尾水人工湿地去除有机物效果及机理研究

此前国内外对人工湿地降解有机物的研究，大部分都集中在CODCr、TOC量上的削减这一部分。现在，人们对水中一些的含量很低但是对人体健康以及生态系统具有很大潜在影响的难降解的有毒有机污染物（如农药、内分泌干扰物、藻毒素）的关注越来越大，由于人工湿地系统中具有种类繁多、数量巨大的微生物群落和多种沼生植物群落，通过它们的共同作用，能够降解吸收复杂的难降解有机化合物，所以将人工湿地应用于去除这类物质成为可能。至此，科研工作者对人工湿地降解有机物的研究不再局限于有机物量上的削减，更加深入的研究得以展开。

目前对于水中具体有害有机物的研究主要集中在农药、药品及个人护理品（PPCPs）以及多环芳烃（PAHs）上。

国外学者Cheng et al.（2002）采用复合垂直流人工湿地处理杀虫剂对硫磷和乐果，除草剂4-氯-2-甲基-苯甲酸和麦草畏，经过四个月的连续运行后，测得出水中几乎不含有杀虫剂，而除草剂4-氯-2-甲基-苯甲酸去除率只有36%，麦草畏则几乎没有去除作用，表明不同的污染物经过人工湿地处理的降解效率不同，需根据不同污染物的性质调整湿地运行参数。Schulz et al.（2001）构建0.44 ha湿地，用于净化受到果园农药径流污染的南非Lourens河的一条支流，杀虫剂谷硫磷进出湿地浓度分别为0.65±0.08 μg/L和0.060±0.01 μg/L，去除率达到90.8%±0.7%，结合其他水质指标，认为构建人工湿地用于净化农业面源农药污染的地表水是行之有效的。George et al.（2003）采用水平潜流人工湿地处理苗圃出水，并考察了两种农药西玛津（Simazine）和异丙甲草胺（Metolachlor）的降解情况，研究植物、水力负荷、填料深度、反应器长宽比对西玛津和异丙甲草胺的去除影响，随着西玛津面积负荷从1 659 mg/（m2·d）降为415 mg/（m2·d），其去除率由60%提高到96%，而随着异丙甲草胺面积负荷从1 037 mg/（m2·d）降为260 mg/（m2·d），其去除率由62%提高到96%，降低污染物负荷能够有效提高人工湿地农药去除率。

国内学者易志刚等（2006）对组合人工湿地去除有机污染物的效果进行了研究，研究表明，人工湿地对部分PAHs（Ace，Flu，Py，BaA，Chr，BbF，BaP，InP和BPR）有较好的去除效果，经下行床后其去除率为82%～100%，继续经上行床后质量浓度无显著变化。该人工湿地对萘、菲和蒽3种PAHs没有降解作用，经植物床后萘质量浓度显著升高，菲和蒽质量浓度略有增加，总PAHs经下行床后去除率为65%，继续经上行床后去除率略有增加，为71%，驯化床和未驯化床对总PAHs的去除没有明显的差异。王淑娟等（2006）对水中持久性有机物的去除效果进行分析，结果表明，多环芳烃检出19种，以二环为主，萘及其同系物约占总量的71%；有机氯农药只检出HCH的4种异构体和七氯；多氯联苯检出5种，以二氯代为主。这3类物质的浓度水平明显低于以往的研究结果，且低于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）。对于持久性有机物浓度较低的水源水，湿地对以上3类物质的去除效果不明显。

虽然我国现阶段普遍采用的二级生物处理工艺可以削减大部分污染物，但是对于自净能力有限或已受到污染的水体来说，二级处理出水中的污染物浓度仍较高，同时其水质也不能满足生态补水水质要求。另一方面，由于受二级处理工艺自身的限制，其出水中的污染物浓度在现有水平上已很难再大幅下降，故寻求经济、高效的污水三级处理工艺开始被提上日程。

人工湿地技术作为典型的生态处理技术，具有效率高、投资少、能耗低、维护简单等特点，可以适应低浓度污染物去除的要求，能够最大限度地削减受纳水体的污染物负荷，降低生物毒性，同时具有良好的环境生态效应。将人工湿地等生态处理系统作为常规生物处理工艺的补充，其出水可以满足不同的回用水水质要求，可作为受污染水体修复的补充水源，能够产生良好的环境、经济效益。

城镇污水主要是由生活污水和工业废水组成，一般经城镇排水管道收集后集中处理。生活污水中含有与人们日常生活紧密相关的物质，如吲哚、内分泌干扰物、农药、多环芳烃以及持久性有机污染物等；工业废水虽经过工厂的预处理后排入城镇管道，其中仍然含有很多有毒有机物。城镇污水中不可避免地含有毒性物质，但传统污水处理工艺不可能去除污水中所有的有毒有机物。目前城镇污水处理厂出水的控制指标主要停留在BOD5，CODCr，SS，TN，TP等常规指标上，从生态环境保护以及人类健康安全的角度来看是不够的。

目前，人们越来越多地将人工湿地用于深度处理污水处理厂尾水，不仅有效地削减了有机物负荷，而且可以去除一些传统污水处理工艺不可能去除的有毒有机物，降低出水毒性，从而有效维持水域生态系统健康水平。本书系统考察了湿地基质、水力停留时间、温度对水平潜流人工湿地处理污水处理厂尾水效果的影响，利用凝胶色谱以及光谱学方法研究有机物在人工湿地中的空间分布特性、迁移转化降解规律，对人工湿地降解有机物的机理进行较为深入的探讨，同时对人工湿地对尾水生态毒性的削减效果进行了初步评价。通过以上研究，旨在为今后人工湿地用于城镇污水处理厂尾水的深度处理提供理论依据和技术支撑。

综合各类人工湿地系统的优缺点及湿地类型的应用情况，本研究选择了水平潜流人工湿地系统作为实验平台。水平潜流人工湿地的水力负荷高，对BOD5，CODCr，SS，重金属等污染物的去除效果较好，虽然其脱氮除磷效果不及垂直流人工湿地，但是其造价相对较低，应用更为广泛。水平潜流人工湿地实验装置示意图如图6-1所示。装置材料采用厚度为10 mm的PVC硬质塑料板，尺寸均为1.55 m（长）×0.4m（宽）×0.8m（高）。填料填充高度为0.7m，有效水深0.6m，植物栽种密度为每平方米16株。进水采用穿孔管布水，经过粒径30～50 mm砾石布水区进入湿地填料床。出水经粒径30～50 mm砾石收水区进入底部穿孔管，流出湿地系统。实验装置共2套，分别编号为CW-1和CW-2。小试装置构建于2009年11月，启动初期采用崇明区城桥镇污水处理厂生活污水接种，启动期间间歇运行，日均换水45 L。2010年3月初开始按不同工况连续运行。

图6-1　水平潜流人工湿地装置设计图

人工湿地实验装置的具体装填如下：

CW-1湿地：陶粒+黄菖蒲水平潜流人工湿地；

CW-2湿地：沸石+黄菖蒲水平潜流人工湿地。

本实验选择的填料有陶粒、沸石，这两种填料较为常见并且应用广泛。填料的性质如表6-1所示。

表6-1　填料的物理性质与来源

陶粒填料是以黏土为主要生产原料，经配料、破碎、成球、高温烧制、筛分等一系列工艺加工而成的粒状材料，在物理微观结构方面表现为表面粗糙多微孔，主要成分为偏铝硅酸盐，特别适合于微生物在其表面生长、繁殖。其主要特点包括：(www.xing528.com)

（1）表面粗糙多微孔，比表面积大，适合各类微生物生长，表面能形成稳定、活性高的生物膜，处理出水水质高。

（2）滤料层孔隙分布均匀，水头损失小，不易板结、堵塞。

（3）密度均匀适中，反冲洗容易进行，能耗低，反冲洗中不跑料。

（4）采用很好的粒径级配，耐污能力强，滤料利用率高，水头损失增加缓慢，运行周期长，产水量大。

（5）强度大，耐摩擦，物理、化学稳定性高，寿命长，为无机惰性材料高温烧成，长期浸泡不会向水体释放任何物质，无二次污染。

（6）规模化生产，价格便宜。目前已广泛应用于市政污水、工业废水及污水深度处理方面。

现代水处理工艺充分利用了这些特性，使其成为水处理特别是污水、微污染水源水生物预处理以及给水过滤技术的理想滤料。

沸石是一族多孔的铝硅酸盐晶体的总称。其化学式可表达为Mn/2·A12O3·xSiO2·yH2O。式中M为碱金属或碱土金属阳离子，易被金属盐溶液中的阳离子代换而影响晶格的极性进而改变其吸附性质。沸石的去污机理主要有吸附作用、离子交换作用、化学反应。

人工湿地实验装置采用的湿地植物为黄菖蒲（图6-2），黄菖蒲拉丁学名Iris pseudacorus，属于鸢尾科鸢尾属，多年生草本植物，原产于欧洲，现我国大部分地区均有引种栽培。

生长习性：适应性强，喜光耐半阴，耐旱也耐湿，砂壤土及黏土都能生长，在水边栽植生长更好。生长适温15～30℃，温度降至10℃以下停止生长。在冬季，地上部分枯死，根茎地下越冬，极其耐寒。

图6-2　尾水人工湿地植物——黄菖蒲

实验用水取自上海市崇明区城桥镇污水处理厂的二沉池出水，实验期间（2010年3月—2010年12月）进水水质如表6-2所示。由表中可以看出，污水处理厂尾水的各项指标除了CODCr以外，其他各项指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，C/N为8.36。

表6-2　人工湿地进水水质