華祖林，石佳佳，董越洋，沈 健，聶永平，倪效欣，白 雪

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，南京 210098；3.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；4.江蘇省南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，南京 210029)

1 前 言

對(duì)污水處理廠的尾水，利用人工濕地進(jìn)一步處理，由于其操作管理簡(jiǎn)單、建造及運(yùn)行費(fèi)用低、氮磷去除效率高等特點(diǎn)成為尾水深度處理的主要工藝之一[1-2]，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量研究，范遠(yuǎn)紅等[3]研究了不同水生植物類型表面流人工濕地對(duì)尾水的深度處理效果；梁康等[4]研究了垂直流人工濕地對(duì)尾水的凈化效果；沈林亞等[5]研究了分級(jí)進(jìn)水對(duì)階梯垂直流人工濕地處理生活污水效果的研究。但人工濕地對(duì)污水的凈化上存在致命弱點(diǎn)：受季節(jié)影響大，冬季和春季濕地處理效果不理想。針對(duì)這一弱點(diǎn)，汪楚喬等[6]從增加溫度出發(fā)，用大棚對(duì)濕地進(jìn)行保溫來(lái)提高冬季濕地對(duì)污染物的去除效果，但該方法僅適用于小試試驗(yàn)，對(duì)野外大面積的濕地存在明顯困難；于曉霞等[7]從溫度、污染負(fù)荷和碳源角度出發(fā)，試驗(yàn)了秸稈覆蓋、降低水力負(fù)荷和投加碳源對(duì)冬季脫氮效果的影響，雖然這些措施能夠有效的促進(jìn)反硝化作用，但秸稈覆蓋和投加碳源會(huì)降低濕地溶解氧而削弱硝化作用，需再曝氣才可緩解該負(fù)面影響，且工作量較大；還有一些研究與其他工藝相結(jié)合，如與微生物燃料電池耦合[8]、與生物膜電極反應(yīng)器相結(jié)合[9]等。本文從濕地結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)建了表流人工濕地和氧化塘交替組合系統(tǒng)，以某污水處理廠尾水為處理對(duì)象，研究春冬兩季該組合對(duì)尾水氮磷的去除效果，以期用更方便實(shí)用的方法改善春冬季節(jié)人工濕地處理效果。

2 材料與方法

2.1 濕地系統(tǒng)構(gòu)建

本研究試驗(yàn)為江蘇省徐州市某濕地，屬華北半濕潤(rùn)、暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量766.0mm，蒸發(fā)量約1 325mm，相對(duì)濕度73%。

濕地系統(tǒng)由2個(gè)表流人工濕地和2個(gè)氧化塘間隔組成，平均水深0.5m，總占地面積10.8萬(wàn)m2，呈S型分布。濕地采用間歇式進(jìn)水，早晨7點(diǎn)至下午17點(diǎn)進(jìn)水，下午17點(diǎn)至第二天早晨7點(diǎn)不進(jìn)水，每天平均處理來(lái)自污水處理廠的尾水2萬(wàn)m3/d，其進(jìn)水水質(zhì)情況見(jiàn)表1。尾水首先進(jìn)入1號(hào)表流濕地(CW1)，然后流入1號(hào)氧化塘(CP1)，1號(hào)氧化塘設(shè)有3臺(tái)表面曝氣裝置，每天早上8～10點(diǎn)、下午6～8點(diǎn)各運(yùn)行2h，曝氣后水體DO>10mg/L；尾水經(jīng)1號(hào)氧化塘處理后流入2號(hào)表流濕地(CW2)，最后流入2號(hào)氧化塘(CP2)，2號(hào)氧化塘也設(shè)有3臺(tái)表面曝氣裝置，但該曝氣裝置暫未運(yùn)行，若后期出水水質(zhì)達(dá)不到要求，可增開(kāi)該曝氣裝置，提高濕地處理效果。各級(jí)表流人工濕地和氧化塘占地面積、種植的水生植物及春季生物量如表2所示，其布置示意圖如圖1所示。濕地系統(tǒng)冬季由于氣溫低，植物死亡，為防止產(chǎn)生二次污染，將枯萎的挺水植物進(jìn)行刈割，沉水植物定期打撈殘枝。

表1 濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent water quality of wetland system (mg/L)

圖1 表流人工濕地-氧化塘系統(tǒng)分布及采樣點(diǎn)位Fig.1 Surface flow constructed wetland-oxidation pond system distribution map and sampling points

2.2 水樣的采集測(cè)試與數(shù)據(jù)處理

分別選取冬季(0～9℃)2018年1月3日、2018年1月10日、2018年1月17日、2018年1月24日、2018年1月31日，春季(4～14℃)2018年4月1日、2018年4月8日、2018年4月15日、2018年4月22日、2018年4月29日，采取水樣，每個(gè)采樣點(diǎn)均采三個(gè)平行樣(分析數(shù)據(jù)取三者平均值)。采樣點(diǎn)位共5個(gè)，分別為P1：1號(hào)表流濕地入口；P2：1號(hào)表流濕地出口(即1號(hào)氧化塘入口)；P3：1號(hào)氧化塘出口(即2號(hào)表流濕地入口)；P4：2號(hào)表流濕地出口(即2號(hào)氧化塘入口)；P5：2號(hào)氧化塘出口，具體分布情況如圖1所示。

表2 濕地各子系統(tǒng)面積及種植的植物類型Tab.2 Wetland subsystem area and plant type planted

水樣采取后立即送入實(shí)驗(yàn)室，室內(nèi)分析總氮、氨氮、硝態(tài)氮、總磷、水溫等指標(biāo)。其中總氮用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法 (HJ636-2012)測(cè)定，氨氮用納氏試劑比色法(HJ535-2009)測(cè)定，硝態(tài)氮用紫外分光光度法 (HJ/T346-2007)測(cè)定、總磷用鉬酸氨分光光度法(GB/T11893-1989)測(cè)定。用Excel和Origin2017對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 TN

表流人工濕地-氧化塘系統(tǒng)冬春兩季TN濃度變化和濕地各子系統(tǒng)去除率情況如圖2所示。由圖2，冬季濕地系統(tǒng)1號(hào)表流濕地對(duì)TN的去除率范圍為10%～30%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍為8%～22%；春季1號(hào)表流人工濕地對(duì)TN的去除率范圍為20%～29%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍為13%～21%。可見(jiàn)冬春兩季表流濕地對(duì)TN的去除效果較差，主要是冬季溫度過(guò)低，抑制了微生物數(shù)量和活性，硝化-反硝化作用減弱，且由于對(duì)表流濕地挺水植物的刈割，水體中懸浮有機(jī)氮的去除效果下降，TN的去除效果較差；春季由于氣溫逐漸回升，微生物活性有所增強(qiáng)，蘆葦、香蒲、梭魚(yú)草等[10]對(duì)TN去除效果較好的水生植物也逐漸復(fù)蘇，對(duì)TN的去除效果有所增加，但總體較差。而冬春兩季1號(hào)氧化塘對(duì)TN的去除率范圍分別為12%～40%、25%～33%，1號(hào)氧化塘中適當(dāng)?shù)钠貧?，能夠增加DO和塘內(nèi)微生物的數(shù)量[11]，緩解冬春兩季因溫度較低而導(dǎo)致微生物數(shù)量下降的情況，2號(hào)氧化塘對(duì)其去除率范圍分別為5%～10%、9%～13%。將表流人工濕地與氧化塘交替組合，則更好的結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，該交替組合系統(tǒng)中DO含量高于表流濕地單個(gè)系統(tǒng)，更有利于氨氮和有機(jī)氮的去除，從而改善了冬春兩季TN去除率低的現(xiàn)狀，經(jīng)組合后該系統(tǒng)的總?cè)コ史秶謩e可達(dá)30%～54%、55%～66%。

圖2 表流人工濕地-氧化塘交替系統(tǒng)冬春兩季TN的濃度變化及各濕地子系統(tǒng)去除率Fig.2 Variation of TN concentration in the winter and spring of the surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and the removal rate of each wetland subsystem

3.2 氨氮

由圖3可知，冬春兩季表流人工濕地對(duì)氨氮的去除效果與TN相似，冬季1號(hào)表流人工濕地對(duì)氨氮的去除率范圍為14%～22%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍為6%～18%；春季1號(hào)表流濕地對(duì)氨氮的去除率范圍為34%～39%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍為27%～35%。氨氮的去除主要是硝化細(xì)菌的硝化作用，而硝化細(xì)菌對(duì)溫度比較敏感，當(dāng)溫度在4℃左右時(shí)，硝化細(xì)菌的活動(dòng)基本停止[12-13]。冬季濕地系統(tǒng)的水溫在2～9℃之間，微生物活性低，去除效果差；春季氣溫逐漸回升，微生物活性逐漸增強(qiáng)，濕地植物也逐漸復(fù)蘇，對(duì)氨氮的去除效果有所增加，但總體來(lái)說(shuō)去除率還是不理想。且DO是硝化反應(yīng)的一個(gè)限制性因素[14]，所以含有高濃度DO的氧化塘對(duì)氨氮的去除效果明顯優(yōu)于表流濕地，冬季1號(hào)氧化塘去除率范圍為16%～31%，2號(hào)氧化塘去除率范圍為1%～10%；春季1號(hào)氧化塘的去除率范圍為39%～46%，2號(hào)氧化塘的去除率范圍為10%～14%。將其與表流濕地進(jìn)行間隔組合，則有效的提高了冬春兩季對(duì)氨氮的去除效果，其總?cè)コ史秶謩e可達(dá)33%～55%、75%～82%。

圖3 表流人工濕地-氧化塘交替系統(tǒng)冬春兩季氨氮的濃度變化及各濕地子系統(tǒng)去除率圖Fig.3 Variation of ammonia nitrogen concentration in the winter and spring seasons of the surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and the removal rate of each wetland subsystem

3.3 硝態(tài)氮

表流人工濕地-氧化塘系統(tǒng)冬春兩季硝態(tài)氮濃度變化和濕地各子系統(tǒng)去除率情況如圖4所示。由圖4，冬季1號(hào)表流人工濕地對(duì)硝態(tài)氮的去除率范圍為13%～19%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍為2%～19%；春季1號(hào)表流人工濕地對(duì)硝態(tài)氮的去除率范圍為24%～33%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍為10%～17%。由以上去除率可以看出，冬春兩季表流濕地對(duì)硝態(tài)氮的去除效果較差，由于硝態(tài)氮的去除主要是通過(guò)反硝化作用[15-16]，冬季較低的氣溫使微生物活性受到抑制，去除效果較差；春季氣溫逐漸回升，反硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)，且濕地植物開(kāi)始發(fā)芽生長(zhǎng)，而硝態(tài)氮是植物能夠直接吸收的氮的形態(tài)之一，故其去除效果略好于冬季。因?yàn)榉聪趸?xì)菌是在厭氧環(huán)境下將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2等形式逸出濕地系統(tǒng)，過(guò)高的DO可能會(huì)抑制反硝化細(xì)菌作用[17]，所以氧化塘對(duì)硝態(tài)氮的去除效果差于表流濕地，其冬春兩季的去除率情況分別為：1號(hào)氧化塘對(duì)硝態(tài)氮的去除率范圍分別為6%～11%、13%～16%，2號(hào)氧化塘對(duì)硝態(tài)氮的去除率范圍分別為1%～12%、8%～11%。雖然氧化塘對(duì)硝態(tài)氮的去除效果較差，但對(duì)其仍有一定去除效果，將兩者交替組合后，整個(gè)濕地系統(tǒng)的出水仍能夠到達(dá)出水要求。

圖4 表流人工濕地-氧化塘交替系統(tǒng)冬春兩季硝態(tài)氮的濃度變化及各濕地子系統(tǒng)去除率Fig.4 Concentration change of nitrate nitrogen in winter and spring of surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and removal rate of each wetland subsystem

3.4 TP

冬春兩季表流人工濕地-氧化塘系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果相差不大，春季去除效果略好于冬季，具體情況見(jiàn)圖5。這是因?yàn)闈竦叵到y(tǒng)中磷的去除主要受基質(zhì)吸附截留能力的影響[18]，溫度對(duì)TP的去除影響較小[19-20]。而春季表流濕地的挺水植物如再力花、黃菖蒲、蘆葦?shù)葘?duì)TP有較好的去除效果，且聚磷菌等微生物也能夠過(guò)分吸收磷，這些均增加了濕地對(duì)磷的去除，故春季略好于冬季。

冬春兩季1號(hào)表流人工濕地對(duì)TP的去除率范圍分別為25%～40%、32%～43%，1號(hào)氧化塘對(duì)其的去除率范圍分別為17%～33%、22%～30%，2號(hào)表流濕地對(duì)其去除率范圍分別為13%～21%、13%～23%，2號(hào)氧化塘對(duì)其去除率范圍分別為2%～13%、6%～11%。兩季表流人工濕地-氧化塘交替系統(tǒng)中4個(gè)子系統(tǒng)對(duì)TP的去除率情況為：1號(hào)表流濕地>1號(hào)氧化塘>2號(hào)表流濕地>2號(hào)氧化塘。濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除主要是基質(zhì)的吸附和截留作用，1、2號(hào)表流濕地和1號(hào)氧化塘由于其較大的占地面積和較長(zhǎng)的流程，十分有利于TP沿程的沉降，然1號(hào)氧化塘曝氣，可能導(dǎo)致部分磷的再懸浮，降低對(duì)磷的去除。雖然氧化塘對(duì)TP去除效果差一些，但經(jīng)表流濕地與氧化塘的交替組合處理后能夠達(dá)到穩(wěn)定出水的目的，該組合系統(tǒng)的總?cè)コ史秶謩e為50%～69%、64%～69%。

圖5 表流人工濕地-氧化塘交替系統(tǒng)冬春兩季TP的濃度變化及各濕地子系統(tǒng)去除率Fig.5 Variation of TP concentration in the winter and spring of the surface flow constructed wetland-oxidation pond alternating system and the removal rate of each wetland subsystem

由以上研究可以看出，表流人工濕地與氧化塘交替組合的應(yīng)用，使得濕地系統(tǒng)冬春兩季出水水質(zhì)達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，較大的改善了濕地系統(tǒng)對(duì)冬春兩季尾水氮磷去除效果差的問(wèn)題。同時(shí)我們也監(jiān)測(cè)了夏秋兩季該組合系統(tǒng)的去除效果，發(fā)現(xiàn)該組合對(duì)TN的去除率范圍分別為73%～85%、70%～88%，對(duì)氨氮的去除率范圍為87%～96%、84%～96%，對(duì)硝態(tài)氮的去除率范圍為65%～82%、67%～84%，對(duì)TP的去除率范圍為65%～80%、69%～83%。通過(guò)表流人工濕地與氧化塘交替組合，尾水的出水水質(zhì)取得了全面達(dá)標(biāo)。

4 結(jié) 論

針對(duì)人工濕地冬春兩季對(duì)尾水中氮磷去除效果較差的問(wèn)題，本文通過(guò)構(gòu)建表流人工濕地-氧化塘交替系統(tǒng)，研究冬春兩季濕地系統(tǒng)對(duì)尾水氮磷的去除情況，發(fā)現(xiàn)1號(hào)氧化塘對(duì)TN和氨氮的去除效果優(yōu)于1號(hào)表流人工濕地，而對(duì)硝態(tài)氮和TP去除效果稍差一些。表流人工濕地和氧化塘兩者的交替組合，則能夠一定程度上彌補(bǔ)單個(gè)系統(tǒng)的弱點(diǎn)，有效地改善冬春兩季濕地系統(tǒng)對(duì)氮磷去除率低的情況。冬春兩季濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率范圍分別為30%～54%、55%～66%；對(duì)氨氮的去除率范圍分別為33%～55%、75%～82%；對(duì)硝態(tài)氮的去除率范圍分別為21%～47%、49%～58%；對(duì)TP的去除率范圍分別為50%～69%、64%～69%。表流人工濕地與氧化塘的交替組合，能夠?qū)ξ菜疃忍幚砣〉酶玫男Ч瑸闈竦囟簝杉境鏊€(wěn)定達(dá)標(biāo)提供了新的嘗試。