楊宗慧，李亞園，馬貴鵬，趙琦琳

(1.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034；2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

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人工濕地工藝在污水處理中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

楊宗慧1，李亞園1，馬貴鵬2，趙琦琳3*

(1.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034；2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

【目的】研究人工濕地工藝在污水處理中的作用，明確人工濕地工藝運(yùn)行機(jī)制，為污水處理行業(yè)提供借鑒?！痉椒ā恳詫?shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)就當(dāng)前國內(nèi)生活污水處理常用的氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝對CODCr、BOD5、SS、TP、TN這5項(xiàng)指標(biāo)的處理現(xiàn)狀作了分析比較?！窘Y(jié)果】人工濕地工藝相對于其它兩種工藝表現(xiàn)出了更加優(yōu)秀的處理能力，CODCr、BOD5、SS、TP、TN等5項(xiàng)指標(biāo)的去除率均相對較高。應(yīng)用人工濕地工藝的污水處理廠CODCr、BOD5、SS、TP 等4項(xiàng)指標(biāo)的年平均去除率均達(dá)到了90 %及以上，TN的去除率也可達(dá)80 %。【結(jié)論】從處理效果、投資及運(yùn)營成本等各方面來看，人工濕地應(yīng)用在中小型污水處理廠生活污水的處理中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。將人工濕地工藝運(yùn)用在污水處理中可大大提高污水的處理效率，還可降低運(yùn)行成本。

生活污水；人工濕地；氧化溝；ICEAS

【研究意義】 水是人類和其它生物的重要組成部分，也是人類賴以生存的重要條件之一。中國本身水資源是匱乏的，隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對水的需求量不斷增加，但排出的廢水也越來越多。中國現(xiàn)階段的水體污染狀況不容樂觀。全國地表水總體為輕度污染，部分城市河段甚至達(dá)到了中重度污染。面對如此嚴(yán)峻的形式，我們除了應(yīng)該考慮從源頭上采取措施減少生產(chǎn)、生活各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢水外，還應(yīng)該解決廢水的處理問題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】人工濕地工藝最早在國外始于1953年的德國Max Planck 研究所，該研究所的Seidel博士在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能去除大量有機(jī)物和無機(jī)物，該發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人工濕地污水處理的初步萌芽。隨后人工濕地處理污水技術(shù)不斷完善，并于20世紀(jì)80、90年代在歐洲、美國、加拿大、日本等地得到了廣泛的應(yīng)用。中國進(jìn)行人工濕地處理系統(tǒng)的研究較晚，在“七五”期間才開始人工濕地的研究工作，仍處于起步階段。目前人工濕地的研究和應(yīng)用正方興未艾。當(dāng)前，全國各省、市也都在積極的開展設(shè)計(jì)、規(guī)劃等工作?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以分別采用氧化溝工藝[1]、ICEAS工藝[2]及垂直流人工濕地工藝[3-4]的A、B、C 3縣的污水處理廠為研究對象。通過監(jiān)測氧化溝工藝、ICEAS工藝和垂直流人工濕地工藝處理生活污水的CODCr、BOD5、TP、TN、pH、SS六項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算每種指標(biāo)的去除率(pH除外)，分析比較3種工藝處理的情況?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通過對比這3種普遍采用的污水處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，突出人工濕地處理工藝的優(yōu)勢，并著重分析該工藝的污水處理情況，試圖解釋處理過程中一些突發(fā)現(xiàn)象并找出解決辦法，使現(xiàn)有的工程運(yùn)行趨于完善、為其他工程提供借鑒[5-6]。

1 材料與方法

1.1 材料

以前期收集的采用氧化溝工藝的A縣污水處理廠、采用ICEAS工藝的B縣污水處理廠以及以垂直流人工濕地工藝處理生活污水的C縣污水處理廠提供的2011-2014年各月份的CODCr、BOD5、TP、TN、pH、SS6項(xiàng)指標(biāo)的進(jìn)出口濃度值為分析材料。

1.2 方法

1.2.1 污水處理工藝方法 (1)氧化溝是一種活性污泥處理系統(tǒng)，其曝氣池呈封閉的溝渠型，在水力流態(tài)上不同于傳統(tǒng)的活性污泥法，是一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠，又稱循環(huán)曝氣池，具有克服短流、提高緩沖能力、有明顯的溶解氧濃度梯度、特別適用于硝化-反硝化生物處理工藝、處理流程簡單、操作管理方便、出水水質(zhì)好、工藝可靠性強(qiáng)、基建投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[7]。

(2)ICEAS工藝(Intermittent Cycle Extended Aeration)，間歇式循環(huán)延時(shí)曝氣活性污泥法)是將SBR反應(yīng)池沿長度方向分為兩個(gè)部分，前部為預(yù)反應(yīng)區(qū)，后部為主反應(yīng)區(qū)，預(yù)反應(yīng)區(qū)可起調(diào)節(jié)水流的作用，主反應(yīng)區(qū)是曝氣、沉淀的主體。它具有占地面積小，土建投資少、設(shè)備少、能耗低、沉淀效果好、耐沖擊負(fù)荷、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)[8]。

(3)人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制地投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動(dòng)的過程中，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對污水、污泥進(jìn)行處理的一種技術(shù)[9]。而垂直流人工濕地在凈化污水尤其是脫氮除磷方面有較好的效果[10]。工藝流程如圖1。

圖1 人工濕地工藝簡易流程Fig.1 The simplified schematic of constructed wetland process

該工藝以耐沖擊負(fù)荷的碎石床作為一級(jí)濕地，將污染物去除效率高、水質(zhì)的深度處理效果好的垂直流人工濕地作為第二級(jí)，形成了類型多樣、結(jié)構(gòu)合理，優(yōu)勢互補(bǔ)的低能耗綜合處理系統(tǒng)[11]。兩級(jí)濕地之間存在梯級(jí)坡降，表面也種植具有一定觀賞價(jià)值的水生、濕生植物，可提高整個(gè)處理系統(tǒng)的感觀效果，使人工濕地發(fā)揮多項(xiàng)綜合效益[12]。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法 將A、B、C 3縣的污水處理廠所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，根據(jù)3個(gè)污水處理廠每月監(jiān)測一次CODCr、BOD5、SS、TP、TN 5項(xiàng)指標(biāo)的進(jìn)出口濃度值算出各項(xiàng)指標(biāo)月平均去除率，對數(shù)據(jù)全部處理后得出了氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝處理生活污水之后各指標(biāo)的平均去除率，并作比較。從不同角度重點(diǎn)分析了人工濕地應(yīng)用在污水處理中的效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工藝各項(xiàng)指標(biāo)平均去除率的比較

從圖2可以看到，氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝對常規(guī)生活污水的處理均具有較理想的效果。其中人工濕地工藝相對于其它2種工藝表現(xiàn)出了更加優(yōu)秀的處理能力，CODCr、BOD5、SS、TP、TN 等5項(xiàng)指標(biāo)的去除率均相對較高。從平均處理生活污水能力來看，應(yīng)用人工濕地工藝可以取得更為理想的效果。人工濕地不僅處理效果顯著，還具有建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢[13]，其投資成本大約為一般二級(jí)污水處理廠的1/3；運(yùn)行成本僅為一般二級(jí)污水處理廠的1/6。這一系統(tǒng)日常運(yùn)行管理維護(hù)只需一名兼職管理人員即可完成，是中小型污水處理廠的最佳工藝選擇[14-15]。

2.2 人工濕地工藝隨年份各項(xiàng)指標(biāo)去除率的變化

C縣污水處理廠采用人工濕地工藝，對2011-2014年各月份處理生活污水的CODCr、BOD5、SS、TP、TN指標(biāo)濃度值作分析后給出了年平均去除率，從圖3可以看出，C縣人工濕地工藝污水處理廠處理生活污水的能力在2011-2014年中第3年有一個(gè)下降再回升的過程，這是因?yàn)槿斯竦卦谶B續(xù)運(yùn)行了3年后，由于污染物的積累以及凈化水質(zhì)的植物達(dá)到飽和，處理能力出現(xiàn)了明顯的下降。這時(shí)采取更換人工植物，清理人工濕地系統(tǒng)的措施，第四年之后其處理能力又回升到原始處理水平。CODCr、BOD5、SS、TP 4項(xiàng)指標(biāo)的年平均去除率均達(dá)到90 %左右，TN的去除率也接近80 %。該監(jiān)測結(jié)果可以為以后及其它人工濕地處理系統(tǒng)提供一個(gè)借鑒參考，在條件允許的情況下，人工濕地系統(tǒng)清理及更換種植植物需2～3年/次或不定期。

圖2 不同工藝各項(xiàng)指標(biāo)平均去除率Fig.2 The average removal rates of different processes

2.3 人工濕地工藝歷年隨月份各項(xiàng)指標(biāo)去除率的變化

每年這幾項(xiàng)指標(biāo)的去除率總體都呈現(xiàn)出一個(gè)先下降后上升的趨勢(圖4)，在1-5月由于氣溫較低，大部分植物的生長都比較緩慢，在水質(zhì)污染指標(biāo)不變的情況下濕地的去除率較差；但從6月開始進(jìn)入植物生長繁殖期，濕地工藝的處理能力這時(shí)表現(xiàn)出快速增長的趨勢，第二年又轉(zhuǎn)入了能力下降趨勢。

圖3 人工濕地工藝隨年份各項(xiàng)指標(biāo)去除率的變化Fig.3 The changes of the removal rates of the index with years in constructed wetland process

2.4 數(shù)據(jù)比較結(jié)果分析

一個(gè)污水處理廠一年交替應(yīng)用2種工藝處理生活污水，其處理能力會(huì)大大提高。前半年可以使用處理能力相對較好的氧化溝工藝或ICEAS工藝，這時(shí)人工濕地系統(tǒng)可以得到休整，避免在處理能力較低時(shí)導(dǎo)致污染物的積累。后半年可以停用氧化溝工藝或ICEAS工藝，這時(shí)人工濕地系統(tǒng)正處于處理能力最好的時(shí)期，前半年系統(tǒng)也得到很好的自凈，后半年換用人工濕地處理生活污水不但不會(huì)降低處理能力，反而會(huì)增加。依此類推每年輪換工藝，這樣既提高了整個(gè)污水處理廠的處理能力和效率，也在一定程度上降低了成本，起到了一舉兩得的效果。

圖4 人工濕地工藝歷年隨月份各項(xiàng)指標(biāo)去除率的變化Fig.4 The changes of the removal rates of the index with months in constructed wetland process

3 討 論

對于污水處理廠的人工濕地系統(tǒng)，運(yùn)行2～3年后由于植物老化，污染物積累等因素出現(xiàn)能力下降的情況。在條件允許下，每隔2年左右對濕地系統(tǒng)作一次植物更換和清理。

單獨(dú)運(yùn)用人工濕地工藝處理生活污水，在低溫季1-5月水生植物生長繁殖緩慢，污水處理廠的處理能力會(huì)下降，6月后才會(huì)回升。因此建議污水處理廠可考慮一年中的前半年和后半年分別采用兩種工藝，這樣，可大大提高全年的處理效率，還可降低運(yùn)行成本。

4 結(jié) 論

文章對分別采用氧化溝工藝、ICEAS工藝及垂直流人工濕地工藝的A、B、C 3縣的污水處理廠進(jìn)行研究。監(jiān)測生活污水進(jìn)出口的CODCr、BOD5、SS、TP、TN 5項(xiàng)指標(biāo)濃度變化，并重點(diǎn)探究了人工濕地處理生活污水能力的規(guī)律變化，各指標(biāo)的分析結(jié)果表明濕地工藝的處理能力相對于氧化溝工藝和ICEAS工藝更略勝一籌。應(yīng)用人工濕地工藝的污水處理廠CODCr、BOD5、SS、TP 4項(xiàng)指標(biāo)的年平均去除率均達(dá)到了90 %及以上，TN的去除率也可達(dá)80 %。

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(責(zé)任編輯 王家銀)

Analysis on Advantages of Constructed Wetland in Sewage Treatment

YANG Zong-hui1，LI Ya-yuan1，MA Gui-peng2，ZHAO Qi-lin3*

(1.Yunnan Institute of Environmental Science, Yunnan Kunming 650034, China; 2.Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Yunnan Kunming 650500, China; 3.Yunnan Center of Environmental Monitoring, Yunnan Kunming 650034, China)

【Objective】The objective of this study is to clarify the role and the operation mechanism of artificial wetland process, and to provide reference for the sewage treatment industry. 【Method】 Actually monitoring data from three kinds of current domestic sewage treatment methods which are oxidation ditch process, ICEAS process and vertical flow of artificial wetland process were analyzed and compared in the paper.【Result】The removal rates of CODCr, BOD5, SS, TP and TN in artificial wetland process was relatively high, and this result shows that it has a better processing capability than the other two processes. The annual average removal rates of CODCr, BOD5, SS and TP in sewage treatment plants with artificial wetland process reached 90 %, and the removal rate of TN was up to 80 %.【Conclusion】From the aspects of processing effect, investment and operation cost, the application of constructed wetland has been outstanding in the treatment of domestic sewage in small and medium-sized sewage treatment plant. The use of artificial wetland process in sewage treatment not only can greatly improve the efficiency of sewage treatment, but also reduce operating costs.

Domestic sewage; Constructed wetland; Oxidation ditch; ICEAS

1001-4829(2017)7-1652-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.7.032

2015-07-19

2017年度云南省生態(tài)智庫建設(shè)項(xiàng)目“環(huán)境監(jiān)測技術(shù)/(生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系)在云南省地方政府綜合考評中的應(yīng)用研究”

楊宗慧(1972-)，女，白族，云南大理人，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評價(jià)及環(huán)境監(jiān)測，E-mail：Yangzh126327@sina.com，*為通訊作者：趙琦琳，E-mail：615975026@qq.com。

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