近自然氧化塘人工湿地对城镇污水厂尾水复合污染物净化效果研究

王星星　高松

摘要：由于城镇污水厂尾水污染物种类繁多、浓度和流量波动大，因此净化工艺较为复杂，净化效果较差。研究泗洪县地形等概况与近自然氧化塘人工湿地净化机理，预估污水处理量，规定净化前后水质标准。考虑地形地势和水流设计湿地结构，采用化学需氧量测试仪检测、稀释接种法等方法检测COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等污染物的含量。结果表明，利用该方法净化城镇污水厂尾水复合污染物后，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的污染物浓度分别为8.0mg/L、3.9mg/L、5.0mg/L、3.1mg/L、4.4mg/L，污染物去除率均超过50%。由此证明，该方法能够净化尾水中污染物，净化后的尾水质量较高。

关键词：近自然；氧化塘；人工湿地；污水厂尾水；复合污染物

中图分类号：X703 文献标志码：B

前言

经数据统计研究发现，城市、乡镇、乡村的各类地区水质发生污染的情况增多，城镇污水厂尾水导致的二次环境污染问题更加严重。采用二级生化处理的方式去除原始污水中污染物质，容易导致污水中存在高浓度的磷、氮、重金属等。采用高级氧化法、膜分离法、活性炭吸附法、人工湿地法等处理净化城镇污水厂尾水，实现污水二次再生利用。但是，活性炭吸附法与膜分离法对于污染物的承受能力较差，不能实现长时间清除污染物，且使用成本较高，不能满足现阶段城镇日消除万吨以上量级的污水量处理的需求。人工湿地法不但成本更低，建造方式更简单，运行时也无需更多人力投入，因此成为目前最常用的尾水处理方式。

近自然氧化塘人工湿地是一种较为完善的水生生态系统。城镇污水厂尾水进入近自然氧化塘人工湿地，好氧条件会发挥作用，完全降解水体污染物。在光合作用的助力下，利用水体中的藻体与污染物挥发转化成的二氧化碳、氨氮、磷酸根等物质反应，产生氧气，便于有氧菌对有机物氧化降解。同时，近自然氧化塘的塘底还存在大量厌氧细菌，其能够完成无氧代谢，实现无污染二次利用。因此，利用近自然氧化塘人工湿地实现城镇污水厂尾水复合污染物的净化，并且对净化效果展开深入研究。

1 材料方法

1.1 研究区域概况

选择位于洪泽湖西岸，占洪泽湖总面积40%的江苏省泗洪县作为研究对象，其中，洪泽湖湿地占地75万公顷。境内有7条流域性河道，承泄豫、苏、皖上游14.8万平方公里的来水汇入洪泽湖。泗洪县对水质净化的标准和要求较高，但由于城镇污水厂尾水导致二次环境污染问题较为严重，因此尾水排放成为重点关注问题。在保证洪泽湖水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求的前提下，其出水仍需满足国家一级A的要求。只有通过建立尾水湿地工程，对污水处理厂尾水进一步生态处理，有效滤除氮磷营养盐等污染物，使污水处理厂尾水对河湖影响降至较低水平，达到流域水环境保护基本要求。

泗洪县地形主要由岗地和平原为主，部分地区存在少量丘陵地貌，地形结构起伏多变，与“姜”的形状较为接近。该地区地处北亚热带和北暖温带之间，由于季风因素影响，该地区降水较多且气温很高，年均降水893.9mm，平均温度14.6℃。

1.2 近自然氧化塘人工湿地处理泗洪尾水工艺设计

1.2.1 近自然氧化塘人工湿地净化机理

由于不同的污染物具有不同的性质和来源，需要采用不同的方法处理和净化。近自然氧化塘人工湿地净化悬浮固体时，主要是在氧化塘进水口5m至10m范围之内，采用过滤与沉淀作用完成净化。近自然氧化塘之中存在大量植物根、茎以及基质，能够过滤悬浮固体，植物和填料与水体的接触程度直接影响着水体中悬浮同体的去除效果。通过近自然氧化塘过滤、沉淀实现可生化降解颗粒性有机物溶解，近自然氧化塘之中的植物根、茎以及填料上的生物膜都能够接受有机物，由好氧、厌氧、缺氧的方式实现有机物的降解。由于城镇污水厂尾水中的氮以多种形式存在，其中以硝态氮、有机氮和氨氮为主，近自然氧化塘通过硝化、反硝化、氨化等方式实现氮类物质的净化，植物在该过程中发挥一部分吸收氮作用。为了合理利用硝化与反硝化菌，严格控制近自然氧化塘的温度，温度不能低于15℃。

1.2.2 污水处理量设计

为了保证近自然氧化塘人工湿地能够实现城镇污水厂尾水复合污染物的净化，综合考虑研究区域的土地面积以及近自然养化塘处理污水的能力，与当地政府沟通未来环境发展与经济发展需求。将近自然氧化塘人工湿地按照污水处理厂的使用规模扩容，确保近自然氧化塘人工湿地能够实现每日处理9000m3污水，保证该氧化塘能够处理污水厂大量排放的尾水。

1.2.3 净化前后水质标准

通过现场调查，所选取的研究对象的污水经污水处理厂处理后，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（CB18918-2002）的一级A的要求。因此，在设计近天然的氧化塘时，根据此标准的COD（化学需氧量）、BOD5（五日化学需氧量）、NH3-N（氨氮）、TN（总氮）、TP（总磷）等含量确定水质标准。设计过程中可参考《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中的相关规定，各项物质的含量需要超过该标准中的Ⅳ类规定，进水与出水的详细标准见表1。

1.2.4 近自然氧化塘人工湿地设计

综合考虑地形地势和水流方面，将水流势能效果发挥至最大，达到节省能耗的目的，以东西走势方向构建近自然氧化塘人工湿地，该湿地结构情况见图1。

根据图1可以看出，近自然氧化塘人工湿地进水管在塘底，便于过滤，出水口在氧化塘上部，净化后的水不会再受到污染。近自然氧化塘人工湿地主体采用砌砖砂浆抹面方式建造，由混凝土浇筑而成，湿地中的氧气充足。湿地的水深约为0.5m。湿地表面栽种茭白、菖蒲、睡莲、纸莎草、芦苇等植物，种植密度为20株/m2，人工湿地可能会导致周边出现渗漏情况，为解决这一问题，在人工湿地周边衬垫土工膜。

1.2.5 净化结果监测

近自然氧化塘人工湿地实际投入使用以后，从使用当年的6月开始对处理前后的水体采样监测，总监测时长初步定为两个月，在该时间段充分监测采用近自然氧化塘人工湿地净化城镇污水厂尾水复合污染物的情况。主要监测对象为近自然氧化塘人工湿地净化后的水体。

近自然氧化塘人工湿地是城市废水处理中最重要的一种处理手段。而尾水污染物包含COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等，对其处理效果也存在较大差异。采用化学需氧量测试仪检测净化后水体中COD含量变化；利用稀释接种法检测净化后水体中BOD5含量变化；直接用钠式比色法检测水体中NH3-N浓度变化；通过碱性过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法对尾水中的TN浓度实现检测；用过硫酸钾氧化型紫外线分光光度法测定水中的TP浓度情况。

2 结果与分析

2.1 进出水水质分析

近自然氧化塘人工湿地净化城镇污水厂尾水复合污染物净化前后，水体的各项污染物含量均符合国家相关法律法规的规定，且各项实际检测值均低于人工湿地实际时的设计值。但是，各个污染物具有显著性差异，近自然氧化塘人工湿地进出水质中，各个污染物的变化情况见图2。

图2实验结果显示，城镇污水厂尾水进入近自然氧化塘人工湿地之前，各个污染物的含量均较高，其中COD含量最高，接近28mg/L，其他污染物的含量同样较高，均超过16mg／L。由此可知，城镇污水厂尾水中的复合污染物浓度较高。经过近自然氧化塘人工湿地净化处理之后，出水中的复合污染物含量明显降低，COD含量降为8mg/L，BOD5、NH3-N、TN、TP含量均低于5mg/L，复合污染物的含量显著降低，说明该近自然氧化塘人工湿地具有良好的净化效果。

2.2 复合污染物净化结果

城镇污水厂尾水之中含有大量不同的复合污染物，采用所设计的近自然氧化塘人工湿地净化城镇污水厂尾水之后，监测过程中不同时间段各种污染物的含量变化见图3。

图3（a）实验结果显示，进水状态下COD含量在70mg／L-100mg／L范围之内，出水状态下COD含量在40mg/L-60mg/L范围内，尾水中的COD含量明显降低，去除率保持在55%-65%之间，COD去除效率良好。这是由于湿地之中的植物与微生物发挥作用，产生大量氧气，推动COD消除。

图3（b）中实验结果显示，尾水进水中BOD5含量最高值为18mg/L，最低含量为15mg/L，尾水中BOD5含量最高值为12mg/L，经过一段时间净化，BOD5含量为7mg/L上下，说明净化后，尾水中的BOD5也得到高效消除。

图3（c）实验结果显示，尾水进水中，NH3-N最大含量接近21mg／L，最低含量接近15mg/L，该尾水中NH3-N较高，通过近自然氧化塘人工湿地净化之后，NH3-N最大含量没有超过9mg/L，最低含量接近3mg／L。净化后，NH3-N含量明显降低，且NH3-N最大去除率接近65%，净化效果较好，这是由于人工湿地之中的填料发挥吸附作用，硝化菌发挥作用，净化尾水中的NH3-N物质。

图3（d）实验结果显示，尾水中的TN含量较高，检测第3H，TN含量接近28mg/L，之后的各个监测日期中，TN含量始终未低于20mg/L。经过近自然氧化塘人工湿地净化之后，尾水TN含量降低，且随着时间推移，TN含量呈现明显下降趋势。TN去除率也在35%-55%范围之间，虽然该去除率不如前三种污染物的去除率低，但是整体去除效果较好，且该净化效果符合净化前后水质标准。

图3（e）实验结果显示，未经净化的尾水进水中，TP含量在1.2mg/L-1.8mg/L之间，经过近自然氧化塘人工湿地净化之后，TP含量最低值为0.3mg/L，与进水相比，出水TP含量显著降低。说明经过该人工湿地净化之后，尾水中的TP污染物得到良好控制。

图3（f）实验结果显示，温度上升，各类污染物的去除率呈现上升趋势，这是由于湿地中的植物在高温下迅速生长，根系和微生物都能吸附、净化尾水中的污染物。当湿地环境中温度较低时，植物生长缓慢或者无法生长，不能快速降解尾水中的污染物，因此温度较高的环境能够推动尾水中污染物的净化。

3 结束语

通过分析泗洪县城地理位置、气候因素等信息，利用净化悬浮固体、净化有机物与净化氮，三种方式实现了近自然氧化塘人工湿地净化。将近自然氧化塘人工湿地按照污水处理厂的使用规模扩容，完成污水处理量的设计，并根据相关规定，设置净化前后水质标准，综合考虑地形地势和水流方面，设计出近自然氧化塘人工湿地，并利用该方法完成了净化结果监测。实验结果表明，通过净化前后进出水比较，复合污染物的含量显著降低，COD、BOD5、氨氮、总氮、总磷的去除率均高于50%，且温度越高尾水中污染物净化效果越佳，但当温度达到一定程度时，去除率保持不变。由此说明该方法具有良好的净化效果，能够改善水质的污染情况。