薛 竣，夏紹鳳，高文喬，王矛矛

(合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230009)

1 引言

人工濕地是由天然濕地發(fā)展而來，對(duì)水中的污染物具有很強(qiáng)的耐受能力。目前由人工設(shè)計(jì)建造的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是一種可控性良好的污廢水處理設(shè)施，常用于處理污水處理廠二級(jí)出水、雨水徑流和微污染水體[1]。人工濕地一般由基質(zhì)、植物以及生長(zhǎng)在其中的微生物構(gòu)成并由它們共同發(fā)揮作用。在這當(dāng)中植物根系在基質(zhì)間隙中伸展，從人工濕地的孔隙廢水中吸收養(yǎng)分(如氮、磷)，支持自身生長(zhǎng)，同時(shí)凈化水體(去除重金屬和難降解有機(jī)物等)，濕地中的基質(zhì)可以從水中吸附無機(jī)離子，尤其是磷離子。在交替的需氧/厭氧條件下，包括氨氧化細(xì)菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)亞硝酸鹽氧化菌(NOB)或厭氧氨氧化細(xì)菌(Anammox)等各種細(xì)菌在內(nèi)的微生物都可以分解有機(jī)質(zhì)，并將氮素轉(zhuǎn)化為N2[2,3]。人工濕地中的底物、植物和微生物在廢水凈化中起著不同的作用，它們具有復(fù)雜的連接。

目前學(xué)者通常根據(jù)人工濕地中地表水的存在與否(表流或潛流)或水流方向(垂直或水平)進(jìn)行分類，還可以通過組合不同類型的人工濕地來設(shè)置混合式的人工濕地[4]。表流人工濕地中是種植濕地大型植物的淺盆地(通常5～40 cm)，對(duì)土壤質(zhì)量沒有特殊要求，土壤的主要功能是支持植被的生長(zhǎng)，污染物處理發(fā)生在水體和底部沉積物層中。潛流型濕地可分為水平流型和垂直流型。水平流控制的濕地不斷地進(jìn)水，因此濾床大部分是缺氧的，好氧區(qū)只出現(xiàn)在靠近根部的區(qū)域。垂直流人工濕地是間歇性的，允許氧氣擴(kuò)散到過濾床。一旦床空后，水滲透到底部。因而垂直流人工濕地較前者相比有更高的氧傳輸能力，對(duì)氨的去除效果更好。另外還可以將不同濕地組合形成復(fù)合處理系統(tǒng)，復(fù)合濕地系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，它可以有效地去除多種廢水類型中的含氮化合物[5]。

明確組合型人工濕地系統(tǒng)各單元的污染物去除過程和機(jī)制對(duì)提高尾水處理效果、優(yōu)化濕地運(yùn)行條件具有重要意義。因此，本研究以某市經(jīng)開區(qū)組合人工濕地系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)污水在濕地各單元中主要污染物去除過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期對(duì)組合型濕地系統(tǒng)中污染物去除效率進(jìn)行評(píng)價(jià)并探討潛在的去除機(jī)理。

2 材料與方法

本研究中人工濕地系統(tǒng)位于某市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，總占地面積約670 畝。該濕地系統(tǒng)于2020 年開始試運(yùn)營，濕地進(jìn)水量約為2.2 萬t/d，平均水力停留時(shí)間為8.5 d，污水處理廠尾水和河道上游污水混合后進(jìn)入濕地系統(tǒng)，經(jīng)濕地處理后再排入下游河道。如圖1所示，人工濕地系統(tǒng)由預(yù)處理塘、曝氣好氧塘和多級(jí)表流濕地單元串聯(lián)組成。

圖1 人工濕地系統(tǒng)示意

本次實(shí)驗(yàn)采樣時(shí)間為2021年5月22日，采樣時(shí)水體平均溫度達(dá)26.6 ℃。在濕地入口和各功能區(qū)末端分別設(shè)置采樣點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)對(duì)污水的處理效果。采用直立式水樣采集器采集水面下0.5 m處水樣，每個(gè)采樣點(diǎn)各取3次重復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體的溶解氧、pH值、色度和濁度。所有水樣采集后立即放入便攜式保溫箱中4 ℃保存，并于12 h內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室用于其他指標(biāo)測(cè)定。

溶解氧(DO)和pH值采用便攜式快速檢測(cè)儀(哈希HQ30d)，色度和濁度分別采用便攜式色度儀(雷磁WZB-421)和濁度(雷磁WZB-170)測(cè)定?；瘜W(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3--N)和總磷(TP)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[6]。

3 結(jié)果與分析

人工濕地系統(tǒng)中pH值和溶解氧的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 濕地各單元中DO和pH值變化

溶解氧的變化趨勢(shì)與pH值相似，在人工濕地系統(tǒng)中溶解氧整體保持上升趨勢(shì)，在曝氣好氧塘中DO濃度達(dá)到最大。人工濕地系統(tǒng)中溶解氧濃度變化范圍為6.55～12.71 mg/L，由于曝氣好氧塘中曝氣機(jī)的工作提高了水體溶解氧，導(dǎo)致溶解氧出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象。水體中化能異養(yǎng)微生物和水生植物的呼吸作用能夠消耗水中的溶解氧，多種微生物在降解污染物過程中需要氧氣作為電子受體(例如：硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和聚磷菌)，因此水體中溶解氧濃度直接影響著濕地對(duì)有機(jī)物、氨氮和總磷的去除效果。在人工濕地系統(tǒng)中通常利用人工曝氣、跌水和潮汐進(jìn)水等方式提高溶解氧[8]。本次采樣為初夏時(shí)節(jié)，濕地中水生植物生長(zhǎng)茂盛，植物的光合作用產(chǎn)生的氧氣釋放到水體中提高了溶解氧濃度。

人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水COD處理效果如圖3所示。

圖3 COD在濕地各單元中的去除

濕地入口監(jiān)測(cè)到污水COD濃度為36.94 mg/L，污水進(jìn)入濕地系統(tǒng)后COD濃度逐漸降低。通過對(duì)比四級(jí)表流濕地出水和濕地入口COD濃度發(fā)現(xiàn)，人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中COD整體去除率為65.8%。其中預(yù)處理塘和曝氣好氧塘在COD去除過程中占主要作用，對(duì)去除率的貢獻(xiàn)分別為23.6%和34.5%，多級(jí)表流濕地系統(tǒng)對(duì)COD去除作用較弱。在曝氣好氧塘中人工曝氣工藝直接提高了水體中溶解氧濃度，加速了有機(jī)質(zhì)的氧化過程。但由于本研究中濕地進(jìn)水為污水處理廠尾水和上游污水，其中有機(jī)物可生化性較低，導(dǎo)致COD去除率整體偏低。

污水中氮素的形態(tài)及在人工濕地系統(tǒng)中的去除過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，濕地入口處污水總氮濃度為48.6 mg/L，污水中的氮以氨氮和硝態(tài)氮為主，分別占總氮的60.8%和32.3%，沒有檢測(cè)到亞硝態(tài)氮的存在。經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)處理后，總氮、氨氮和硝態(tài)氮去除率分別達(dá)到96.4%、99.5%和92.9%。人工濕地系統(tǒng)中各單元對(duì)污水中的氮素去除效果具有顯著差異，預(yù)處理塘中總氮和氨氮略微降低，而硝態(tài)氮幾乎沒有發(fā)生除去。當(dāng)污水進(jìn)入曝氣好氧塘中，氨氮和硝態(tài)氮迅速降低到7.03 mg/L和6.52 mg/L。這可能是因?yàn)槠貧夂醚跆林杏捎谌芙庋鯘舛雀?，好氧的氨氧化?xì)菌和古菌迅速生長(zhǎng)，將氨氮氧化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。同時(shí)，由于曝氣好氧塘中設(shè)計(jì)了沉底式生物膜系統(tǒng)中富集了微生物，局部的厭氧和缺氧環(huán)境導(dǎo)致反硝化微生物的生長(zhǎng)，將硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮還原為N2O或N2釋放到空氣中[9]。此外，多級(jí)表流濕地中挺水和沉水植物的生長(zhǎng)對(duì)水體中氮素的去除也起到了重要作用。

圖4 氮素在濕地各單元中的去除

污水中總磷在人工濕地系統(tǒng)中的去除過程如圖5所示。

圖5 總磷在濕地各單元中的去除

濕地入口處污水中總磷濃度為1.05 mg/L，人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水總磷去除率為97.14%。人工濕地系統(tǒng)對(duì)總磷的去除具有顯著的分段特征，曝氣好氧塘段中去除了總磷的71.4%。研究表明：濕地系統(tǒng)中對(duì)總磷的去除主要通過植物吸收、基質(zhì)材料吸附和聚磷菌等微生物利用等途徑去除。在本研究中約有71.4%的總磷在曝氣好氧塘單元中被去除。曝氣好氧塘中通過設(shè)置曝氣機(jī)提高了水體溶解氧，有利于好氧的聚磷菌生長(zhǎng)，同時(shí)沉底式生物膜系統(tǒng)為微生物的生長(zhǎng)提供了附著面，提高了微生物的處理效率。

污水色度和濁度在濕地各單元中的變化過程如圖6所示。

圖6 水體色度和濁度在濕地各單元中的變化

濕地入口處污水的色度和濁度分別為39°和37.8 NTU，經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后色度和濁度分別降低到12°和1.9 NTU。濕地系統(tǒng)中水體色度和濁度的變化規(guī)律具有明顯差異，水體濁度自進(jìn)入濕地后逐漸降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)表流濕地系統(tǒng)后保持穩(wěn)定。研究表明，濕地系統(tǒng)植物對(duì)水體中的顆粒物具有良好的攔截效果，對(duì)水體濁度的提高具有顯著作用[10]。而水體色度在進(jìn)入濕地系統(tǒng)后先升高后降低，在預(yù)處理塘和曝氣好氧塘中色度高于原水。水體中的有機(jī)物和金屬離子是造成水體色度升高的主要原因，預(yù)處理塘和曝氣好氧塘中水中營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，促進(jìn)了水體微生物(包括藻類)的生長(zhǎng)，導(dǎo)致水中葉綠素a及腐殖酸類物質(zhì)濃度提高進(jìn)而提高了水體的色度。在濕地運(yùn)行過程中爆發(fā)了藍(lán)藻水華，因此藻類的增長(zhǎng)可能是造成預(yù)處理塘和曝氣好氧塘中色度升高的主要原因。

4 結(jié)論

本研究對(duì)人工濕地系統(tǒng)中的污染物去除過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(2)污水色度和濁度在經(jīng)人工濕地系統(tǒng)處理后顯著降低，出水色度和濁度分別為12°和1.9 NTU，藍(lán)藻增長(zhǎng)是預(yù)處理塘和曝氣好氧塘色度升高的主要原因。