基于案例分析的人工湿地尾水处理技术进展

2023-02-27赵春霞李天一付亿俊王洪杰

河北大学学报（自然科学版） 2023年1期

赵春霞，李天一，付亿俊，王洪杰

(河北大学生态环境学院，河北省湿地近自然修复技术重点实验室，河北保定 071002)

当前，水资源已成为限制区域经济发展的重要稀缺资源，根据住房和城乡建设部统计，2013—2020年，中国城镇污水排放量由42.7×108t提升至571.4×108t，成为城镇再生水的重要来源.污水资源化对缓解区域水资源压力、减少水污染和保障水生态安全具有重要的意义.2021年1月，国家发改委联合科技部、生态环境部等九部门共同印发了《关于推进污水资源化利用的指导意见》，6月，国家发改委与住房和城乡建设部联合发布了《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》，对全面推进污水资源化进程做出了部署.

污水资源化技术主要包括以膜分离为代表的物理过滤技术，以混凝沉淀、吸附和高级氧化为代表的物理化学技术以及生物化学技术.人工湿地技术是近20年兴起的同时具备物理、化学和生物协同作用的高效低耗绿色污水处理技术，在得到高品质再生水的同时还可作为生态蓄水单元，提升景观和休闲娱乐功能，成为污水资源化和海绵城市建设的重要技术途径.人工湿地的基本功能单元包括水平潜流湿地、垂直潜流湿地、表面流湿地和浮岛湿地以及其他改良或组合湿地单元.本文通过分析基于人工湿地技术的城镇污水处理厂尾水资源化案例(图1)，将人工湿地工艺技术针对强化脱氮除磷、有机物处理和综合水质提升进行分类，总结不同人工湿地的工艺运行方式和优缺点，为提高城镇污水资源化利用提供参考.

图1 污水处理厂尾水人工湿地工艺技术案例分类

1 强化脱氮除磷人工湿地

城镇污水处理厂尾水的总氮(TN)和总磷(TP)污染问题一直是困扰其水质提升的卡脖子问题，分析表1污水处理厂尾水水质，硝酸盐氮(NO3-—N)为主要氮污染，且TP浓度较高，若直接排入地表水体，会导致富营养化，破坏水生态平衡.采用人工湿地工艺可以对污水处理厂尾水中的氮磷营养盐进行深度处理，效果显著，为提升流域水环境质量提供保障.

表1 国内外脱氮除磷人工湿地案例进出水情况

垂直潜流人工湿地和浮岛人工湿地因为氧气的传质过程较好，有利于好氧生物降解水中有机物，促进有机氮的氨化反应和氨氮(NH4+—N)的硝化反应.水平潜流人工湿地在缺氧条件下有利于硝酸盐的反硝化反应.在表面流人工湿地中溶解氧含量随着浅滩和深潭地形的变化而改变，有利于同步脱氮除磷.分析表1中的案例，单独采用垂直潜流湿地对氮磷的去除效果不明显[4]，而采用多种人工湿地工艺单元联合的方式更有利于氮磷的同时高效去除[1-3].通过可控性较强的电化学技术，可营造好氧、缺氧和厌氧环境，促进TN和TP的去除[5-6].

1.1 传统人工湿地组合工艺

如图2所示，在传统组合工艺中，浮岛人工湿地兼有污染物去除和悬浮物沉淀的作用，可有效去除SS，防止后续的水平潜流人工湿地堵塞，流程最后的表面流人工湿地可进一步提高COD、TN、TP的净化效率，提升整个人工湿地系统抗冲击负荷能力.水平潜流湿地前端和中后端的溶解氧变化明显，易形成好氧-缺氧-厌氧的环境，可显著提高该工艺段的脱氮除磷效果；表面流湿地深潭、浅滩等微地形构成好氧-缺氧-厌氧微循环环境，亦可促进反硝化过程[2].

图2 浮岛-水平潜流-表面流组合人工湿地

1.2 潮汐流人工湿地

人工湿地是通过物理、化学和生物协同作用去除溶解性有机污染物的典型工艺.有研究表明，采用表面流人工湿地可以较好地去除污水处理厂尾水中的药品及个人护理用品(PPCPs)，大多数PPCPs去除效率高于70%[13].此外，采用水平潜流人工湿地去除污水处理厂尾水中的微塑料，去除效果与采用膜生物反应器的效果相当，大型无脊椎动物的摄取作用是微塑料的主要去除途径[14].

a.运行方式[9]；b.多级潮汐流湿地；c.新型潮汐流-潜流组合湿地[10]

趋势三：环渤海大湾区将成为中国未来的重要战略引擎。环渤海地区既有北京、天津，也有唐山、秦皇岛、营口、大连、烟台、东营、威海等沿海城市，还有沈阳、济南和青岛等北方经济中心，区域内人才基础雄厚、交通便利、工业基础扎实，具备发展湾区经济的基础和条件。在我国着力推动粤港澳大湾区建设的背景下，环渤海大湾区建设将成为推动环渤海地区发展乃至中国未来的重要战略引擎。以湾区建设打破行政区划制约，带动河北周边、辽宁南部、山东北部，继而辐射东北、华北地区，逐步形成统筹国内国际、协调国内东中西和南北方的区域发展新格局。

1.3 生物电化学辅助人工湿地

Gu等［16］通过Meta分析发现颈椎后路手术术后C5神经根麻痹发生率为5.8%，单开门椎管扩大椎板成形术、双开门椎板成形术和椎板切除术术后C5神经根麻痹的发生率分别为4.5%，3.1%和11.3%。OPLL、椎间孔狭窄、椎板切除术、脊髓过度后移等是C5神经根麻痹的显著危险因素。

对于Z向位移，1#承台1号、2号角Z向最大位移约为-0.76 mm，3号、4号角点Z向位移最大为-0.80 mm，沉降差为0.04 mm，转角为0.0004°。2#承台1号、2号角Z向最大位移为-0.33 mm，3号、4号角点Z向最大位移为-0.32 mm。沉降差为0.01 mm，转角为0.0001°。

针对高S/N的污水处理厂尾水，采用电化学辅助垂直潜流人工湿地(E-VFCW)工艺，比传统垂直潜流人工湿地(C-VFCW)工艺具有更好的脱氮除磷效果.如图4b所示，最上层的阳极室填装废铁屑，阴极室由3个直径为18 cm的穿孔不锈钢网板间隔组成，内填椰子纤维.进水先流过阳极室，在微量Fe2+或Fe3+的共沉淀和吸附作用下，脱磷率达到92.8%～99.4%，进而在阴极室中通过生物法进一步去除，出水残留PO43-质量浓度为(0.025±0.010)mg/L；阴极室中的硝酸盐受H2驱动，并在S和Fe元素的协同作用下促进生物反硝化过程[5].

a.活性炭-砾石体系[12]；b.铁屑-椰纤维体系[5]

2 强化有机物处理人工湿地

在能源方面，微生物产电对污水中有机物的去除有正向促进作用[16]，如图6所示，人工湿地床由上层有氧区和下层无氧区组成，类似于MFC的好氧室和厌氧室[17]，将人工湿地与微生物燃料电池高效耦合，不仅有利于提高难降解有机物的去除效能，还能促进MFC的产电性能，实现污水资源化和能源回收的双赢.

2.1 传统人工湿地组合工艺

潮汐流人工湿地占地面积小，脱氮除磷效果显著，自动化程度高.采用间歇流运行模式，使污水在泵的驱动下对湿地填料进行周期性的浸润[7]，如图3a所示，运行方式分4个阶段：1)快速进水，填料上残留的硝酸盐离子解吸附；2)接触/缺氧过程，水中有机物在填料上发生吸附而提供碳源，再与硝酸盐(氮源)发生生物反硝化反应；3)快速排水，抽吸空气，强化硝化反应[8]；4)空闲/好氧-缺氧过程，填料上发生有机物氧化和硝化-反硝化反应[9].

柴油机发电系统是复杂的非线性动态系统,该系统在稳定点运行时波动很小,因此可以用线性化模型来表示稳定工作点附近的动态过程[6-7]。柴油发电系统的数学模型可以满足

表2 综合人工湿地对尾水中抗生素的去除效率[15]

图5 尾水抗生素综合人工湿地处理单元[15]

2.2 微生物燃料电池MFC-人工湿地

污水处理厂尾水中的溶解性有机物，如药物、杀虫剂、新兴污染物等，通常较难生物降解，是影响水生态环境健康的重要污染物.采用人工湿地工艺对尾水中的有机污染物进行强化处理，是保障流域水生态健康的重要途径.

图6 微生物燃料电池(MFC)-人工湿地集成技术[17]

2.3 铁炭人工湿地

铁炭人工湿地是以铁炭微电解填料为基质的人工湿地技术，当铁屑和活性炭或焦炭浸没于废水中时，形成无数微小的原电池，并产生大量以羟自由基为代表的氧化基团，以及还原性极强的新生态[H]和Fe2+，可通过氧化还原反应破坏环链有机物和难降解大分子有机物，从而提高人工湿地对有限碳源的利用率；同时在低C/N条件下，铁炭反应为反硝化菌提供电子，减少碳源依赖，促进反硝化作用[3].此外，铁离子可以与磷酸根形成沉淀，显著提高脱磷效果[18].

3 综合水质提升人工湿地

传统水平潜流、垂直潜流和表面流人工湿地工艺单元可与生态塘组合，采用自流进水和定期落干轮休等管理方式，无动力费用，运行简单且费用低，适用于以流域为治理单元的分散型小城镇污水处理厂的集约化运营[19].为了提升污水处理厂尾水的综合水质，强化曝气、基质改良和模块化湿地工艺成为人工湿地的研究热点.

生物膜-电极反应器不需要添加还原无机化合物，即可精确控制电子供体，是目前研究最广泛的自养反硝化技术之一.将三维生物膜电极反应器与人工湿地进行复合，如图4a所示，反应器填料由砾石和颗粒活性炭(GAC)交替构成，石墨毡(GF)为导电体，上层GAC为阴极氢自养反硝化区域，上层砾石为异养反硝化区域，有机物作为电子供体，硝酸盐作为电子受体还原为氮气；下层GAC为阳极有机物氧化区域，产生的电子被传递到阴极[12].

Shan[15]等采用综合人工湿地可显著去除污水处理厂尾水中的抗生素，去除效果见表2.工艺组合如图5所示，编号CW1—CW6为不同人工湿地工艺单元，编号W1—W10为不同工艺单元的出水取样位置.CW1工艺单元为水平潜流湿地，对难降解污染物进行预生物处理，CW2单元为垂直潜流湿地，对有毒物质进行高效去除，CW3单元亦为垂直潜流湿地，主要强化去除营养盐类，CW4单元为生态塘，CW5单元为表面流湿地，通过水生态的自净作用进一步提升水质；CW6单元亦为表面流湿地，既可提升水质，又可存蓄水资源.

3.1 传统人工湿地组合工艺

人工湿地组合工艺不仅提供了自然景观和休闲区，还可提供高品质的再生水，为动植物提供了新的栖息地，提高了生物多样性，促进了河湖退化系统的部分恢复[13].分析表3，国内大部分污水处理厂尾水经过不同人工湿地工艺处理后能达到或优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅳ类水标准.

表3 人工湿地尾水水质提升案例分析

3.2 曝气人工湿地

在传统潜流湿地中，氧供应不足是去除碳氮化合物的限制因素.曝气人工湿地可以提供更好的曝气和空气冲刷条件，通过增强好氧条件提高硝化作用[26-28]，同时还能提高人工湿地的处理效率，减少占地面积，进而降低投资成本和消毒成本，适用于小型人工湿地[29].此外，曝气人工湿地耐寒性较好，全年运行稳定性良好，不易被堵塞[30].潜流曝气人工湿地的导水率和水力效率更高，生物反应也更加高效.与传统生物膜工艺比较，人工曝气三级处理水平潜流人工湿地在成本、处理性能和碳足迹方面均具有竞争力[31].

与传统人工湿地相比，潮汐流人工湿地传氧能力显著提升，复氧过程通过植物根系泌氧、气液、固液界面氧转移，排空瞬间负压吸入等多途径实现.布水均匀性显著提升，“接触”阶段避免了布水不均性和短流的问题.此外，潮汐流湿地可顺次产生厌氧、好氧环境，实现同步脱氮除磷，延缓床体堵塞[11].图3b中的多级潮汐流人工湿地工艺可满足较高的出水水质要求.图3c所示新型潮汐流-潜流人工湿地组合工艺可有效去除污水处理厂尾水中的溶解性有机物，厌氧菌促进了溶解性有机碳和溶解性有机氮的去除，可分别达到88%和91%，NO3-去除率也高达63%[10].

3.3 基质改良人工湿地

基于“废物利用”理念，将废砖作为人工湿地基质，废砖具有质量轻、表面粗糙的多孔结构和比表面积大的特点，可为生物膜的黏附和生长提供足够空间，TP去除率可达90%，但当吸附饱和时，去除效率会明显下降，需要与生物法结合[32].以竹制生物炭与沙子、砾石混合作为人工湿地基质，生物炭比表面积和孔隙体积很大，可为各种自养、硝化和反硝化细菌提供生态位点，从而显著增强脱氮效果[33].基于Mn、Fe、S元素循环的协同生物促进作用，将废钢渣、废矿渣、硫铁矿、菱铁矿、造粒污泥等材料作为人工湿地基质，实现有机污染物的高效去除是当前的研究热点.

3.4 模块化人工湿地

模块化人工湿地是在传统的人工湿地基础上，将人工湿地功能单元等比例缩放，内部基质按照不同功能的最适宜配比进行填充，整个湿地由若干个不同功能的模块构成，植物因地制宜，将不同的模块单元串联或并联，组合成符合需求的形式.模块化人工湿地可大规模生产，实现产品标准化，安装简单快速[34].模块化人工湿地主要有3类：基质模块化人工湿地；一体式模块化人工湿地；快速装配式模块化人工湿地[11].此外，模块化人工湿地可快速更换堵塞区域填料，从而有效解决堵塞导致的维护成本高的问题.但模块化处理会降低水力效率，提高水力学性能是模块化人工湿地推广应用的关键[35].

我感觉自己心里在颤颤地抖，身上也在抖。抖什么抖。我咬咬牙说，我告诉你们，村里早有人报警了，现在有二十个警察已经赶到村东头了，你们要是不想坐监狱，就赶紧走人。要是非抢东西不可，我就跟你们拼命。说完这话后，我感觉心里不颤也不抖了，我想今天反正豁出去了。

学校还应该经常开展一些健康、有益的信息技术竞赛，积极营造健康向上的舆论环境，通过班会交流上网心得，通过小广播介绍小经验，举行“网络安全”的专题讲座，通过网上论坛开展有益的讨论活动，利用网络提供的免费资源，建立班级或自己的主页。鼓励教师上网与学生交流，开展网上心理咨询，班主任向学生公开E-mail地址，或建立班级QQ群。通过网络推动中学生网络道德素养的建设，这样不仅能激发学生的学习兴趣，更重要的是，这些活动中已经渗透了信息道德教育。长此以往，必能大大提高学生的信息道德素养，促进学校网络道德教育的成效。