城镇污水处理厂尾水人工湿地处理技术实践

1.用于污水处理厂尾水深度处理的人工湿地类型

用于污水处理厂尾水深度处理的人工湿地包含五部分：①具有透水性能的基质，如碎石、砾石、火山石、土壤和砂；②适于在水中生长的植物，如鸢尾、香蒲、芦苇和芦竹；③微生物种群，如硝化细菌和反硝化细菌；④脊椎或无脊椎动物；⑤水体。湿地系统正是在这种具有一定长宽比和底面坡度的低洼地势中，由底层基质（如碎石）和上层土壤混合组成填料床，污水在床体的表面或者床体的填料缝隙中流动，并在床体表面种植成活率高、生长周期长、耐水淹、美观以及具有经济价值的水生植物（如芦竹），从而形成一个独特的动植物生态系统。

表面流人工湿地，水力路径以地表推流为主，在处理过程中，主要通过植物茎叶拦截、土壤吸附过滤和污染物自然沉降来达到去除污染物的目的；通常由一个或几个池体或渠道组成，池体或渠道间设隔挡墙分隔；池中填有合适的介质过滤材料（碎石、砾石、沸石或陶粒）、土壤、砂等供水生植物固定根系；水流缓慢，通常以水平流的流态流经各个处理单元；水位较浅，一般为0.1～0.6m，水面处于土面之上，暴露于空气中；它与自然湿地较为接近，绝大部分有机物的去除由长在水下的植物茎、杆上的生物膜来完成；通过植物来吸收大量的氨氮，此类型湿地对氨氮有良好的去除效果，去除率可达90%以上。污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以较快地截留而被微生物利用；可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除；资料表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD5的去除率可达85%～95%，对CODCr的去除率可达80%以上，脱氮效率大于50%，湿地出水中TP含量一般小于1 mg/L。

垂直流人工湿地中往往填有大量的碎石、卵石、砂或土壤水在填料表面下渗流，因而可充分利用填料表面及植物根系上的生物膜及其他各种作用来处理；基质表面栽种植物；污水在介质间渗流，水面低于介质面，因此呈潜流状态；垂直流人工湿地置于绿化地下，不会对周围景观和环境造成不良影响。

水平潜流人工湿地，因污水从一端水平流过填料床而得名，它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污染地下水，与表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大和污染负荷大，对BOD5、CODCr、SS、重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象。目前，水平潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威等国家广泛使用。这种类型人工湿地的缺点是控制相对复杂，脱氮除磷的效果不如垂直流人工湿地。

2.人工湿地深度净化污水处理厂尾水机理

人工湿地是一个通过模拟天然湿地，由植物、微生物、原生动物和基质构成的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。人工湿地主要由填料、植物以及附着在填料表面的微生物三部分构成。人工湿地可通过水体与基质、水生植物、微生物之间一系列物理、化学和生化反应，通过沉淀、离子交换、过滤、基质吸附、微生物分解转化、植物吸收等途径实现对污水中污染物的去除。

尾水中的有机物包括可溶性有机物与不溶性有机物。不溶性有机物通过在湿地基质中的沉积、过滤作用，很快被截留，进一步被湿地中的微生物分解和利用；可溶性有机物则通过生长在植物根系的生物膜吸附、吸收以及厌氧、好氧生物代谢降解过程被分解去除。微生物作为人工湿地中的重要组成部分，承担了大部分污染物的降解工作，将尾水中大部分有机物最终转化为其体内细胞物质及CO2、H2O。(www.xing528.com)

进入人工湿地系统中的氮素可以通过氨的挥发、微生物硝化/反硝化作用、植物吸收以及基质的沉淀吸附等过程得以清除，最主要的部分是微生物硝化/反硝化作用。人工湿地中的硝化过程主要由两步构成：①NH3或被亚硝化单胞菌转化成；②被硝化细菌氧化成。而反硝化过程是一个的生物还原过程，反硝化细菌利用和为呼吸作用的最终电子受体，把和最终还原为气态氮（N2、N2O或NO）。人工湿地对磷素的去除主要是填料对磷的吸附、沉淀作用，大约占总除磷量的80%以上。

3.人工湿地处理尾水对受纳水体的效应

人工湿地现在已被广泛地应用于生活污水、暴雨径流、工业废水、农业径流、酸性采矿废水和垃圾渗滤液等各种废水的处理，作为一种自然处理系统具有重要的污水处理和资源恢复功能。现在，利用人工湿地处理污水处理厂尾水的研究也越来越多，并且在国内外都取得了较好的成果。

2001年，在意大利将人工湿地用于污水三级处理的就有16个，并取得较好的去除效果，CODCr的去除率为88%，TN的去除率在78%～84%。在荷兰的特赛尔岛，当地政府在1994年就建立了一个大型的人工湿地，处理水量约为6万m3/d，该湿地处理系统可对来自污水处理厂的出水作进一步处理。由荷兰政府资助Utrecht大学对该湿地系统进行了3年（1995—1998年）的监测研究。监测结果表明，用人工湿地对污水处理厂的出水进行三级处理，不但节约了成本，而且提高了水的再生利用价值，排放的水不但不会对周边环境造成影响，还成为荷兰一大生态景点，成为众多野生动物栖息繁殖的场所。在北美，用人工湿地作为三级处理的系统大约就有300多个。如The River Hebert湿地是加拿大大西洋海岸建立的第一个用来处理二级出水的人工湿地，该湿地既可以处理污水，又成为野生动物栖息的场所。张丽等（2008）以人工湿地深度处理污水处理厂尾水，工程设计处理规模为5 000 m3/d，进水CODCr为60 mg/L、NH3-N为20 mg/L，出水可满足国家景观环境用水标准，通过构建人工景观湖，实现了尾水的资源化利用。管策等（2012）的调研结果表明，将人工湿地作为一种深度处理二级出水的有效手段，可大幅削减进入受纳水体的氮磷污染负荷，改善受纳水体的水质。

目前，我国人工湿地用于处理污水处理厂尾水的案例或研究也越来越多。常用的工艺有复合垂直流、水平潜流、以湿地为核心的组合工艺等。其中，组合工艺是应用最多的，而且规模较大，如东莞的生态氧化池-垂直流人工湿地-自然湿地系统处理量为10万m3/d。该工艺大多分布在我国的南方区域，以广东省为最多；无锡和合肥等城市也有该工艺的应用，但一般都处于实验室水平或者规模较小。杨立君（2009）将生态氧化池-生态砾石床组合工艺作为强化型前处理系统，与垂直流人工湿地工艺相结合，用于处理城镇污水处理厂尾水，连续5个月的试运行结果表明，整个处理系统运行稳定，对CODCr，BOD5，NH3-N和TP的平均去除率分别为70.3%，69.0%，91.9%和83.1%，出水达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准。垂直流人工湿地对主要污染物的平均去除率均在55%以上。赵安娜等（2010）采用由一级垂直流人工湿地、连续的4级沉水植物氧化塘和二级垂直流人工湿地组成的复合型人工湿地处理小城镇污水处理厂尾水，结果表明，在0.13 m3/（m2·d）的水力负荷条件下，系统出水达到Ⅳ类水标准；当二级垂直流湿地水力负荷调整为0.06 m3/（m2·d）时，出水最终达到Ⅲ类水标准；水体中TN主要通过一级垂直流人工湿地的过滤吸附和二级垂直流人工湿地的反硝化作用去除，而TP则主要以一级垂直流人工湿地中石灰石的吸附沉降方式来去除。杨长明等（2010）研究了组合人工湿地对城镇污水处理厂尾水中不同形态有机物的去除特征，结果表明，组合人工湿地对污水处理厂尾水具有较好的深度处理效果，出水水质基本可以达到Ⅲ或Ⅳ类水标准，并且该组合人工湿地系统对尾水中的有机物去除效果比较好，CODCr和BOD5总体去除率分别达到35.2%和44.3%。曹明利等（2012）针对某工业园区混合化工污水处理厂尾水的水质特点，设计了基于水资源循环利用的人工快渗-两级水平潜流人工湿地-表面流人工湿地-氧化塘-三级水平潜流人工湿地组合工艺对其进行深度处理，考察了该工艺运行一年多来对CODCr、NH3-N和TP的去除效果，结果表明，该工艺对混合化工污水处理厂尾水的处理效果较好，对CODCr、NH3-N和TP的平均去除率分别为78.8%，86.9%和76.4%，出水达到Ⅴ类水标准，并具有运行费用低、操作方便等优点。杨林等（2012）也将三级水平潜流人工湿地与氧化塘和表面流人工湿地进行组合来处理工业园区污水处理厂尾水，系统出水达到Ⅴ类水标准。

除组合工艺外，比较常用的还有垂直复合流或者是垂直流人工湿地。该工艺应用较多的地区是南方广东省等，在北方只处于实验室水平阶段。李艳红等（2006）在实验室内，利用垂直复合流人工湿地系统对城市污水处理厂尾水进行深度处理实验研究，重点分析了水力停留时间对处理效果的影响，实验研究表明：人工湿地系统在停留时间为24 h，水力负荷为0.4m3/（m2·d）时的运行条件处理效果较佳，在此条件下连续稳定运行10个月，处理后的尾水主要指标达到《城市污水再生利用　景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）标准。韩瑞瑞等（2009）利用间歇的复合垂直流人工湿地净化污水处理厂二级出水，结果表明，该系统能够有效降低污水处理厂二级出水中的氮和磷，适用于城市污水的深度处理。在0.4m3/（m2·d）的低水力负荷条件下，系统对CODCr、NH3-N、TN和TP的去除率分别为87.4%，82.15%，60.32%和30.15%；当排空时间为2 h时，系统的处理效果最好，对NH3-N、TN、TP的去除率分别为84.44%，65.46%和40.33%。

目前，单独利用水平潜流人工湿地处理污水处理厂尾水的工程案例较少，大部分研究都是在实验室水平下进行的。杨长明等（2012）在实验室水平研究了两种基质水平潜流人工湿地对城镇污水处理厂尾水中有机物的去除特征，设计水力负荷为0.07 m3/（m2·d），湿地系统稳定运行后，所构建的陶粒基质和沸石基质水平潜流人工湿地系统均有良好的去除效果，全年出水均可达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水标准。