treatment of domestic wastewater： New Danish guidelines. 25， 2005. Ecological Engineering . 491-500.

[8]S.Y. Chan， Y.F. Tsang， L.H. Cui et al.  Domestic wastewater treatment using batch-fed constructed wetland and predictive model development for NH3-N removal. Process Biochemistry， 2008（43）：297-305.

[9]Fenxia Ye， Ying Li. Enhancement of nitrogen removal in towery hybrid constructed wetland to treat domestic wastewater for small rural communities. Ecological Engineering， 2009（25）：1043-1050.

[10]Defu Xu， Jianming Xu， Jianjun Wu et al. Studies on the phosphorus sorption capacity of substrates used in constructed wetland systems. Chemosphere 2006（63）：344–352.

收稿日期：2019-05-16

作者简介：吴子平（1985-），男，硕士研究生学历，中级工程师，研究方向为水污染控制关键技术研究。