人工湿地技术自20世纪七八十年代发展起来至今已有近50年的历史，因为其对污水中有机物、氮、磷等具有较好的去除效果，同时在构建和运行成本方面较其他污水处理方式低，因此，目前在我国许多中小城镇和乡村等资金匮乏地区应用较为普遍。
目的
研究砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统对生活污水的净化效果，旨在为更好地实现廉价、简便、效果良好的生态污水处理技术提供理论依据。
方法
人工组建砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统，引进新的浮桥技术和采用新的组合方式，以生活污水为研究对象，考察该系统对污水中化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的净化效果。
试验构建3个处理单元，由塑料扣板(PVC)制成，尺寸为750mm×550mm×350mm，串联组成一级砾石潜流湿地单元(HF1，砾石基质填充，种植蕹菜)+二级浮桥平流湿地单元(HF2，泡沫隔板水下隔开，种植浮萍和金鱼藻)+三级缓冲单元(HF3，底泥，种植荷花)的复合湿地系统(图1)，系统各级湿地单元进出水口高程差根据系统运行情况在(250±25)mm内调节。
图1 砾石潜流-浮桥平流复合湿地系统流程
结果
系统对COD的净化效果
由图2、3可知，系统COD进水浓度在137.6～172.6mg/L，HF1出水浓度为53.3～93.3mg/L，COD去除率在38.8%～60.7%;HF2出水浓度为40.7～67.7mg/L，COD去除率在7.3%～20.3%;HF3最终出水浓度为31.3～51.7mg/L，COD去除率在6.5%～15.2%。由此可以看出，系统对COD的综合去除率(TR)在65%~80%，整体出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918―2002)的一级A标准。
其中，HF1对COD的去除贡献率最高，占主导作用，这可能是因为系统运行前期HF1主要依靠砾石基质和植物根系的吸附、吸收作用，后期这种作用逐渐减弱，表现为COD去除率逐渐降低。HF2和HF3对COD的去除贡献率较低，可能是因为这2级湿地单元无基质填料，对COD的吸附和降解效果较差，使得去除贡献率较低。
图2 系统进水和各级出水COD浓度变化
图3 系统整体和各级COD去除率变化
系统对NH3-N的净化效果
由图4、5可知，系统NH3-N进水浓度在21.2～25.9mg/L，HF1出水浓度为16.3~21.6mg/L，NH3-N去除率在13.2%～25.7%;HF2出水浓度为10.8～15.5mg/L，NH3-N去除率在18.9%～32.5%;HF3最终出水浓度为8.1～13.1mg/L，NH3-N去除率在7.2%～17.1%。由此可以看出，系统对NH3-N的综合去除率在48%~62%，整体出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918―2002)的一级B标准。具体联系污水宝或参见更多相关技术文档。
其中，HF2对NH3-N的去除贡献率最高，占主导作用，这可能是因为系统调试运行稳定后，浮萍和金鱼藻进入生长期，进行快速的自我繁殖，使得HF2水体pH上升，加快了水中NH4+向NH3之间的转化速率，起到去除NH3-N的作用;其次，藻类繁殖过程中部分腐败的残体可以被微生物作为碳源利用，促进其反硝化作用从而去除水体中的NH3-N。另外，HF1和HF3对NH3-N也有较好的去除作用，但与HF2相比较低，可能是因为基质的吸附作用和植物根系对转化后的无机氮的吸收作用相对较弱。
图4 系统进水和各级出水NH3-N浓度变化
图5 系统整体和各级NH3-N去除率变化
系统对TN的净化效果
由图6、7可知，系统TN进水浓度在26.4～31.6mg/L，HF1出水浓度为19.5～25.2mg/L，TN去除率在10.0%～26.7%;HF2出水浓度为13.9～19.1mg/L，TN去除率在13.4%～30.4%;HF3最终出水浓度为11.9～16.5mg/L，TN去除率在4.1%～9.3%。由此可以看出，系统对TN的综合去除率可以达到41.0%~56.0%，整体出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918―2002)的一级A标准。
污水中TN主要通过NH3的挥发、植物吸收、基质吸附和离子交换等作用去除，系统中HF1和HF2对TN的去除效果较好，占主导作用，这可能是因为砾石基质的吸附作用与藻类快速生长对氮的吸收作用，使得氮元素在较短时间内被快速去除，而HF3受进水TN浓度较低的影响对TN的去除效果始终较差。
图6 系统进水和各级出水TN浓度变化
图7 系统整体和各级TN去除率变化
◆系统对TP的净化效果
由图8、9可知，系统TP进水浓度在1.6～2.7mg/L，HF1出水浓度为1.2～2.1mg/L，TP去除率在19.4%～33.0%;HF2出水浓度为0.7～1.3mg/L，TP去除率在18.3%～38.1%;HF3最终出水浓度为0.5～1.1mg/L，TP去除率在7.2%～13.9%。由此可以看出，系统对TN的综合去除率可以达到58.8%~73.2%，整体出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918―2002)的一级B标准。
系统运行前期HF1和HF2对TP的去除效果较好，且随着时间的增加去除率不断增加，但到系统运行中后期，这种趋势逐渐减缓甚至下降，可能是因为基质逐渐吸附饱和和藻类腐败的影响，这也在一定程度上限制了传统人工湿地对磷的进一步去除。HF3对TP的去除效果始终较差，在整个湿地系统中主要起到缓冲作用。
图8 系统进水和各级出水TP浓度变化
图9 系统整体和各级TP去除率变化
结论
系统对生活污水中COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为73.3%、56.1%、47.1%、65.7%;一级湿地单元对COD的去除效果较好，二级湿地单元对NH3-N、TN和TP的去除效果较好，三级湿地单元对各项污染指标的去除率均较差。
砾石潜流―浮桥平流复合湿地系统对生活污水整体净化效果良好，出水水质各项指标均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918―2002)的一级B标准，可拓展研发新型生态污水处理技术。(来源：安徽农业科学 作者:谭洪涛 李嘉 薛祝缘 韩媚玲 陈信波)
1、影响厌氧工艺污水处理效果的因素 就厌氧工艺来说，其与很多生物处理工艺相同，都是以温度为基础的，通过温度降低生物的生长速率，以此来实现污水处理的目的。在厌氧工艺中，产甲烷菌对温度的敏感程度，要远远优于产酸菌的敏感程度，也就是说在低温的条件下，产酸菌的速率明显比产甲烷菌的转化的速率更快。正是因为这样的因素，就会在很大程度上导致生物污水出现代谢失衡的问题，最终导致反应失败，无法实现生活污水处理的目的。 实际上，采用厌氧工艺进行污水处理，不仅受温度因素的影响，还与处理对象（生活污水）的有机物浓度，存在直接的关系。具体来说，如果厌氧工艺所处理的生活污水，其所含有的有机物浓度较低，那么反应装置中其当前的底物浓度也相对较低。结合Monod动力学的相关理论知识，这种装填下活性污泥的具有最佳的活性，所以能够保证生活污水处理的效果。不仅如此，在底物浓度较低的状态下，污水处理装置不会产生很多的气体，同时污泥、底物之间的作用效率也会逐渐降低，还会导致反应器出现酸化的现象。一旦出现这样的问题，就会使得活性污泥出现上浮的现象，严重影响生活污水的处理效果，同时还会在很大程度上增加厌氧工艺的成本。
2、复合厌氧工艺的优势 以UBF工艺为基础，能够避免在污水处理中，出现污泥流失的现象，从而有效扩大EGSB装置的容积，所以可以进一步提高生活污水的处理效果。为了可以充分发挥低温处理的污水的质量，将UBF、EGSB工艺进行结合，从而强化污水处理装置的性能，并全面提高污水的处理质量。在设计的过程中，可以将UBF工艺作为主体，然后将回流工艺加入其中，从而实现复合厌氧工艺的设计。将复合厌氧工艺与EGSB工艺进行比较，不采用污水回流的方式，而是运用污泥回流的方式进行处理，与传统的厌氧污水处理工艺相比，复合厌氧工艺能够在运行的过程中，同时发生产甲烷菌、产酸菌的过程，但是相互之间会发生不良的影响。同时，由于产甲烷菌对温度更加敏感，所以在低温的条件下产酸菌就会将快速反应，完成更多有机酸的转化，因此还是会影响处理效果。在技术不断发展的背景下，开发出了全新的复合厌氧工艺，即将产甲烷菌、产酸菌分开，避免二者之间出现不良的影响。正是因为这样的技术，打破了传统复合厌氧工艺的限制，并提高了污水处理的质量、效果，可以满足城市中生活污水的处理需求。因此，结合复合厌氧工艺自身优势可以发现，将复合厌氧工艺应用在污水处理中，实际上具有明显的可行性与必要性，对此笔者将对复合厌氧工艺的应用方式，进行如下的分析、探究。
3、低温处理生活污水的复合厌氧工艺分析3.1、复合厌氧反应器装置 本文研究的复合厌氧反应器使用厚度为8mm的有机玻璃作为主要材料，反应器长度为1m，高度为1.5m，宽度为0.25m，反应器整体体积为325L。反应器中最重要的部分是构型、过滤区以及活性污泥区。在反应器的内部设置上折流板和下折流板，在正向水流方向上，构成了五个串联而成且大小相同的隔室。在上折流板下方距离底部有30cm宽，折流板的高度逐层递减2cm，这样形成了一个有效的液位差，能够有效避免壅水问题的出现。前四个隔室都设置了带有弹性的立体材料，伸入到水下1cm的位置上。在最后一个隔室设置了50cm高的颗粒滤料，在出水口增加了网罩，避免滤粒流失。3.2、除污效果分析 使用生活污水进行实验，首先使用特殊的方法对生活污水的水质情况进行检测，其中包含pH值、COD、SS、氨氮、TN、TP这几种。对于COD的测定，使用的是重铬酸钾的方法，对于氨氮的测定，使用的是纳氏试剂光度方法。在该反应器中，对于磷、氮的去除效果并不好，主要分析的是SS和COD的处理效果。将对这两种物质的处理效果记录下来，可以发现反应器具备良好的过滤效果，其中COD的处理效果可以达到80%，经过过滤之后水中COD的含量可以控制在100mg/L的水平之下.另外水中SS的浓度也能够稳定在30mg/L之下，这样的过滤效果是可以满足国家对于生活污水设立的排放标准的。3.3、除污效果的影响因素3.3.1、温度 面对反应器带来的良好过滤效果，本文继续研究了除污效果的影响因素。对于COD的过滤来讲，反应器涉及到的参数包括容积负荷和温度。因此，改变温度，查看反应器对于COD的过滤效果。根据实验变化情况不难发现，温度变化情况可以和COD的去除率形成正比，也就是说在温度逐渐升高的时候，去除COD的效果更好。温度从20℃逐渐降低到15℃的时候，厌氧微生物也发生了巨大变化，十三天之内让去除COD的效率降低到40%~60%。当温度降低到10℃的时候，去除COD的效率也降低到50%之下。3.3.2、容积负荷 在实验中，容积负荷表示着微生物的平衡关系，小容积负荷无法满足微生物生长，而容积过大将会造成VFA过于高，让酸化菌被抑制活性。确定COD在污水中的浓度之后，对浓度进行控制，让容积负荷可以控制在2.16~10.66kg/(m3•d)的范围之内。通过改变容积负荷，可以发现容积负荷逐渐加大，去除COD的效率也在逐渐升高，两者是呈现正向相关的关系。3.3.3、VFA 在反应器稳定运行的期间，定期测定VFA，可以发现反应器中，VFA是通过乙酸形式出现的，检测出来厌氧代谢产物中还存在丙酸、异丁酸以及异戊酸等物质。经过测定，进水的乙酸浓度为83.2mg/L。出水乙酸浓度为43mg/L，可以看到乙酸得到了降低。由厌氧生物处理理论可以知道有机厌氧物经过降解之后产生了乙酸，乙酸进而生成甲烷。因此通过计算能够推算出乙酸浓度和COD处理效率也呈现出一定的规律，有机物降解速度和容积负荷呈现负面相关的关系。3.3.4、生物种类 在反应器稳定运行的时间里，将生物膜以及底泥样品采集出来，使用PGR-DGGE技术制作出图谱，通过图谱可以了解到生物膜上和底泥中存在丰富的菌群，微生物的功能和群落结构也存在诸多变化。在反应器的后部微生物种类出现了明显的增加，在底泥中生物多样性让菌群演替得到了量化。菌种在筛选驯化之后会更加趋向稳定，这意味着微生物已经能够适应反应器的环境。在生物膜上，后部生物种类也会明显少于生物膜的前部，填料生物膜上微生物种类呈现出小幅降低的趋势。
4、结论 综上所述，厌氧工艺污水处理效果实际上受很多因素的影响，进而凸显出复合厌氧工艺的优势，使其广泛的应用在生活污水处理中。在这一基础上，采用复合厌氧反应器装置就能够完成污水处理的目的，并且大大提高了污染物、有害物质的去除率，减少了污水中的生物种类，全面提高了生活污水的处理质量，进而提高了水资源的利用率。因此，结合本文的分析发现，将复合厌氧工艺应用在生活污水的处理中，其具有较强的可行性。
作者：杨成波
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