謝含軍，高豆豆

（寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315000）

引言

隨著國(guó)家大力提倡海綿城市建設(shè)以提升城市水環(huán)境質(zhì)量與安全，人工濕地逐漸發(fā)展為河道水質(zhì)凈化的一項(xiàng)重要技術(shù)手段[1]。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)際案例，人工濕地長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，容易出現(xiàn)填料堵塞以及出水水質(zhì)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，影響濕地填料脫氮除磷的效果。這種現(xiàn)象不僅會(huì)影響水的流速，而且會(huì)影響水的復(fù)氧以及微生物的活性，進(jìn)而影響到處理效果。

一般來(lái)說(shuō)，人工濕地對(duì)BOD、COD的去除效果較好[2]。在生活污水、污水處理廠尾水、景觀水體和面源污水的治理中，針對(duì)尾水氮元素超標(biāo)且碳氮比較低的現(xiàn)狀，采用人工濕地處理技術(shù)進(jìn)行深度處理，而碳源是限制人工濕地脫氮效率的最主要因素[3-5]。此過(guò)程中，生物硝化反硝化被認(rèn)為是污水脫氮中最為經(jīng)濟(jì)有效的途徑，卻常因碳源不足導(dǎo)致反硝化過(guò)程無(wú)法順利進(jìn)行[4]。目前常通過(guò)投加葡萄糖、乙酸鈉等來(lái)提供反硝化過(guò)程所需碳源，但該投加方式易導(dǎo)致投加過(guò)量或不足的情況，并存在液體碳源的運(yùn)輸、儲(chǔ)存等風(fēng)險(xiǎn)[5]。

因此，推行一種技術(shù)可行、效果顯著、成本可控的反硝化技術(shù)成為深度脫氮領(lǐng)域的迫切需求。

1 研究思路和內(nèi)容

1.1 研究思路

本文的整體研究思路：針對(duì)低C/N 特征的污染水體，將新型固相碳源投加到傳統(tǒng)人工濕地中，以提高人工濕地系統(tǒng)中高難度氮污染物的去除率。

1.2 研究?jī)?nèi)容

為契合海綿城市建設(shè)布局，寧波市在江北區(qū)水系整治及綜合提升工程中融入海綿城市建設(shè)理念，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際河道現(xiàn)狀問(wèn)題，將海綿化建設(shè)融入河道水系整治提升中。本研究在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)人工濕地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脫氮技術(shù)處理單元。

在人工濕地原設(shè)計(jì)布設(shè)中增設(shè)“固相反硝化強(qiáng)化濕地脫氮技術(shù)單元”。按800 mm×800 mm豎向插入管徑DN160 mm、高1 050 mm的PVC穿孔管，其內(nèi)填充固相碳源反硝化技術(shù)填料。與濕地中原有填料相比，所投加的固相碳源反硝化技術(shù)填料不僅可以作為生物膜附著生長(zhǎng)的載體，提高單位面積人工濕地中微生物的數(shù)量，其分解后釋放的小分子有機(jī)物還能夠?yàn)槲⑸锾峁┬玛惔x和反硝化過(guò)程所需的碳源，顯著提高變形菌門、擬桿菌門和螺旋菌門的活性及相對(duì)豐度[5]。同時(shí)，固相碳源表面生長(zhǎng)的生物膜有助于形成“好氧-兼性好氧-厭氧”的溶解氧分布梯度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“固相反硝化強(qiáng)化濕地脫氮技術(shù)單元”對(duì)水體中氨氮和硝酸鹽氮的有效去除[7]。脫氮途徑詳見圖1。

圖1 固相碳源反硝化強(qiáng)化人工濕地脫氮途徑

“固相反硝化強(qiáng)化濕地脫氮技術(shù)單元”的設(shè)計(jì)處理水量為1 090.32 m3/d，水力停留時(shí)間為3天，每27天可完成一次河道中水體的更新和深度處理，該技術(shù)單元穩(wěn)定運(yùn)行后的年處理水量為398 697 m3，污染物消減量為COD 5 250.53 kg/a、氨氮583.18 kg/a，總磷143.53 kg/a，總氮2 522.88 kg/a。

固相碳源反硝化強(qiáng)化濕地脫氮系統(tǒng)主要材料配置具體見表1。

表1 主要材料配置表

1.2.1 濕地填料層+種植層

本研究中濕地填料層分為A、B、C、D四種填料。分別為粒徑為15～20 mm級(jí)配碎石、體積比為1∶2的粒徑10～15 mm的碎石和沸石混合物、體積比為1∶2的粒徑10～15 mm的碎石和生物陶?；旌衔锝M成、粒徑為10 mm碎石。種植層為150 mm粘土+50 mm中粗砂，有利于植物生長(zhǎng)。

1.2.2 固相碳源

本研究選用新型固相反硝化脫氮填料，此主體材料采用高分子可生物降解材料（見表2固相反硝化脫氮填料性能參數(shù)），可以作為微生物反硝化過(guò)程的附著載體，使用過(guò)程中無(wú)有毒有害物質(zhì)溶出，同時(shí)可有效降低水體中農(nóng)藥等污染物?？紤]河道運(yùn)維時(shí)間長(zhǎng)，該填料具備作用長(zhǎng)效、持久、穩(wěn)定的特性，以減少更換次數(shù)。

表2 固相反硝化脫氮填料性能參數(shù)

2 基于固相碳源人工濕地污染物去除特性

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行工況與水質(zhì)特征

本研究設(shè)置2種人工濕地系統(tǒng)，分別為優(yōu)化前的人工濕地、優(yōu)化后強(qiáng)化人工濕地。優(yōu)化后的人工濕地僅增加“固相反硝化強(qiáng)化濕地脫氮技術(shù)單元”，對(duì)應(yīng)水力停留時(shí)間、進(jìn)水流量等變量均保持一致。

本研究對(duì)2種濕地系統(tǒng)分別于2021年1月至2021年12月運(yùn)行時(shí)間段的進(jìn)出水進(jìn)行取樣，通過(guò)對(duì)比研究?jī)上到y(tǒng)的水質(zhì)凈化效果，可以考察兩種系統(tǒng)去除污染物效果。

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)和方法

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括NH3-N、COD。測(cè)定溶解性指標(biāo)前先將水樣經(jīng)過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾。測(cè)定方法及使用儀器型號(hào)如表3所示。

表3 水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法及使用儀器

2.3 氨氮

進(jìn)出水中氨氮是氮素污染物的主要形式，通過(guò)對(duì)比2021年1月—2021年12月的2種人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水氨氮濃度（mg/L）數(shù)據(jù)得知，曹隘河、前王河、徐家莊小河、后王河1—12月份進(jìn)水氨氮平均濃度分別為1.975 mg/L、2.126 mg/L、3.363 mg/L、2.242 mg/L。優(yōu)化前的人工濕地系統(tǒng)1—12月出水氨氮平均濃度分別為0.896 mg/L、0.973 mg/L、2.152 mg/L、1.492 mg/L，平均去除率分別達(dá)到56.4%、54.2%、36.0%、33.4%，效果良好。優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）系統(tǒng)1—12月出水氨氮平均濃度分別為0.763 mg/L、0.770 mg/L、1.494 mg/L、1.247 mg/L，平均去除率分別達(dá)到61.4%、63.8%、55.6%、44.4%，效果相對(duì)優(yōu)化前的表現(xiàn)極佳。具體數(shù)據(jù)對(duì)比，詳見表4。

表4 2種人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效果對(duì)比表

由上表數(shù)據(jù)對(duì)比可知，四條河在不同時(shí)間段的進(jìn)水氨氮濃度波動(dòng)范圍較大，2種人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮去除都比較穩(wěn)定，并且優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）的去除效果明顯高于優(yōu)化前的人工濕地。

2.4 有機(jī)物

通過(guò)對(duì)比2021年1月至2021年12月2種人工濕地系統(tǒng)進(jìn)出水COD濃度（mg/L）數(shù)據(jù)得知，曹隘河、前王河、徐家莊小河、后王河1—12月進(jìn)水COD平均濃度分別為15.378 mg/L、15.505 mg/L、15.715 mg/L、15.573 mg/L。優(yōu)化前的人工濕地系統(tǒng)1—12月出水COD平均濃度分別為12.420 mg/L、12.321 mg/L、11.965 mg/L、12.940 mg/L，平均去除率分別達(dá)到19.2%、20.5%、23.9%、16.9%，效果良好。優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）系統(tǒng)1—12月出水COD平均濃度分別為11.884 mg/L、10.634 mg/L、11.064 mg/L、10.637 mg/L，平均去除率分別達(dá)到22.7%、31.4%、29.6%、31.7%，效果相對(duì)優(yōu)化前的表現(xiàn)極佳。具體數(shù)據(jù)對(duì)比，詳見表5。

表5 2種人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD去除效果對(duì)比表

由上表數(shù)據(jù)對(duì)比可知，盡管不同時(shí)間段的進(jìn)水COD濃度波動(dòng)范圍較大，但四條河的2種人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD都比較穩(wěn)定。此外，優(yōu)化后的人工濕地（固相碳源+人工濕地）的去除效果明顯高于優(yōu)化前的人工濕地。

3 研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)4條河道采用固相碳源反硝化強(qiáng)化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)，進(jìn)行近1年的長(zhǎng)效運(yùn)維管養(yǎng)，各條河道中污染物指標(biāo)均降低到既定目標(biāo)，且數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定，水質(zhì)均達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)以上。

（1）實(shí)踐結(jié)果證明，對(duì)兩種污染源氨氮、COD的去除效果分析，優(yōu)化后的“固相碳源反硝化脫氮技術(shù)單元”的出水水質(zhì)優(yōu)于優(yōu)化前的人工濕地，且能達(dá)到地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（2）通過(guò)上述研究及實(shí)踐應(yīng)用工作證明，在原有濕地中添加基于生物降解材料的新型固相反硝化脫氮技術(shù)處理單元，不但能為微生物提供反硝化過(guò)程所需碳源和營(yíng)養(yǎng)，還能有效解決河道治理的主要水質(zhì)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)污染物高效降解的目標(biāo)。

4 展望

固相碳源反硝化強(qiáng)化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)在江北區(qū)海綿城市水系整治及綜合提升工程中的應(yīng)用，驗(yàn)證了其實(shí)際應(yīng)用性能，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的一系列指標(biāo)都滿足技術(shù)要求，工程應(yīng)用表明，固相碳源反硝化強(qiáng)化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)具有較好的施工可操作性與應(yīng)用效果[8]。

（1）不但能為微生物提供反硝化過(guò)程所需碳源和營(yíng)養(yǎng)，還有效解決了河道治理的主要水質(zhì)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)污染物高效降解的目標(biāo)。

（2）因地制宜解決工程改造，降低工程造價(jià)，最大程度避免影響河道周邊景觀、河道泄洪、通航以及中期清淤帶來(lái)的二次施工等問(wèn)題。

（3）通過(guò)長(zhǎng)效運(yùn)維管養(yǎng)，逐步提升水體水質(zhì)，修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)、提高河道自凈能力，實(shí)現(xiàn)河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

固相碳源反硝化強(qiáng)化濕地水質(zhì)凈化技術(shù)表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，工程應(yīng)用效果較為顯著，值得推廣使用。在此，希望能夠?yàn)槲磥?lái)的類似工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。