近自然氧化塘人工濕地對城鎮(zhèn)污水廠尾水復合污染物凈化效果研究

王星星　高松

摘要：由于城鎮(zhèn)污水廠尾水污染物種類繁多、濃度和流量波動大，因此凈化工藝較為復雜，凈化效果較差。研究泗洪縣地形等概況與近自然氧化塘人工濕地凈化機理，預估污水處理量，規(guī)定凈化前后水質標準。考慮地形地勢和水流設計濕地結構，采用化學需氧量測試儀檢測、稀釋接種法等方法檢測COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等污染物的含量。結果表明，利用該方法凈化城鎮(zhèn)污水廠尾水復合污染物后，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的污染物濃度分別為8.0mg/L、3.9mg/L、5.0mg/L、3.1mg/L、4.4mg/L，污染物去除率均超過50%。由此證明，該方法能夠凈化尾水中污染物，凈化后的尾水質量較高。

關鍵詞：近自然；氧化塘；人工濕地；污水廠尾水；復合污染物

中圖分類號：X703 文獻標志碼：B

前言

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村的各類地區(qū)水質發(fā)生污染的情況增多，城鎮(zhèn)污水廠尾水導致的二次環(huán)境污染問題更加嚴重。采用二級生化處理的方式去除原始污水中污染物質，容易導致污水中存在高濃度的磷、氮、重金屬等。采用高級氧化法、膜分離法、活性炭吸附法、人工濕地法等處理凈化城鎮(zhèn)污水廠尾水，實現(xiàn)污水二次再生利用。但是，活性炭吸附法與膜分離法對于污染物的承受能力較差，不能實現(xiàn)長時間清除污染物，且使用成本較高，不能滿足現(xiàn)階段城鎮(zhèn)日消除萬噸以上量級的污水量處理的需求。人工濕地法不但成本更低，建造方式更簡單，運行時也無需更多人力投入，因此成為目前最常用的尾水處理方式。

近自然氧化塘人工濕地是一種較為完善的水生生態(tài)系統(tǒng)。城鎮(zhèn)污水廠尾水進入近自然氧化塘人工濕地，好氧條件會發(fā)揮作用，完全降解水體污染物。在光合作用的助力下，利用水體中的藻體與污染物揮發(fā)轉化成的二氧化碳、氨氮、磷酸根等物質反應，產(chǎn)生氧氣，便于有氧菌對有機物氧化降解。同時，近自然氧化塘的塘底還存在大量厭氧細菌，其能夠完成無氧代謝，實現(xiàn)無污染二次利用。因此，利用近自然氧化塘人工濕地實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水廠尾水復合污染物的凈化，并且對凈化效果展開深入研究。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)域概況

選擇位于洪澤湖西岸，占洪澤湖總面積40%的江蘇省泗洪縣作為研究對象，其中，洪澤湖濕地占地75萬公頃。境內有7條流域性河道，承泄豫、蘇、皖上游14.8萬平方公里的來水匯入洪澤湖。泗洪縣對水質凈化的標準和要求較高，但由于城鎮(zhèn)污水廠尾水導致二次環(huán)境污染問題較為嚴重，因此尾水排放成為重點關注問題。在保證洪澤湖水質滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》要求的前提下，其出水仍需滿足國家一級A的要求。只有通過建立尾水濕地工程，對污水處理廠尾水進一步生態(tài)處理，有效濾除氮磷營養(yǎng)鹽等污染物，使污水處理廠尾水對河湖影響降至較低水平，達到流域水環(huán)境保護基本要求。

泗洪縣地形主要由崗地和平原為主，部分地區(qū)存在少量丘陵地貌，地形結構起伏多變，與“姜”的形狀較為接近。該地區(qū)地處北亞熱帶和北暖溫帶之間，由于季風因素影響，該地區(qū)降水較多且氣溫很高，年均降水893.9mm，平均溫度14.6℃。

1.2 近自然氧化塘人工濕地處理泗洪尾水工藝設計

1.2.1 近自然氧化塘人工濕地凈化機理

由于不同的污染物具有不同的性質和來源，需要采用不同的方法處理和凈化。近自然氧化塘人工濕地凈化懸浮固體時，主要是在氧化塘進水口5m至10m范圍之內，采用過濾與沉淀作用完成凈化。近自然氧化塘之中存在大量植物根、莖以及基質，能夠過濾懸浮固體，植物和填料與水體的接觸程度直接影響著水體中懸浮同體的去除效果。通過近自然氧化塘過濾、沉淀實現(xiàn)可生化降解顆粒性有機物溶解，近自然氧化塘之中的植物根、莖以及填料上的生物膜都能夠接受有機物，由好氧、厭氧、缺氧的方式實現(xiàn)有機物的降解。由于城鎮(zhèn)污水廠尾水中的氮以多種形式存在，其中以硝態(tài)氮、有機氮和氨氮為主，近自然氧化塘通過硝化、反硝化、氨化等方式實現(xiàn)氮類物質的凈化，植物在該過程中發(fā)揮一部分吸收氮作用。為了合理利用硝化與反硝化菌，嚴格控制近自然氧化塘的溫度，溫度不能低于15℃。

1.2.2 污水處理量設計

為了保證近自然氧化塘人工濕地能夠實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水廠尾水復合污染物的凈化，綜合考慮研究區(qū)域的土地面積以及近自然養(yǎng)化塘處理污水的能力，與當?shù)卣疁贤ㄎ磥憝h(huán)境發(fā)展與經(jīng)濟發(fā)展需求。將近自然氧化塘人工濕地按照污水處理廠的使用規(guī)模擴容，確保近自然氧化塘人工濕地能夠實現(xiàn)每日處理9000m3污水，保證該氧化塘能夠處理污水廠大量排放的尾水。

1.2.3 凈化前后水質標準

通過現(xiàn)場調查，所選取的研究對象的污水經(jīng)污水處理廠處理后，達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（CB18918-2002）的一級A的要求。因此，在設計近天然的氧化塘時，根據(jù)此標準的COD（化學需氧量）、BOD5（五日化學需氧量）、NH3-N（氨氮）、TN（總氮）、TP（總磷）等含量確定水質標準。設計過程中可參考《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838-2002）中的相關規(guī)定，各項物質的含量需要超過該標準中的Ⅳ類規(guī)定，進水與出水的詳細標準見表1。

1.2.4 近自然氧化塘人工濕地設計

綜合考慮地形地勢和水流方面，將水流勢能效果發(fā)揮至最大，達到節(jié)省能耗的目的，以東西走勢方向構建近自然氧化塘人工濕地，該濕地結構情況見圖1。

根據(jù)圖1可以看出，近自然氧化塘人工濕地進水管在塘底，便于過濾，出水口在氧化塘上部，凈化后的水不會再受到污染。近自然氧化塘人工濕地主體采用砌磚砂漿抹面方式建造，由混凝土澆筑而成，濕地中的氧氣充足。濕地的水深約為0.5m。濕地表面栽種茭白、菖蒲、睡蓮、紙莎草、蘆葦?shù)戎参?，種植密度為20株/m2，人工濕地可能會導致周邊出現(xiàn)滲漏情況，為解決這一問題，在人工濕地周邊襯墊土工膜。

1.2.5 凈化結果監(jiān)測

近自然氧化塘人工濕地實際投入使用以后，從使用當年的6月開始對處理前后的水體采樣監(jiān)測，總監(jiān)測時長初步定為兩個月，在該時間段充分監(jiān)測采用近自然氧化塘人工濕地凈化城鎮(zhèn)污水廠尾水復合污染物的情況。主要監(jiān)測對象為近自然氧化塘人工濕地凈化后的水體。

近自然氧化塘人工濕地是城市廢水處理中最重要的一種處理手段。而尾水污染物包含COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等，對其處理效果也存在較大差異。采用化學需氧量測試儀檢測凈化后水體中COD含量變化；利用稀釋接種法檢測凈化后水體中BOD5含量變化；直接用鈉式比色法檢測水體中NH3-N濃度變化；通過堿性過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法對尾水中的TN濃度實現(xiàn)檢測；用過硫酸鉀氧化型紫外線分光光度法測定水中的TP濃度情況。

2 結果與分析

2.1 進出水水質分析

近自然氧化塘人工濕地凈化城鎮(zhèn)污水廠尾水復合污染物凈化前后，水體的各項污染物含量均符合國家相關法律法規(guī)的規(guī)定，且各項實際檢測值均低于人工濕地實際時的設計值。但是，各個污染物具有顯著性差異，近自然氧化塘人工濕地進出水質中，各個污染物的變化情況見圖2。

圖2實驗結果顯示，城鎮(zhèn)污水廠尾水進入近自然氧化塘人工濕地之前，各個污染物的含量均較高，其中COD含量最高，接近28mg/L，其他污染物的含量同樣較高，均超過16mg／L。由此可知，城鎮(zhèn)污水廠尾水中的復合污染物濃度較高。經(jīng)過近自然氧化塘人工濕地凈化處理之后，出水中的復合污染物含量明顯降低，COD含量降為8mg/L，BOD5、NH3-N、TN、TP含量均低于5mg/L，復合污染物的含量顯著降低，說明該近自然氧化塘人工濕地具有良好的凈化效果。

2.2 復合污染物凈化結果

城鎮(zhèn)污水廠尾水之中含有大量不同的復合污染物，采用所設計的近自然氧化塘人工濕地凈化城鎮(zhèn)污水廠尾水之后，監(jiān)測過程中不同時間段各種污染物的含量變化見圖3。

圖3（a）實驗結果顯示，進水狀態(tài)下COD含量在70mg／L-100mg／L范圍之內，出水狀態(tài)下COD含量在40mg/L-60mg/L范圍內，尾水中的COD含量明顯降低，去除率保持在55%-65%之間，COD去除效率良好。這是由于濕地之中的植物與微生物發(fā)揮作用，產(chǎn)生大量氧氣，推動COD消除。

圖3（b）中實驗結果顯示，尾水進水中BOD5含量最高值為18mg/L，最低含量為15mg/L，尾水中BOD5含量最高值為12mg/L，經(jīng)過一段時間凈化，BOD5含量為7mg/L上下，說明凈化后，尾水中的BOD5也得到高效消除。

圖3（c）實驗結果顯示，尾水進水中，NH3-N最大含量接近21mg／L，最低含量接近15mg/L，該尾水中NH3-N較高，通過近自然氧化塘人工濕地凈化之后，NH3-N最大含量沒有超過9mg/L，最低含量接近3mg／L。凈化后，NH3-N含量明顯降低，且NH3-N最大去除率接近65%，凈化效果較好，這是由于人工濕地之中的填料發(fā)揮吸附作用，硝化菌發(fā)揮作用，凈化尾水中的NH3-N物質。

圖3（d）實驗結果顯示，尾水中的TN含量較高，檢測第3H，TN含量接近28mg/L，之后的各個監(jiān)測日期中，TN含量始終未低于20mg/L。經(jīng)過近自然氧化塘人工濕地凈化之后，尾水TN含量降低，且隨著時間推移，TN含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢。TN去除率也在35%-55%范圍之間，雖然該去除率不如前三種污染物的去除率低，但是整體去除效果較好，且該凈化效果符合凈化前后水質標準。

圖3（e）實驗結果顯示，未經(jīng)凈化的尾水進水中，TP含量在1.2mg/L-1.8mg/L之間，經(jīng)過近自然氧化塘人工濕地凈化之后，TP含量最低值為0.3mg/L，與進水相比，出水TP含量顯著降低。說明經(jīng)過該人工濕地凈化之后，尾水中的TP污染物得到良好控制。

圖3（f）實驗結果顯示，溫度上升，各類污染物的去除率呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于濕地中的植物在高溫下迅速生長，根系和微生物都能吸附、凈化尾水中的污染物。當濕地環(huán)境中溫度較低時，植物生長緩慢或者無法生長，不能快速降解尾水中的污染物，因此溫度較高的環(huán)境能夠推動尾水中污染物的凈化。

3 結束語

通過分析泗洪縣城地理位置、氣候因素等信息，利用凈化懸浮固體、凈化有機物與凈化氮，三種方式實現(xiàn)了近自然氧化塘人工濕地凈化。將近自然氧化塘人工濕地按照污水處理廠的使用規(guī)模擴容，完成污水處理量的設計，并根據(jù)相關規(guī)定，設置凈化前后水質標準，綜合考慮地形地勢和水流方面，設計出近自然氧化塘人工濕地，并利用該方法完成了凈化結果監(jiān)測。實驗結果表明，通過凈化前后進出水比較，復合污染物的含量顯著降低，COD、BOD5、氨氮、總氮、總磷的去除率均高于50%，且溫度越高尾水中污染物凈化效果越佳，但當溫度達到一定程度時，去除率保持不變。由此說明該方法具有良好的凈化效果，能夠改善水質的污染情況。