徐恩兵

（葛洲壩集團(tuán)生態(tài)環(huán)保有限公司 湖北武漢 430000）

引言

隨著生活污水排放的增加，一部分一定比例的生活污水由完善的管網(wǎng)體系輸送至既有污水處理廠處理，大大提高了污水廠的處理負(fù)荷；另一部分則直排入受納水體中，引起了一系列水環(huán)境污染問(wèn)題。因此，如何對(duì)未達(dá)標(biāo)排放的生活污水進(jìn)行有效處理已經(jīng)成為目前水治理行業(yè)研究的難題之一[1][2]。

近年來(lái)，人工濕地由于其建設(shè)運(yùn)行成本低、易管理和處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于中小城鎮(zhèn)的生活污水處理及污水處理廠的污水提標(biāo)處理。但運(yùn)行處理效果受多方面因素的影響作用明顯，主要集中于濕地基質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的堵塞效應(yīng)及低溫環(huán)境造成處理效果的急劇下降作用[3]。濕地基質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)進(jìn)而出現(xiàn)過(guò)流斷面不斷縮小的現(xiàn)象，即基質(zhì)間的空隙堵塞，導(dǎo)致系統(tǒng)水力通行能力降低，進(jìn)而引起濕地表面水位的壅高及水體污染物質(zhì)降解效果降低等問(wèn)題，同時(shí)可能引起污染環(huán)境等現(xiàn)象事件的發(fā)生。另外，氣溫變化對(duì)于濕地系統(tǒng)污水處理的影響也至關(guān)重要，低溫條件下人工濕地污染物去除效果相對(duì)較差是普遍現(xiàn)象，但傳統(tǒng)人工濕地冬季運(yùn)行效果差限制著人工濕地的推廣應(yīng)用[4][5]。

在氣溫明顯低于其他季節(jié)的冬季情況下，基質(zhì)填料空隙及其表面附著的微生物群的生理活動(dòng)放緩甚至進(jìn)入到休眠的狀態(tài)，使得依附于微生物群降解來(lái)水中營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的濕地系統(tǒng)難以持續(xù)良性運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)來(lái)水中的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)降解消納效果顯著減弱，因此相較于其他季節(jié)中系統(tǒng)對(duì)于來(lái)水中營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的降解消納效果而言，處于冬季環(huán)境條件下的系統(tǒng)降解消納效果弱化許多，限制了濕地系統(tǒng)在冬季低溫季節(jié)的應(yīng)用。因此，如何解決人工濕地系統(tǒng)填料基質(zhì)在常態(tài)化運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的填料基質(zhì)空隙堵塞問(wèn)題及在冬季低溫環(huán)境下保障濕地的處理效果，成為人工濕地能否在不同應(yīng)用場(chǎng)景下廣泛運(yùn)用的關(guān)鍵問(wèn)題。本研究利用非冬季及冬季2 套進(jìn)水管路系統(tǒng)、內(nèi)部設(shè)置反級(jí)配組合填料層及中空保溫層的人工濕地結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)輔以相應(yīng)的景觀挺水植物，對(duì)浙江省桐鄉(xiāng)市某村鎮(zhèn)的生活污水處理進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 濕地結(jié)構(gòu)

人工濕地系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)水單元、濕地處理單元及出水單元3 部分，其中進(jìn)水單元包括非冬季進(jìn)水管及冬季進(jìn)水管，濕地處理單元內(nèi)設(shè)置反級(jí)配組合填料及保溫中空層，出水管道設(shè)置于濕地床體底部。人工濕地系統(tǒng)的特征在于非冬季進(jìn)水管道設(shè)置在種植土層底部，并高于所處地區(qū)最大凍土層的底部；冬季進(jìn)水管道設(shè)置在低于所處地區(qū)最大凍土層底部,高于出水管道覆土層頂部；非冬季進(jìn)水管和冬季進(jìn)水管分別設(shè)置進(jìn)水閥；濕地系統(tǒng)內(nèi)部的集水管上方設(shè)置通氣管，通氣管上設(shè)有通氣閥。當(dāng)濕地所在地區(qū)處于非冬季或溫度較高時(shí),非冬季進(jìn)水管道進(jìn)水閥開(kāi)啟,冬季進(jìn)水管道進(jìn)水閥關(guān)閉，污水通過(guò)濕地系統(tǒng)上層的非冬季進(jìn)水管道進(jìn)入濕地處理單元；當(dāng)濕地所在地區(qū)處于冬季或溫度較低時(shí)，非冬季進(jìn)水管道進(jìn)水閥關(guān)閉，冬季進(jìn)水管道進(jìn)水閥開(kāi)啟，濕地處理污水通過(guò)下層的冬季進(jìn)水管道進(jìn)入濕地處理單元；濕地系統(tǒng)集水管上部的通氣閥根據(jù)濕地出水水質(zhì)及運(yùn)行效果進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)節(jié)。其中，填料層的厚度為所在地區(qū)最大凍土層厚度的1.2～1.5 倍；填料層自上而下分為3 部分，填料層的填料為沸石、礫石、石灰石、爐渣的組合，具體質(zhì)量組合比為3:1:2:1。填料層自上而下3 層的填料粒徑組合分別為9.8±2.5mm、4.4±1.5mm、26.4±3mm；非冬季進(jìn)水區(qū)域的填料層下方與冬季進(jìn)水區(qū)域的填料層上方設(shè)置有中空區(qū)域，內(nèi)填充有干燥的木屑，中空區(qū)域的厚度為所在地區(qū)最大凍土層厚度的0.5 倍；上方的挺水植物為蘆葦。人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)行條件

試驗(yàn)研究在室外條件下原位進(jìn)行，系統(tǒng)進(jìn)水為某村鎮(zhèn)的直排生活污水。系統(tǒng)于2018 年5 月1日開(kāi)始運(yùn)行并測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，測(cè)試時(shí)間10 個(gè)月，采樣頻率為1 次/月。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

本研究重點(diǎn)關(guān)注人工濕地系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）的去除效果。水質(zhì)指標(biāo)的分析方法采用國(guó)家環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)分析方法[6]，COD 采用重絡(luò)酸鹽法測(cè)定，NH3-N 含量采用納氏試劑法測(cè)定，TP 含量采用鋁酸銨分光光度法測(cè)定，孔隙率按照基質(zhì)飽和和放空的水量體積進(jìn)行計(jì)算獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD 的去除效果分析

生活污水中的污染物質(zhì)COD 主要是通過(guò)人工濕地系統(tǒng)中人工填料基質(zhì)的截留作用、填料基質(zhì)表面形成的微生物膜及系統(tǒng)內(nèi)微生物的生物降解作用去除。運(yùn)行期間，人工濕地系統(tǒng)的COD去除率及進(jìn)水的COD 濃度如圖2 所示。

圖2 人工濕地系統(tǒng)內(nèi)用重鉻酸鉀測(cè)得的COD 的變化情況

由圖2 可知， COD 的去除率表現(xiàn)出一定的季節(jié)性差異，冬季及非冬季人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD 均有良好的凈化效果。非冬季COD 去除率在80.75%～87.33%之間，而冬季COD 去除率在70.69%～73.35%之間，非冬季及冬季的去除率僅存在較小的差異性，說(shuō)明濕地系統(tǒng)在冬季的保溫性能良好，能維持較高的COD 去除水平，其相較于非冬季的去除效果，下降幅度較小。

2.2 NH3-N 的去除效果分析

NH3-N 主要是通過(guò)人工濕地系統(tǒng)填料基質(zhì)的吸附、挺水植物根系的吸收以及微生物作用等多種途徑去除。運(yùn)行期間，人工濕地系統(tǒng)的NH3-N 去除率以及進(jìn)水的NH3-N 濃度如圖3所示。

圖3 人工濕地系統(tǒng)內(nèi)NH3-N 的變化情況

由圖3 可知，隨著季節(jié)的交替，期間NH3-N的去除率呈現(xiàn)了較明顯的差異性， NH3-N 在一年四季中均體現(xiàn)出了良好的去除效果。非冬季NH3-N 去除率在64.38%～69.31% 之間，冬季NH3-N 去除率在51.45%～57.21%之間，人工濕地系統(tǒng)在非冬季的NH3-N 去除效果優(yōu)于冬季，但差別較小。非冬季的水溫較高、植物生長(zhǎng)快對(duì)水中NH3-N 吸收量加大，微生物生長(zhǎng)和代謝快、活性高，加速了NH3-N 的去除。而人工濕地系統(tǒng)在冬季的保溫性能良好，微生物活性下降有限，與非冬季相比冬季NH3-N 去除率未呈現(xiàn)出大幅下降。

2.3 TP 的去除效果分析

TP 主要是通過(guò)濕地系統(tǒng)內(nèi)的填料基質(zhì)的吸附、植物根系的吸收作用等多種途徑去除。運(yùn)行期間，濕地系統(tǒng)的TP 去除率以及進(jìn)水的TP 濃度如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)TP 的變化情況

由圖4 可知，TP 的去除率表現(xiàn)出一定的季節(jié)性差異，冬季及非冬季濕地系統(tǒng)對(duì)TP均有較好的凈化效果。在非冬季，TP 去除率 在73.25%～78.96% 之 間， 略 優(yōu) 于 冬 季 的62.35%～67.21%，說(shuō)明TP 的去除效果受水溫影響顯著，與范遠(yuǎn)紅等[7]的研究結(jié)論一致。去除效果的差異是因?yàn)榉嵌镜乃疁剌^高，挺水植物的快速生長(zhǎng)作用對(duì)水中TP 的吸收量加大，同時(shí)微生物繁殖代謝快、活性高，有利于微生物聚磷效果，進(jìn)而達(dá)到去除TP 的效果；冬季隨著水溫的降低，植物開(kāi)始枯萎，填料基質(zhì)中的微生物的活性下降，因此TP 去除率下降。不過(guò)，本研究開(kāi)發(fā)的人工濕地系統(tǒng)在冬季的保溫性能良好，微生物活性下降幅度較小，冬季與非冬季對(duì)TP 的去除率差異較小。

2.4 有效孔隙率的變化

人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行3 個(gè)月后，各層有效孔隙率的變化情況如表1 所示，濕地系統(tǒng)各層有效孔隙率降幅較均勻，中層最大，下層最小。由于組成系統(tǒng)上下層的基質(zhì)為大粒徑類型的顆粒，比表面積小于小粒徑類型的顆粒，因此依附于表面生長(zhǎng)的微生物數(shù)量豐富度欠佳，介于其有限的微生物相，水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的去除消解效果有限，進(jìn)而進(jìn)水中較多的未被消化截留降解的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入基質(zhì)系統(tǒng)的中間層。這些現(xiàn)象的發(fā)生，基質(zhì)系統(tǒng)中間層從來(lái)水中獲得了更為充分的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)，更多的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)利用基質(zhì)的表面積形成更多的維生物膜，導(dǎo)致基質(zhì)系統(tǒng)的有效通流過(guò)水?dāng)嗝娣e大幅度縮減。同時(shí)，由于上下層大孔隙結(jié)構(gòu)的良好導(dǎo)水性能，形成壓差通道沖刷中層小顆粒填料基質(zhì)表面的附著物，能夠較好地改善系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中基質(zhì)孔隙率的急劇下降問(wèn)題，系統(tǒng)的堵塞時(shí)間延緩。

表1 分層有效孔隙率的降幅

結(jié)論

本研究構(gòu)建了包括非冬季及冬季2 套進(jìn)水管路系統(tǒng)、內(nèi)部設(shè)置反級(jí)配組合填料層及中空保溫層的生活污水人工濕地處理系統(tǒng)。將天然凍土層做成中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填裝有木屑，導(dǎo)溫性差、保溫性好，能形成天然的防凍保溫結(jié)構(gòu)，有利于濕地結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在冬季低溫季節(jié)高效運(yùn)行。

鑒于不同季節(jié)的溫度作用下，構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)在非冬季環(huán)境下對(duì)進(jìn)水中的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的去除效果明顯優(yōu)于在冬季環(huán)境條件下的效果；同時(shí)，由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中自設(shè)的具備保溫性能的特殊結(jié)構(gòu)的作用，在冬季環(huán)境下仍能對(duì)來(lái)水中的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)COD 保持較高的去除率。

構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)在非冬季的NH3-N 和TP 去除效果優(yōu)于冬季，非冬季的水溫較高，植物生長(zhǎng)快對(duì)水中NH3-N 吸收量加大，微生物生長(zhǎng)和代謝快、活性高，加速了NH3-N和TP的去除。該系統(tǒng)在冬季的保溫性能良好，微生物活性下降效果不顯著，因此冬季NH3-N 和TP 去除率下降幅度較小。

填料層自上而下采用反級(jí)配的粒徑組合形式，可使廢水中的SS 在到達(dá)細(xì)顆粒介質(zhì)前被大顆粒介質(zhì)截留一部分，有效減緩堵塞發(fā)生的速率，延長(zhǎng)堵塞發(fā)生的時(shí)間，同時(shí)最底層的大粒徑填料形式有利于改善細(xì)粒層堵塞后的水利條件。而反級(jí)配的結(jié)構(gòu)形式，一方面可以使更多的氧氣在更開(kāi)闊的表層中進(jìn)行擴(kuò)散和對(duì)流，提高介質(zhì)結(jié)構(gòu)的凈化效果；另一方面有效增加了固體的儲(chǔ)存能力，使得床層介質(zhì)得到更有效地利用。同時(shí)，通氣管閥門開(kāi)度可控，可有效調(diào)節(jié)通氣量大小及濕地內(nèi)部的溫度。