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季节变化对人工湿地与生态塘组合工艺 脱氮除磷性能影响 * 王学华沈耀良张娜苏祥 苏州科技学院 环境科学与工程学院， 江苏 苏州 215009 摘要 针对太湖流域执行的严格排放标准， 以及太湖三山岛农村生活污水分布面广而分散和水质水量不稳定等问题， 提出人工湿地与生态塘组合工艺。研究了季节变化对组合工艺脱氮除磷性能的影响， 试验结果表明 系统运行 1 年， 组合工艺在不同季节对 COD、 NH 4－N 和 TP 均具有较好的去除效果， 平均出水水质可达 GB 38382002地表环境质 量标准 Ⅲ类标准;TN 平均出水水质接近 GB 38382002 Ⅴ类标准; 在不同季节， 组合工艺对污染物去除效果不同， 对 COD 和 TP 去除率为 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季， 对 NH 4 －N 和 TN 去除率为 冬季 ＞ 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季， 系统单位 面积对 COD、 NH 4－N、 TN 和 TP 去除量为 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季。 关键词 组合工艺; 脱氮除磷; 污水厂尾水; 季节变化 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406006 THE EFFECTS OF SEASONAL CHANGE ON BIOLOGICAL NUTＲIENT ＲEMOVAL IN COMBINED PＲOCESS OF CONSTＲUCTED WETLAND AND ECOLOGICAL POND Wang XuehuaShen YaoliangZhang NaSu Xiang School of Environ． Science and Eng，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215009，China AbstractIn view of the strict emissions standards of Taihu area，the extensive， disperse distribution，the instability of water quality and water quantity and other issues of rural domestic wastewater in Sanshan Island which is located in Taihu lake，the combined process of constructed wetland and ecological pond is put forward． It was studied the effects of seasonal change on biological nutrient removal in combined process and the test results showed that this combined process had a good removal efficiency on COD，NH 4－N and TP in different seasons，the average effluent could meet class Ⅲ of“the National Surface Water Environmental Quality Standard” GB 38382002 ，the average TN effluent could approach class Ⅴof the above standard． The combined process had a slight difference to the pollution removal efficiency in different seasons． The removal rate of COD and TP was in the order of summer ＞ autumn ＞ spring ＞ winter，the removal rate of NH 4－N and TN was in the order of winter ＞ summer ＞ autumn ＞ spring，the removal quantity per unit area of COD，NH 4－N，TN and TP was in the order of summer ＞ autumn ＞ spring ＞ winter． Keywordscombined process;nitrogen and phosphorus removal;sewage treatment plant effluent;seasonal change * 太湖三山岛农村生活污水生态治理及示范研究 SS0903 。 收稿日期 2013 －07 －01 0引言 目前， 大部分城镇污水处理厂主要以二级生化处 理系统为主， 可有效去除污水中有机碳和悬浮物， 但 由于受其自身因素的限制， 氮、 磷等营养物去除效果 不高， 一般去除率在 10 ～20， 出水水质难以满足 国家排放标准 ［1- 2 ］。而人工湿地和生态塘具有投资及 运行费用省、 能耗低和维护方便等优点， 可将其作为 常规生物处理工艺的补充， 有效削减受纳水体的污染 物负荷， 因此广泛应用于面源污染控制和湖泊综合 治理 ［3- 6 ］。 苏州三山岛位于太湖中， 地理位置特殊， 生活污 水排放会直接影响太湖水质。鉴于该地区农村生活 污水分散、 量小和水质水量变化大等特点， 以及现有 二级生化处理出水水质难以满足太湖流域执行的严 02 环境工程 Environmental Engineering 格排放标准， 同时结合该岛生态景观和旅游建设发展 的需要， 本研究采用易与景观相结合的生物生态处理 技术， 即人工湿地与生态塘组合工艺， 对三山岛生活 污水经 A2/O 二级工艺处理后进行深度处理。 季节变化对生态处理工艺效能有较大影响， 易导 致其除污能力下降， 对此尚无有效解决途径 ［7- 8 ］。目 前， 针对季节变化对 A2/O 工艺 人工湿地和生态塘 组合工艺影响的研究鲜有报道。本文主要考察季节 变化对人工湿地与生态塘组合工艺除污性能的影响， 以期为本地区相关生物及生态治理技术的设计和运 行提供有益的经验参数。 1试验部分 1. 1试验装置 生物 生态处理系统主要包括前处理系统和人 工湿地与生态塘组合工艺两部分， 太湖三山岛农村生 活污水通过污水管网接管至前处理系统 见图 1 。 前处理系统的主体构筑物为 A2/O 污水处理厂， 设计 进水水量为 1 000 m3/d。人工湿地与生态塘组合工 艺主要包括生态塘和潜流人工湿地 见表 1 ， 总面积 为 11 000 m2， 总有效容积为 11 812. 60 m3， 总水力停 留时间为 283. 50 h 左右。 图 1工艺流程 Fig．1Flow chart of the process 表 1人工湿地与生态塘组合工艺的设计参数 Table 1Design parameters of combined process of constructed wetland and ecological pond 功能区面积/m2有效水深/m水力停留时间/h植物、 鱼类和填料 兼性生态塘 A1 000 1. 516. 20聚草、 荷花和香蒲; 草鱼、 鲫鱼和黄鳝 潜流人工湿地湿地 B11 4000. 69. 07大粒径碎石、 废弃碎砖， 粒径为 40 ～50 mm 湿地 B2 0. 79. 98中等粒径碎石、 陶粒， 粒径为 30 ～40 mm 湿地 B3 0. 810. 75小粒径碎石、 陶粒， 粒径为 20 ～30 mm 好氧生态塘 C3 000 0. 536. 00荷花和藻类; 白虾、 白鱼和草鱼 兼性生态塘 D5 600 1. 5201. 60芡实、 香蒲、 聚草和荷花; 蟹、 鲶鱼和黑鱼 1. 2试验水质及水量特征 人工湿地与生态塘组合工艺采用原水为城镇污 水处理厂尾水 ρ COD为 33. 91 ～ 58. 09 mg/L， ρ NH 4 －N 为 3. 57 ～ 9. 62 mg/L， ρ TN 为 5. 76 ～ 13. 88 mg/L， ρ TP 为 1. 11 ～ 2. 04 mg/L， ρ SS 为 10 mg/L， pH 为 6 ～8。 本工艺设计水量为 1 000 m3/d， 24 h 运行。2011 年 6 月开始投配污水， 三山岛的主要产业为旅游业， 污水水质水量受游客量以及季节的影响较大， 冬季平 均进水量在150 m3/d， 春秋季平均进水量在300 m3/d， 夏季平均进水量在 500 m3/d。 1. 3试验方法及监测项目 试验时间为 2011 年 6 月2012 年 12 月。试验 初期2011 年68 月， 每隔7 d 采集监测水样1 次， 即 每月的监测频率为 4 次/月; 9 月以后监测频率为 2 次/月。取样点位置的设置 见图 2 A2/O 出水口设 置为1 号取样点; 兼性生态塘 A 出水端设置为2 号取 样点， 并在表层下 1/4、 3/4 水深处分别取样; 湿地 B1 单元出水端设置为 3 号取样点; 湿地 B2单元出水端 设置为 4 号取样点; 湿地 B3单元出水端设置为 5 号 取样点; 好氧生态塘 C 系统中部设置为 6 号取样点; 兼性生态塘 D 进水端设置为 7 号取样点; 兼性生态 塘 D 出水端设置为 8 号取样点。试验分析方法采用 国家环保总局发布的标准方法［9 ］。 图 2 取样点位置 Fig．2Sample point 12 水污染防治 Water Pollution Control 2试验结果与讨论 2. 1对 COD 去除效果 人工湿地组合工艺对 COD 去除效果见表 2。 由表 2 可知 在夏、 秋、 冬、 春 4 个季节系统对 COD 具有较好的去除效果。当进水 ρ COD 平均为 47. 54 5. 56mg/L 时， 平均去除率为 60. 78 5. 17 ， 出水 ρ COD 平均为 18. 44 1. 72mg/L， 可达 GB 38382002地表环境质量标准 Ⅲ类标准 ρ COD 20 mg/L 。从对系统 COD 平均去除率 和单位面积 COD 去除量来看， 不同季节组合工艺对 COD 去除能力分别为 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季， 这 与徐康宁等的报道结果相似［10 ］。 一般认为， 生态处理系统对 COD 去除途径主要 包括以下3 种 1 不溶性有机物先由生态处理系统中 的填料和植物根系截留， 而后被微生物代谢降解; 2 溶解性有机物可通过填料和根系上的生物膜吸 附、 吸收和代谢降解; 3 吸附和沉淀的有机物由填料 的更换， 植物的收割去除 ［11 ］。由此可见， 大部分 COD 主要是由微生物生物代谢降解去除［12- 13 ］。在本系统 中， 夏、 秋和春季较冬季高， 而夏季温度最高， 微生物 代谢活跃， COD 去除效果最好; 冬季气温则最低， COD 去除效果最差。 表 2季节变化对 COD 去除效果影响 Table 2Effect of seasonal change on the removal efficiency of COD 季节 平均进水浓度/ mg L－1 组合工艺不同单元的平均出水浓度/ mg L－1 兼性生态塘 A 潜流人工湿地 B1潜流人工湿地 B2潜流人工湿地 B3 好氧生态塘 C兼性生态塘 D 平均去除率/ 单位面积 COD 去除 量/ g m－2 d－1 夏季49. 64 4. 4143. 68 4. 3438. 11 4. 3031. 95 5. 3528. 38 4. 5621. 57 2. 8218. 13 1. 8463. 31 4. 121. 43 0. 01 秋季47. 46 6. 0341. 18 6. 7935. 46 3. 7632. 16 3. 0626. 74 3. 0319. 78 2. 0717. 78 1. 2362. 14 4. 340. 82 0. 12 冬季42. 25 6. 2539. 70 8. 6235. 99 9. 4131. 95 8. 9828. 25 6. 9620. 98 4. 0218. 98 1. 8054. 70 3. 500. 32 0. 09 春季49. 28 1. 9149. 99 15. 6837. 47 1. 6835. 40 1. 9730. 33 2. 8021. 46 1. 5619. 52 1. 7160. 28 4. 750. 81 0. 01 2. 2对氮的去除效果 2. 2. 1对 NH 4 －N 的去除 人工湿地组合工艺对NH 4－N 去除效果如表3 所示。 由表3 可知 不同季节系统对 NH 4 －N 具有较好 的去除效果， 去除率分别为 冬季 ＞ 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春 季， 而单位面积 NH 4 －N 去除量分别为 夏季 ＞ 秋季 ＞春季 ＞ 冬季。当进水 NH 4 －N 平均浓度为 2. 35 0. 46mg/L 时， 平均去除率为 66. 00 5. 25 ， 出水 NH 4 － N 平 均 浓 度 为 0. 77 0. 13mg/L， 可 达 GB 38382002 Ⅲ类标准 ρ NH 4 －N 为1. 0 mg/L 。 表 3季节变化对 NH 4－N 去除效果影响 Table 3Effect of seasonal change on the removal efficiency of NH 4－N 季节 平均进水浓度/ mg L－1 组合工艺不同单元的平均出水浓度/ mg L－1 兼性生态塘 A潜流人工湿地 B1潜流人工湿地 B2潜流人工湿地 B3 好氧生态塘 C兼性生态塘 D 平均去除率/ 单位面积 NH 4－N 去 除量/ g m－2 d－1 夏季2. 28 0. 411. 86 0. 271. 65 0. 211. 49 0. 221. 27 0. 130. 91 0. 130. 77 0. 0969. 01 5. 940. 07 0. 01 秋季2. 45 0. 582. 13 0. 491. 86 0. 481. 61 0. 521. 32 0. 510. 92 0. 200. 76 0. 1568. 86 4. 660. 06 0. 01 冬季2. 41 0. 492. 16 0. 551. 94 0. 541. 80 0. 451. 41 0. 320. 96 0. 280. 85 0. 1869. 34 3. 490. 02 0. 004 春季2. 59 0. 322. 39 0. 222. 12 0. 231. 87 0. 131. 58 0. 291. 05 0. 210. 90 0. 1665. 28 3. 550. 05 0. 004 2. 2. 2对 TN 的去除 人工湿地组合工艺对 TN 的去除效果如表 4 所示。 由表4 可知 不同季节系统对 TN 去除效果差异较 小， TN 去除率均在60以上。当进水 ρ TN 为 5.84 1.05mg/L 时， 平均去除率为 62.26 3.83 ， 出水平 均 ρ TN＜2.19 mg/L， 接近 GB 38382002 Ⅴ类标准， 即 ρ TN 湖、 库以 N 计 为2. 0 mg/L。 研究表明， 氮素的去除主要包括填料的吸附、 吸 收和过滤等物理作用， 生物的同化作用以及植物根 表 4季节变化对 TN 去除效果影响 Table 4Effect of seasonal change on the removal efficiency of TN 季节 平均进水浓度/ mg L－1 组合工艺不同单元的平均出水浓度/ mg L－1 兼性生态塘 A潜流人工湿地 B1潜流人工湿地 B2潜流人工湿地 B3 好氧生态塘 C兼性生态塘 D 平均去除率/ 单位面积 TN 去除量/ g m－2 d－1 夏季6. 01 1. 205. 28 1. 114. 48 0. 894. 06 0. 853. 09 0. 502. 58 0. 392. 21 0. 3862. 89 3. 940. 17 0. 04 秋季5. 81 0. 835. 25 0. 584. 60 0. 784. 23 0. 743. 55 0. 822. 97 0. 572. 15 0. 1762. 79 2. 500. 10 0. 01 冬季5. 70 1. 325. 29 1. 294. 64 1. 024. 29 0. 923. 61 1. 252. 52 0. 542. 08 0. 4463. 33 2. 850. 05 0. 01 春季5. 64 0. 705. 06 1. 114. 12 0. 713. 97 0. 743. 38 0. 522. 69 0. 342. 27 0. 3359. 55 4. 680. 09 0. 02 22 环境工程 Environmental Engineering 系、 填料与填料以及填料土壤之间形成的好氧、 缺氧 和厌氧区， 有利于微生物进行硝化 － 反硝化作用脱 氮; 其中， 微生物的硝化 － 反硝化作用对组合工艺的 脱氮贡献较大 ［14- 15 ］。此外， 系统单位面积氮的去除 量分别为 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季， 这主要受温度 的影响较大 ［16 ］。三山岛夏季的平均气温为 28 ℃ 左 右， 冬季的平均气温为 2. 9 ～ 3. 3 ℃， 年平均气温为 15. 7 ～16. 0 ℃。Crites 研究表明， 当温度为 10 ℃ 时 硝化速率比较稳定， 而温度低于 10 ℃时， 湿地的脱氮 效果明显下降 ［17 ］; 而氮去除率分别为 冬季 ＞ 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季。究其原因， 三山岛的污水水质水量受 游客量的影响较大， 旅游淡季 冬季 进水量为 150 m3/ d， 进水 N 负荷较低， 所以冬季去除效果较好。秋季 和春季进水量为300 m3/d， 夏季进水量为500 m3/d左 右， 进水氮负荷较高， 因此氮去除率较冬季差。 2. 3对 TP 的去除效果 人工湿地组合工艺对 TP 去除效果， 如表 5 所示。 表 5季节变化对 TP 去除效果影响 Table 5Effect of seasonal change on the removal efficiency of TP 季节 平均进水浓度/ mg L－1 组合工艺不同单元的平均出水浓度/ mg L－1 兼性生态塘 A 潜流人工湿地 B1潜流人工湿地 B2潜流人工湿地 B3 好氧生态塘 C兼性生态塘 D 平均去除率/ 单位面积 TP 去除量/ g m－2 d－1 夏季0. 72 0. 120. 46 0. 180. 37 0. 130. 29 0. 080. 22 0. 060. 09 0. 020. 05 0. 0193. 51 1. 860. 03 0. 01 秋季0. 70 0. 060. 47 0. 060. 40 0. 060. 34 0. 060. 28 0. 060. 10 0. 020. 05 0. 0193. 38 0. 390. 018 0. 001 冬季0. 64 0. 040. 48 0. 100. 40 0. 090. 30 0. 060. 21 0. 070. 09 0. 030. 05 0. 0191. 47 2. 630. 008 0. 001 春季0. 63 0. 080. 40 0. 090. 32 0. 100. 25 0. 070. 21 0. 060. 09 0. 020. 05 0. 0092. 51 1. 020. 016 0. 002 由表 5 可知 不同季节系统对 TP 均具有较好的 去除效果， 去除效率和单位面积 TP 去除量顺序 夏 季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季， 但去除效果差异小。当进水 ρ TP 为 0. 68 0. 10mg/L 时， 平均去除率为 92. 84 1. 89 ， 出水 ρ TP＜ 0. 05 mg/L， 可达 GB 38382002 Ⅲ 类 标 准 湖、库 的 ρ TP为 0. 05 mg/L 。在生态处理系统中， P 的去除方式主要 包括微生物的固定、 物理化学作用和植物的吸 收 ［18- 19 ］。其中， 填料的物理化学作用和微生物吸收 是除磷的主要方式 ［18- 22 ］。在生态处理系统的运行初 期大部分除磷填料对磷去除率可达 90 以上 ［18- 21 ］。 此外， 在本系统运行期间， 夏季和春季温度较冬季高， 微生物新陈代谢旺盛， 活性强， 去除效果好。 3结论 以苏州太湖三山岛污水处理厂尾水为水源， 通过 季节变化对人工湿地与生态塘组合工艺脱氮除磷的 研究， 试验结果表明 1 在不同季节下， 系统对 COD、 NH 4 －N 和 TP 均 具有较好的去除效果， 平均出水可达 GB 38382002 Ⅲ类标准。而对 TN 去除效果一般， 平均出水水质接 近 GB 38382002 Ⅴ类标准。 2 不同季节， 系统对各污染物的去除率相差不 大。其中， 对 COD 和 TP 去除率顺序分别为 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季， 对 NH 4 －N 和 TN 去除率分别 为 冬季 ＞ 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季， 说明各污染物的去除 效果随季节变化差异不明显。 3 在不同季节下， 系统单位面积对 COD、 NH 4 －N、 TN 和 TP 去除量顺序为 夏季 ＞ 秋季 ＞ 春季 ＞ 冬季， 说明对污染物去除受季节和温度的影响较大， 温度高 有利于污染物的去除。 参考文献 ［1］杨长明， 马锐， 山城幸， 等． 组合人工湿地对城镇污水处理厂尾 水中有机物的去除特征研究［ J］ ． 环境科学学报， 2010， 30 9 1804- 1810. ［2］余江， 陈文清， 刘建泉， 等． 人工湿地对氮磷去除效果试验研究 ［J］． 四川大学学报． 工程科学版， 2012， 44 3 7- 12. ［3］季兵， 陈季华． 人工湿地系统处理上海崇明高浊度富营养化水 体的研究［J］ ． 北京大学学报． 自然科学版， 2010， 46 3 407- 412. ［4］Bernie Masters． The ability of vegetated floating islands to improve water quality in natural and constructed wetlandsA review ［J］． Water Practice and Technology， 2012 7 . ［5］Liu W， Cui L H， Zhou Y P， et al． Ｒemoval of total phosphorus from septic tank effluent by the hybrid constructed wetland system［J］． Procedia Environmental Sciences， 2011 10 2102- 2107. ［6］White S A， Taylor M D， Albano J P， et al． Phosphorus retention in lab and field- scale subsurface- flow wetlands treating plant nursery runoff［J］． Ecological Engineering， 2011， 37 12 1968- 1976. ［7］彭剑峰， 王宝贞， 夏圣骥， 等． 复合塘 － 湿地系统水生植物时空 分布对氮磷去除的影响［J］． 生态环境， 2004， 13 4 508- 511. ［8］David A K，David M B，Gentry L E，et 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