人工濕地處理技術(shù)因具備投資低，處理效果穩(wěn)定，維護管理簡便等特點，在農(nóng)村生活污水處理和生態(tài)修復工程上已廣泛應(yīng)用[1]。但人工濕地易堵塞、負荷低等問題使得其進一步推廣應(yīng)用受到較大限制。為從根本上解決人工濕地易堵塞和占地多的問題，提高人工濕地除磷脫氮效果，我們研發(fā)出多級跌水有機填料型人工濕地技術(shù)，已成功應(yīng)用于50 個農(nóng)村生活處理示范工程，張灣村生活污水處理示范工程屬其中之一。
1 工程概況
生活污水類人工濕地處理設(shè)備
張灣村為2012 年江蘇省村莊環(huán)境整治三星級村莊。污水收集涉及戶數(shù)200 戶，合計共700 人。根據(jù)張灣村集中居住點的實際情況，取用水量100 L/(人·d) ，計算得出示范工程覆蓋區(qū)域總用水量為70 m3/d。生活污水排放量一般為總用水量的75% ～90%。根據(jù)該村的現(xiàn)實情況，污水量取用水量的85%，總污水量為59. 5 m3/d，工程設(shè)計處理污水量取60 m3/d。污水主要來源于每戶化糞池出水、洗滌洗浴用水及初期雨水。根據(jù)污水量設(shè)計厭氧池總?cè)莘e為40 m3，停留時間為12 h; 人工濕地面積為12. 5 m×4. 5 m = 56. 25 m2，水力負荷達1. 05 m3/m2。該工程于2012 年5月份完工，工程總投資15 萬元。工藝流程如圖1 所示。
多級跌水有機填料型人工濕地共分4 級，污水由泵從厭氧池提升至布水區(qū)，進入*級跌水充氧導流槽后再導入該級人工濕地，自下而上流入第二級跌水充氧導流槽后導入第二級人工濕地，如此循環(huán)往復后zui終由集水區(qū)排出。人工濕地由混凝土隔板分為上下兩部分，上部由植物栽植層、5 cm厚粒徑0. 005 ～0. 01 m 細石子層和15 cm厚粒徑0. 03～0. 05 m 加氣混凝土砌塊層組成，下部為有機填料層。污水水面控制在加氣混凝土砌塊層上端，栽種植物為美人蕉。構(gòu)造如圖2 所示。
污水經(jīng)跌水充氧后進入有機填料型人工濕地，較好地改善了濕地內(nèi)溶氧環(huán)境，為微生物繁殖和除磷脫氮創(chuàng)造條件。同時有機填料(彈性立體填料) 取代砂石等傳統(tǒng)無機填料，孔隙率和比表面積大幅提高，孔隙率達99%，比表面積達265 m3/m2，不易堵塞，附著生物量高; 設(shè)置脫除有機填料上附著的陳舊生物膜措施，避免出現(xiàn)水流不暢。
2 試驗部分
2. 1 試驗過程
張灣村污水處理工程自2012 年7月25 日至2013 年4月13 日，先后對人工濕地系統(tǒng)凈化效果進行了12 次測試，測試季節(jié)歷經(jīng)夏季、秋季、冬季和初春4 個季節(jié)。取水點自厭氧池進水至濕地末端分別為厭氧池進水、厭氧池出水、一級跌水、二級跌水、三級跌水和濕地出水6 處，測試指標包括COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP 等5 個指標。
2. 2 檢測方法及儀器
根據(jù)水和廢水監(jiān)測分析方法規(guī)定，水樣采集后保存于聚乙烯瓶中，TP、NH4+-N、TN 立即測定，COD 在24 h 內(nèi)測定。
COD: 重鉻酸鉀法，全玻璃回流裝置; NH4+-N: 絮凝沉淀-納氏試劑光度法; TN: 堿性過硫酸鉀-消解紫外分光光度法; NO3--N: 酚二磺酸光度法; TP: 過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法。
3 結(jié)果與分析
3. 1 有機物去除情況
生活污水類人工濕地處理設(shè)備
圖3 為COD 濃度變化圖。由圖3 可知: 進水ρ(COD) 波動較大，zui高可達260 mg/L，zui低為113 mg/L，整體來看，自厭氧池進水至濕地出水，COD濃度呈逐漸降低趨勢，尤其是在二級跌水前，COD 濃度降幅較大，表明污水中COD 的去除主要發(fā)生在二級跌水前。分析認為COD 去除主要通過沉淀、過濾、微生物吸附及厭氧好氧生物新陳代謝等去除[2]，有機物經(jīng)厭氧發(fā)酵、好氧微生物吸附吸收及分解后至二級跌水處濃度已降低至100 mg/L 左右，經(jīng)三級跌水后濃度降低逐漸減緩。
從圖4 可以看出: 濕地開始運轉(zhuǎn)的前2 次去除效率較低，此時厭氧池及濕地內(nèi)填料尚未掛膜，植物沒有*復蘇生長，根系不發(fā)達，從而導致去除率較低。隨著季節(jié)變化，COD 去除率明顯提高，一般均保持在60%以上，zui高可達73. 3%，即使冬季COD 去除率也能維持較高水平(出水ρ(COD) = 61 mg/L) ，表明盡管冬季氣溫較低，微生物活動減弱，但一方面跌水的設(shè)計增加了污水中溶解氧濃度，另一方面彈性填料取代石子、黃沙等傳統(tǒng)填料也大大增加了濕地內(nèi)部微生物數(shù)量，因此，在冬季仍表現(xiàn)出較高的COD 去除效率。
3. 2 TN 去除情況
在濕地中氮主要通過水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的揮發(fā)等途徑去除[3]。本示范工程在實施過程中，主要是通過選擇對氮素有高吸收效率的美人蕉作為濕地主要植物，將傳統(tǒng)填料改為塑料填料，采用多級跌水，強化硝化反硝化的有機填料型人工濕地等措施來實現(xiàn)對氮素的有效去除。
由圖5 的檢測結(jié)果看，進水TN 濃度自檢測開始至2012 年12月2 日，TN 濃度明顯偏高，在5 次檢測中4次均在75 mg/L 以上; 2012 年12月2 日后，進水TN 濃度明顯降低，維持在48. 3～58. 2 mg/L，分析認為可能與居民用水量減少有關(guān)。出水TN 濃度除2012 年9月19 日—11月20 日4 次維持在30 mg/L 以下外，其余6次全部超過30 mg/L，zui高達54. 3 mg/L，出水濃度偏高。分析認為可能由于跌水導致濕地內(nèi)部溶解氧較為充足，無法形成厭氧環(huán)境導致部分NO3--N 無法還原，從2013 年1月10 日的檢測數(shù)據(jù)中可以看出，NO3--N濃度從濕地進水到出水不降反升。
由圖6 可見: 9—12月初，盡管進水TN 濃度較高，但去除率均在50% 以上，其中zui高可達65. 3%。冬季和早春，盡管進水中TN 濃度較低，但去除效率整體偏低，其中，zui低出現(xiàn)在2013 年1月10 日，TN去除率僅為6. 1%。分析認為，12月初之前，一方面氣溫整體偏高，無論是厭氧菌或好氧菌群數(shù)量多，活性高，硝化反硝化較為充分; 另一方面，植物正處成熟期，對氮素吸收能力較強。12月初之后，微生物活性及數(shù)量大大降低，同時植物也已枯萎，因此去除率相應(yīng)降低。
3. 3 NH4+-N去除情況
由圖7 可知: ρ(NH4+-N) 進水為35～70 mg/L，波動較大，平均濃度約52. 3 mg/L。整體來看，NH4+-N濃度逐漸降低，出水濃度維持在13. 7～40. 0 mg/L，其變化情況與TN 類似，2012 年12月2 日前，降幅較為明顯，12月2 日后降幅較小。另外，從濕地跌水效果來看，每級跌水曝氣對氨氮濃度降低效果相當，充分說明跌水對氨氮硝化作用明顯。
由圖8 可知，7—11月NH4+-N 去除率較高，zui高值出現(xiàn)在9月份，達77. 9%; 冬季和早春，去除效率整體偏低，zui低出現(xiàn)在1月份，僅為11. 7%。分析認為該情況可能與微生物活性及植物、填料吸附吸收有關(guān)，12月初之前，氣溫高，硝化菌數(shù)量多，活性強，硝化反應(yīng)充分，這點也可從圖9 看出。12月初之后，隨著氣溫降低及植物枯萎，微生物降解及植物吸收作用相應(yīng)減弱，出水濃度偏高，去除率降低。
3. 4 NO3--N去除情況
水中NO3--N含量與水中溶解氧含量直接相關(guān)，溶解氧高，NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N更充分。由圖9可知: 本工程中收集的農(nóng)村生活污水ρ(NO3--N) 為3～6 mg/L，平均值為4. 3 mg/L，總體上，NO3--N含量偏高，這主要是污水自厭氧池流出，經(jīng)三級跌水，使之溶解氧高于一般污水，從而使部分NH4+-N發(fā)生硝化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為NO3--N。同時，人工濕地不斷交替的好氧和厭氧環(huán)境使得NO3--N轉(zhuǎn)化為氮氧化物和氮氣。因此，在濕地中不斷有NO3--N 的產(chǎn)生和消耗，從而使得NO3--N出現(xiàn)無規(guī)則的波動。表明，厭氧反硝化條件不足，甚至出現(xiàn)了去除效率為負值的現(xiàn)象，見圖10。
3. 5 TP 去除情況
由圖11 可知，進水ρ(TP) 為4. 5～12. 7 mg/L，平均值為7. 4 mg/L，濃度偏高。自濕地始端至末端，TP濃度逐漸降低，由TP 濃度變化曲線發(fā)現(xiàn)，每條曲線的斜率基本保持穩(wěn)定，尤其是每級跌水濃度變化曲線波動幅度不大，這說明自人工濕地始端至末端，各部分對TP 去除發(fā)揮作用相近。出水ρ(TP) 為2. 1 ～7. 2 mg/L，平均濃度為3. 68 mg/L，出水濃度偏高，尤其是2013 年4月13 日，出水濃度達7. 2 mg/L，分析認為一方面與進水濃度偏高有關(guān)，另一方面植物尚處于枯萎狀態(tài)，植物吸附未發(fā)揮作用，而且還有可能向濕地內(nèi)釋放磷元素。
4 結(jié)論
1) 進水ρ(COD) 波動較大，zui高可達260 mg/L，zui低為113 mg/L。整體來看，自厭氧池進水至濕地出水，COD 濃度呈逐漸降低趨勢，尤其是在二級跌水前，COD 濃度降幅較大。隨著季節(jié)變化，COD 去除率明顯提升，一般均保持在60%以上，zui高可達73. 3%。
2) 進水ρ(TN) 濃度開始階段明顯偏高，維持在75 mg/L 左右，后期下降明顯，為48. 3～58. 2 mg/L;出水ρ (TN) 偏高，多次超過30 mg/L，zui高達54. 3 mg/L。開始階段，盡管進水TN 濃度較高，但去除率均在50%以上，其中zui高可達65. 3%; 冬季和早春，隨著TN 濃度降低，去除率也有所降低。
3) ρ(NH4+-N) 進水為35～70 mg/L，平均值約為52. 3 mg/L，濃度較高。整體來看，ρ(NH4+-N) 出水維持在13. 7～40 mg/L。開始階段，NH4+-N 去除率較高，zui高達77. 9%; 冬季和早春，去除效率偏低，zui低僅為11. 7%。ρ(NO3--N) 進水測試平均值為4. 3 mg/L，前后濃度變化呈現(xiàn)出無規(guī)則波動，去除率相應(yīng)呈現(xiàn)出無規(guī)則變化，甚至出現(xiàn)負值。
4) 進水ρ(TP) 維持在4. 5～12. 7 mg/L，平均濃度為7. 4 mg/L。出水ρ(TP) 為2. 1～7. 2 mg/L，平均值為3. 68 mg/L。TP 去除率維持在39. 3%～61. 8%，平均去除率為50. 7%。
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