组合型人工湿地系统中污染物去除过程分析

2022-03-21夏绍凤高文乔王矛矛

绿色科技 2022年4期

薛竣，夏绍凤，高文乔，王矛矛

(合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽合肥 230009)

1 引言

人工湿地是由天然湿地发展而来，对水中的污染物具有很强的耐受能力。目前由人工设计建造的湿地生态系统，是一种可控性良好的污废水处理设施，常用于处理污水处理厂二级出水、雨水径流和微污染水体[1]。人工湿地一般由基质、植物以及生长在其中的微生物构成并由它们共同发挥作用。在这当中植物根系在基质间隙中伸展，从人工湿地的孔隙废水中吸收养分(如氮、磷)，支持自身生长，同时净化水体(去除重金属和难降解有机物等)，湿地中的基质可以从水中吸附无机离子，尤其是磷离子。在交替的需氧/厌氧条件下，包括氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)亚硝酸盐氧化菌(NOB)或厌氧氨氧化细菌(Anammox)等各种细菌在内的微生物都可以分解有机质，并将氮素转化为N2[2,3]。人工湿地中的底物、植物和微生物在废水净化中起着不同的作用，它们具有复杂的连接。

目前学者通常根据人工湿地中地表水的存在与否(表流或潜流)或水流方向(垂直或水平)进行分类，还可以通过组合不同类型的人工湿地来设置混合式的人工湿地[4]。表流人工湿地中是种植湿地大型植物的浅盆地(通常5～40 cm)，对土壤质量没有特殊要求，土壤的主要功能是支持植被的生长，污染物处理发生在水体和底部沉积物层中。潜流型湿地可分为水平流型和垂直流型。水平流控制的湿地不断地进水，因此滤床大部分是缺氧的，好氧区只出现在靠近根部的区域。垂直流人工湿地是间歇性的，允许氧气扩散到过滤床。一旦床空后，水渗透到底部。因而垂直流人工湿地较前者相比有更高的氧传输能力，对氨的去除效果更好。另外还可以将不同湿地组合形成复合处理系统，复合湿地系统在世界范围内得到了广泛的应用，它可以有效地去除多种废水类型中的含氮化合物[5]。

明确组合型人工湿地系统各单元的污染物去除过程和机制对提高尾水处理效果、优化湿地运行条件具有重要意义。因此，本研究以某市经开区组合人工湿地系统作为研究对象，对污水在湿地各单元中主要污染物去除过程进行监测，以期对组合型湿地系统中污染物去除效率进行评价并探讨潜在的去除机理。

2 材料与方法

本研究中人工湿地系统位于某市经济技术开发区，总占地面积约670 亩。该湿地系统于2020 年开始试运营，湿地进水量约为2.2 万t/d，平均水力停留时间为8.5 d，污水处理厂尾水和河道上游污水混合后进入湿地系统，经湿地处理后再排入下游河道。如图1所示，人工湿地系统由预处理塘、曝气好氧塘和多级表流湿地单元串联组成。

图1 人工湿地系统示意

本次实验采样时间为2021年5月22日，采样时水体平均温度达26.6 ℃。在湿地入口和各功能区末端分别设置采样点，以监测对污水的处理效果。采用直立式水样采集器采集水面下0.5 m处水样，每个采样点各取3次重复，现场测定水体的溶解氧、pH值、色度和浊度。所有水样采集后立即放入便携式保温箱中4 ℃保存，并于12 h内运至实验室用于其他指标测定。

溶解氧(DO)和pH值采用便携式快速检测仪(哈希HQ30d)，色度和浊度分别采用便携式色度仪(雷磁WZB-421)和浊度(雷磁WZB-170)测定。化学需氧量(COD)、总氮(TN)、硝酸盐氮(NO3--N)和总磷(TP)根据国家标准方法进行测定[6]。

3 结果与分析

人工湿地系统中pH值和溶解氧的变化规律如图2所示。

图2 湿地各单元中DO和pH值变化

溶解氧的变化趋势与pH值相似，在人工湿地系统中溶解氧整体保持上升趋势，在曝气好氧塘中DO浓度达到最大。人工湿地系统中溶解氧浓度变化范围为6.55～12.71 mg/L，由于曝气好氧塘中曝气机的工作提高了水体溶解氧，导致溶解氧出现过饱和现象。水体中化能异养微生物和水生植物的呼吸作用能够消耗水中的溶解氧，多种微生物在降解污染物过程中需要氧气作为电子受体(例如：硝化细菌、亚硝化细菌和聚磷菌)，因此水体中溶解氧浓度直接影响着湿地对有机物、氨氮和总磷的去除效果。在人工湿地系统中通常利用人工曝气、跌水和潮汐进水等方式提高溶解氧[8]。本次采样为初夏时节，湿地中水生植物生长茂盛，植物的光合作用产生的氧气释放到水体中提高了溶解氧浓度。

人工湿地系统对污水COD处理效果如图3所示。

图3 COD在湿地各单元中的去除

湿地入口监测到污水COD浓度为36.94 mg/L，污水进入湿地系统后COD浓度逐渐降低。通过对比四级表流湿地出水和湿地入口COD浓度发现，人工湿地系统对污水中COD整体去除率为65.8%。其中预处理塘和曝气好氧塘在COD去除过程中占主要作用，对去除率的贡献分别为23.6%和34.5%，多级表流湿地系统对COD去除作用较弱。在曝气好氧塘中人工曝气工艺直接提高了水体中溶解氧浓度，加速了有机质的氧化过程。但由于本研究中湿地进水为污水处理厂尾水和上游污水，其中有机物可生化性较低，导致COD去除率整体偏低。

污水中氮素的形态及在人工湿地系统中的去除过程如图4所示。

从图4中可以看出，湿地入口处污水总氮浓度为48.6 mg/L，污水中的氮以氨氮和硝态氮为主，分别占总氮的60.8%和32.3%，没有检测到亚硝态氮的存在。经过人工湿地系统处理后，总氮、氨氮和硝态氮去除率分别达到96.4%、99.5%和92.9%。人工湿地系统中各单元对污水中的氮素去除效果具有显著差异，预处理塘中总氮和氨氮略微降低，而硝态氮几乎没有发生除去。当污水进入曝气好氧塘中，氨氮和硝态氮迅速降低到7.03 mg/L和6.52 mg/L。这可能是因为曝气好氧塘中由于溶解氧浓度高，好氧的氨氧化细菌和古菌迅速生长，将氨氮氧化为硝态氮和亚硝态氮。同时，由于曝气好氧塘中设计了沉底式生物膜系统中富集了微生物，局部的厌氧和缺氧环境导致反硝化微生物的生长，将硝态氮和亚硝态氮还原为N2O或N2释放到空气中[9]。此外，多级表流湿地中挺水和沉水植物的生长对水体中氮素的去除也起到了重要作用。

图4 氮素在湿地各单元中的去除

污水中总磷在人工湿地系统中的去除过程如图5所示。

图5 总磷在湿地各单元中的去除

湿地入口处污水中总磷浓度为1.05 mg/L，人工湿地系统对污水总磷去除率为97.14%。人工湿地系统对总磷的去除具有显著的分段特征，曝气好氧塘段中去除了总磷的71.4%。研究表明：湿地系统中对总磷的去除主要通过植物吸收、基质材料吸附和聚磷菌等微生物利用等途径去除。在本研究中约有71.4%的总磷在曝气好氧塘单元中被去除。曝气好氧塘中通过设置曝气机提高了水体溶解氧，有利于好氧的聚磷菌生长，同时沉底式生物膜系统为微生物的生长提供了附着面，提高了微生物的处理效率。

污水色度和浊度在湿地各单元中的变化过程如图6所示。

图6 水体色度和浊度在湿地各单元中的变化

湿地入口处污水的色度和浊度分别为39°和37.8 NTU，经湿地系统处理后色度和浊度分别降低到12°和1.9 NTU。湿地系统中水体色度和浊度的变化规律具有明显差异，水体浊度自进入湿地后逐渐降低，当到达表流湿地系统后保持稳定。研究表明，湿地系统植物对水体中的颗粒物具有良好的拦截效果，对水体浊度的提高具有显著作用[10]。而水体色度在进入湿地系统后先升高后降低，在预处理塘和曝气好氧塘中色度高于原水。水体中的有机物和金属离子是造成水体色度升高的主要原因，预处理塘和曝气好氧塘中水中营养物质较为丰富，促进了水体微生物(包括藻类)的生长，导致水中叶绿素a及腐殖酸类物质浓度提高进而提高了水体的色度。在湿地运行过程中爆发了蓝藻水华，因此藻类的增长可能是造成预处理塘和曝气好氧塘中色度升高的主要原因。