新型复合流人工湿地处理食品加工废水的探索(环保)

           陈晓东¹，  张帆¹，  张华¹，  许翼¹，  王迪²，  孙文章²

（1．沈阳环境科学研究院，辽宁沈阳110016；2．沈阳赛思环境工程设计研究中心，辽宁沈阳110016）

摘要：针对农副产品加工园区食品加工行业产生的废水，在沈阳市辉山明渠河口湿地污水处理厂构建中试规模的新型复合流人工湿地，通过对比研究明确该湿地对化学需氧量(COD)、氨氮（NH3-N）、总氮(TN)和总磷(TP)的处理效果。结果表明，垂直流人工湿地(VSF)和复合流人工湿地(HVC)对COD的平均去除率分别为39.69%、45.56%；对氨氮的平均去除率分别为51.23%、80.96%；对TN的平均去除率分别为35.80%、57.30%；对TP的平均去除率分别为48.80%、80.24%。新型复合流人工湿地通过灵活的布水方式，营造出适宜微生物生存的溶解氧和温度环境，对有机物和氮磷的分解和吸收过程都比较完整。但是，复合流人工湿地需要控制进水的污染物浓度，超高浓度的污水将使湿地植物的生长和微生物环境遭到破坏。

关键词：复合流人工湿地；垂直流人工湿地；食品加工废水；  富营养化

中图分类号：X703.1  doi:10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.020    文章编号：1003-6504,(2016)05-0100-05

    人工湿地技术是20世纪70年代发展起来的一种新型污水生态处理新技术，具有投资少、效率高、抗冲击、处理效果稳定、运行费用低、维护方便和景观生态相容性好等特点。按照不同的结构可将其分为表流人工湿地和潜流人工湿地，潜流人工湿地又分为水平潜流湿地和垂直潜流湿地。近年来，人工湿地技术被广泛引入到工业废水和农村生活污水处理中，如英

国伦敦泰晤士河、美国Apopka湖、武汉东湖等均采用了人工湿地技术。国内外学者围绕湿地的结构、基质类型、植物种类以及不同水力负荷条件下的污染物去除率等进行探讨。在相同基质和植物种植条件下，潜流人工湿地具有更好的净化效果已达成共识，但对于不同布水方式下人工湿地的处理效果仍存在争议。比如，聂志丹等针对垂直流、水平流和表面流人工湿地处理富营养化水体的效果进行比较，发现垂直流人工湿地对氨氮、总氮和总磷的去除

效果最好。然而，高春芳等采用组合生态工艺对规模化猪场养殖废水进行处理时，发现水平潜流人工湿地的去除率更高。因此，针对不同类型的污水，需要选择不同的布水方式。

    为了适应综合型污水中污染物成份变化，针对污水特性调整湿地水流形态或组建复合型人工湿地，对提高污染物处理率均有显著作用。吴振斌等对比了垂直潜流湿地中上行流和下行流的组合形式，发现下行流一上行流人工湿地对水质改善和水生态恢复具有重要意义，且在冬季仍能正常运行。另外，复合型人工湿地通过组合不同湿地类型，发挥出综合处理特性，并逐步成为人工湿地发展的主流方向。如杨长明等将复合型人工湿地应用于城镇污水处理厂的尾水处理过程中，发现其对去除类蛋白和类腐殖酸物质等有较强的作用。但是，目前的复合型人工湿地仍是简单的流态组合，如表流与潜流的串联或者垂直下行流和上行流的组合，需要建设多个湿地单元体才能达到污水处理的目的。本文针对农副产品加工园区食品加工行业产生的富营养化废水，开发出复合流人工湿地(HVC)，将表流和潜流等多种流态融人同一单元体。同时，开展复合流人工湿地和垂直流人工湿地(VSF)的中试比较研究，对比分析2种人工湿地对富营养化水体中的污染物指标（化学需氧量COD、氨氮、总氮、总磷等）的处理效率，为农副产品加工园区的污水处理设施建设提供理论依据和技术支撑。

1  试验材料与方法

1.1  试验装置

    中试试验基地位于沈阳市辉山明渠河口湿地污水处理厂内，设置面积相同的(长×宽×深=6.0 mx5.0mx1.8 m)的垂直潜流人工湿地和复合流人工湿地结构单元进行对比。单元组成由底至上依次为防渗层、倒淤层、填料层和种植层，填料按照“下粗上细”的原则进行填充，湿地内种植茭白。其中，垂直潜流人工湿地的水流自上而下流动，结构与其他研究相一致；复合流人工湿地的结构剖面如图1所示。图1中上升的箭头代表上升水流；下降的箭头代表下降水流，水平箭头代表水平流。该类型湿地可灵活布置补水与曝气，调整湿地内的水流形态和环境，以处理各种类型的污水。装置右侧设置集水管，将经过湿地处理后的水收集到集水渠内，由集水渠向外排出，试验中所取水样来自复合流人工湿地集水渠。污水从布水管进入湿地后，通过散水管向各填料层均匀布水。

1.2  进水情况及分析方法

1.2.1  进水情况

    试验为分为2个阶段，启动初期(40 d)采用低浓度污水，对湿地植物进行驯化和养护；运行后期(30d)提高进水污染负荷，采用污水处理厂集水池内的高浓度污水（表1）。通过定期取样检测分析，对比垂直流人工湿地和复合流人工湿地在不同污染负荷下对各项水质指标的去除效果。农副产品加工园区肉类加工和饲料生产等行业所产生的废水中COD和氨氮含量非常高，经厂区二级处理后COD浓度仍然保持在50～150 mg/L，氨氮浓度为30～120 mg/L。

1.2.2  分析方法

  从人工湿地的布水管和集水渠采集进出水水样，采用国家标准方法进行测定，COD采用重铬酸盐法；氨氮采用纳氏试剂光度法；TN采用碱性过硫酸钾一紫外分光光度法；TP采用钼酸铵分光光度法。

2  结果与分析

2.1  2种人工湿地对COD去除效果比较

    图2为进出水的COD浓度变化和污染物的去除率对比情况。由图2可知，COD的进水浓度波动较大，启动初期的平均浓度为48.92 mg/L，之后平均浓度上升至96.83 mg/L。2种人工湿地的出水浓度均与进水浓度保持正相关关系，垂直流湿地的平均出水浓度为45.28 mg/L；复合流人工湿地的平均出水浓度为38.29 mg/L。从污染物去除率来看，2种人工湿地对COD去除率均比较低，分别为39.69%和45.56%。在低浓度阶段，垂直流人工湿地对COD处理率相对较高，平均去除率为40.72%；而在高浓度阶段，复合流人工湿地的处理效果相对较好，平均去除率达到54.28%。

    与垂直流人工湿地相比较，复合流人工湿地可同时营造出好氧和厌氧环境。在厌氧环境下，微生物进行无氧呼吸，将大分子有机物分解成稳定、简单的小分子有机物。在好氧状态下，好氧微生物通过新陈代谢作用将厌氧段未能去除的小分子有机物进行分解，将有机物氧化成二氧化碳、硝酸盐、水、硫酸根等稳定物质。在高浓度环境下，这种好氧和厌氧环境的协同作用优势更为明显，因而处理效果也更佳。但是，试验也发现当浓度超过150 mg/L时，湿地对COD去除率将下降，而且对后续污水的处理也将有明显影响。

2.2  2种人工湿地对氨氮和TN去除效果比较

    图3和图4分别为氨氮和总氮的进出水浓度变化和去除率情况。启动初期，氨氮的平均进水浓度为6.37 mg/L，而总氮为19.52 mg/L;运行后期，氨氮的平均进水浓度为47.63 mg/L，总氮为51.50 mg/L。经垂直流人工湿地处理后，低、高浓度阶段氨氮的平均出水浓度分别为3.17 mg/L和21.81 mg/L;总氮的平均出水浓度为16.10 mg/L和30.26 mg/L。经计算可知，垂直流人工湿地对氨氮的平均去除率为51.23%，而对总氮的平均去除率为35.80%。而在同等进水条件下，复合流人工湿地氨氮和总氮的平均去除率达到80.96%和57.30%。2个阶段的氨氮出水浓度分别为1.65 mg/L和和7.12 mg/L，总氮的出水浓度为11.62mg/L和12.35 mg/L。所以，复合流人工湿地在处理氨氮方面要明显优于垂直流人工湿地。

    在人工湿地污水处理过程中，废水中的氨氮在各种微生物的作用下，需通过硝化和反硝化2个阶段最终形成氮气[到。复合流人工湿地中向上补充形成的表流在自重作用下向下渗透，可以加强硝化反应过程，有利于好氧硝化菌将废水中的氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐。之后，在垂直潜流和水平潜流等缺氧条件下，反硝化菌又将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气。在表层植被和填料的保温作用下，复合流人工湿地的下层温度很适合反硝化菌的生长，反硝化过程能够顺利进行。因此，复合人工湿地对氮的去除效果受水体溶解氧(DO)和温度的影响。在低浓度阶段，由于氨氮仅占总氮的32.32%，复合流人工湿地的硝化过程优势不明显，总氮的去除率也相对较低。但是在高浓度阶段，氨氮占到总氮的92.11%，复合流人工湿地的去除率明显高于垂直潜流人工湿地。因此，复合流人工湿地好氧环境和厌氧环境的结合，对处理氨氮和总氮有重要的作用。

2.3  2种人工湿地对TP去除效果比较

    图5为总磷的进出水浓度变化趋势和去除率比较。TP的进水浓度平均为1.45 mg/L;启动初期的平均浓度为0.57 mg/L，运行后期的平均浓度为2.12mg/L。垂直流人工湿地TP平均出水浓度为0.67 mg/L;复合流人工湿地的TP平均出水浓度为0.21 mg/L。2种人工湿地对TP的平均去除率均较高，分别为48.80%和80.24%。试验运行阶段，复合流人工湿地对TP的去除率始终高于垂直流人工湿地，说明复合流人工湿地较垂直流人工湿地处理效果较好。

    由于复合流人工湿地中的好氧环境优于垂直流人工湿地，在好氧状态下聚磷菌能超量地将污水中的磷吸人体内合成糖原，使体内的含磷量超过一般细菌体内的含磷量的数倍。在聚磷菌群占优势的生物除磷系统中，有明显的厌氧磷释放和好氧磷吸收，并且磷的吸收量大于释放量。因而，微生物的好氧吸磷量将超过厌氧释磷量及微生物正常生长所需的磷。所以，

复合流人工湿地中的好氧环境促进了磷的吸收，处理效果也明显优于垂直潜流人工湿地。

3  结论

  (1)通过对比垂直潜流人工湿地和复合流人工湿地对食品行业废水的处理效果发现，复合流人工湿地对COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别达到45.56%、80.96%、57.30%和80.24%，较同等进水条件下的垂直潜流人工湿地分别高出5.87、29.73、21.52和31.44个百分点。

    (2)湿地对水体中COD和氮磷的处理受溶解氧和温度的影响，复合流人工湿地灵活的布水方式可同时营造出好氧和缺氧环境，且具有适宜微生物生存的温度。在好氧和厌氧微生物的共同作用下，人工湿地对污染物形态转换过程比较完整，对有机物和氮磷的分解和吸收效率较高。

    (3)对于处理氮磷含量较高的食品加工行业废水，选择复合流人工湿地进行深度处理较为合适。但是，需要对污水进行前期处理，控制人工湿地的污染物进水浓度，因此厂区内的二级处理显得尤为重要。