张高军，王永军，魏玉朝，陈 璐，张宝珊，董亮亮，谢翼飞，王 臣

（1.兰州新区城建工程有限公司，兰州 730300；2.中国科学院成都生物研究所；3.四川省环境微生物重点实验室，成都 610041）

随着国家对环境保护的重视，党的十九大报告把污染防治作为决胜全面建成小康社会的三大攻坚战之一，将生态文明建设和环境保护工作推向了前所未有的战略高度。水资源作为最大的刚性约束，再生水已成为全球公认的“第二水源”，而每年约有559.2 亿m3的污水处理厂尾水被排放[1]，将其安全、生态回用是缓解水资源供需紧张、实现污水资源化的有效途径之一[2]。

作为水体富营养化的主要限制性因素之一，氮素一直是学者研究和国家水质控制的主要污染指标[3]。20世纪90年代以后，中国许多集水区氮浓度迅速由原来的1 mg/L 上升至大于15 mg/L，人为原因造成的氮排入淡水的速度为每年1 450 万t，约为安全排放阈值估值（每年520 万t）的2.7 倍[4]。同时，污水处理厂尾水中氮素偏高也是限制其达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准的主要因素[5]。另外，即使污水处理厂出水达到一级A 标准，其氨氮、总氮的排放浓度也分别是《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水质标准的5～8倍、15 倍，大量污染物的排放势必会加剧生态负担，引起水体富营养化的风险[6]。因此，对污水处理厂尾水进行深度处理，展开提标脱氮研究是非常必要的。

人工湿地处理技术是一种通过植物、基质、微生物联合作用去除水体中污染物的生态处理方法，其具有成本低、处理效果好、耐冲击负荷强、运行管理简单、景观效果好等优点[7]，从而被广泛应用于污水处理厂尾水的深度处理。但目前大多数研究表明[8-10]，仅通过人工湿地处理，出水水质大多仅能达到Ⅳ类标准，其超Ⅲ类水质标准的因子有氨氮和总氮。另外，污水处理厂尾水具有碳氮比低等特点，要向人工湿地中投加反硝化碳源，以提高氮素的去除效果，但这也会导致化学需氧量超标风险[11-12]。因此，本研究通过设置“硝化+反硝化”两级串联人工湿地和“硝化+反硝化+深度处理”三级串联人工湿地的中试装置，分析化学需氧量（CODCr）、氨氮、总氮在两种工艺中的变化趋势，研究污染物的去除效果，以使污水处理厂尾水深度处理后氮素可以达到Ⅲ类水质标准，为污水处理厂尾水提标脱氮工程的实施提供理论依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验设计

本试验选用水平潜流人工湿地，为了比较不同级别人工湿地的串联对污水处理厂尾水的处理效果，分别设置两级、三级串联人工湿地，单级人工湿地如图1所示。其中，第一级人工湿地作为硝化池，加装曝气装置；第二级人工湿地作为反硝化池，加装碳源投加装置；第三级人工湿地作为深度处理池，同样加装曝气装置。

图1 单级人工湿地装置

每级湿地的尺寸为230 cm×60 cm×100 cm（长×宽×高），其中布水区、集水区尺寸均为60 cm×40 cm×100 cm， 填料区尺寸为150 cm×60 cm×100 cm，水平潜流人工湿地基质从下往上依次是39 cm厚的火山石层、25 cm厚的鹅卵石层、5 cm厚的粗砂层、15 cm 厚的种植土层，运行水深为65 cm。种植层上统一种植挺水植物菖蒲和芦苇，其中，菖蒲每个人工湿地种植18 株，芦苇每个人工湿地种植12 株。

1.2 试验方法

试验地点位于四川省成都市某城镇污水处理厂，进水水源为调节后的污水处理厂二沉池出水，其CODCr为15～25 mg/L，氨氮为2～3 mg/L，总氮为8～11 mg/L，平均水温为17.16 ℃。进水和碳源添加均采用恒流蠕动泵方式，两级串联及三级串联人工湿地日进水量分别为400 L/d、600 L/d，碳源添加量分别为15.38 g/d、23.08 g/d。试验期间，检测各级人工湿地出水的CODCr（重铬酸盐法）、氨氮（纳氏试剂分光光度法）、总氮（碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）。

2 结果与分析

2.1 两级串联人工湿地对污染物去除效果的影响

2.1.1 对CODCr的去除效果

由图2 可知，污水处理厂尾水中CODCr浓度为15～25 mg/L，经过第一级人工湿地处理4 d 后，CODCr浓度降低，保持在10～15 mg/L，CODCr去除率保持在12.39%～51.02%，出水达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅰ类水质。而在向第二级人工湿地布水区加入反硝化碳源时，前期出水CODCr含量较高，可能是由于加入的CODCr和人工湿地内部残留CODCr含量大于反硝化所需CODCr的含量，从而导致前期二级人工湿地出水CODCr含量较高；当该装置运行至第10 d 时，人工湿地内部CODCr被消耗完全，在反硝化菌的作用下，第二级人工湿地出水CODCr达到Ⅲ类水质标准，运行稳定后，CODCr去除率最高仅有30.61%，其浓度低于污水处理厂尾水的CODCr浓度，但高于第一级人工湿地出水CODCr。

图2 两级串联人工湿地对尾水中CODCr 的去除情况

2.1.2 对氨氮的去除效果

由图3 可知，调节后的污水处理厂尾水中氨氮浓度保持在2～3 mg/L，经过第一级人工湿地硝化处理后，氨氮浓度降低，保持在0.30～0.51 mg/L，氨氮去除率介于64.33%～97.42%，出水达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水质。这与第一级人工湿地进水端曝气，池内溶解氧充足为硝化菌提供了较好的反应条件，从而抑制反硝化作用的进行有关。而在经过第二级人工湿地后，整体氨氮浓度较第一级人工湿地出水氨氮浓度略有升高，尤其是第2 d、第4 d 氨氮浓度分别达到1.19 mg/L、1.16 mg/L，原因可能是在第二级人工湿地缺氧条件下，部分难降解有机物被降解，释放氨氮，此时出水中氨氮去除率最高仅有82.16%。

图3 两级串联人工湿地对尾水中氨氮的去除情况

2.1.3 对总氮的去除效果

由图4 可知，污水处理厂尾水中总氮浓度保持在8～10 mg/L，经过第一级人工湿地处理后，总氮出水浓度介于6～8 mg/L，总氮去除率仅有8.15%～37.25%，这与其氨氮被硝化后不能被完全去除有关。经过第二级人工湿地处理后，由于添加一定量的碳源促进反硝化，总氮开始有大幅度的去除，在连续运行至第6 d 后，总氮浓度稳定维持在1 mg/L 以内，总氮去除率高，介于85.5%～94.60%，达到Ⅲ类水标准。

图4 两级串联人工湿地对尾水中总氮的去除情况

2.2 三级串联对污染物去除效果的影响

2.2.1 对CODCr的去除效果

由图5 可知，经过第一级人工湿地处理8 d 后，CODCr浓度达到Ⅲ类水质标准，CODCr去除率保持在1.02%～35.71%；而在向第二级人工湿地布水区加入反硝化碳源时，其CODCr出水浓度与两级串联人工湿地的第二级人工湿地CODCr出水情况相似，前期出水CODCr含量较高，连续运行6 d 后，第二级人工湿地出水CODCr达到Ⅲ类水质标准；经过第三级人工湿地处理后，CODCr得到进一步深度处理，其CODCr浓度最低可达7.89 mg/L，CODCr去除率最高可达60.71%，连续运行8 d 后，人工湿地出水稳定达到Ⅲ类水标准。

图5 三级串联人工湿地对尾水中CODCr 的去除情况

2.2.2 对氨氮的去除效果

由图6 可知，经过第一级人工湿地硝化处理后，氨氮浓度有所降低，其氨氮出水浓度在III～IV 类水质波动，明显高于两级串联人工湿地的氨氮出水浓度，可能是由于三级串联人工湿地日处理量较大，流速（600 L/d）较快，硝化不完全，导致出水氨氮浓度较高。经过第二级人工湿地处理后，其氨氮变化趋势与两级串联人工湿地出水氨氮变化趋势相似，均要高于第一级人工湿地出水氨氮浓度，可能是由于第二级人工湿地厌氧条件下部分有机物被降解而释放氨氮。第三级人工湿地与第一级人工湿地作用相似，在充足溶解氧的供给下，可将第二级人工湿地出水中残留的少量氨氮进一步硝化，第三级人工湿地氨氮出水可稳定达到Ⅱ类水质标准，去除率最高可达92.19%。

图6 三级串联人工湿地对尾水中氨氮的去除情况

2.2.3 对总氮的去除效果

三级串联人工湿地对尾水中总氮的去除情况如图7所示。由图7 可知，经过第一级人工湿地处理后，总氮出水浓度与两级串联的第一级人工湿地出水浓度相似，介于6～8 mg/L，总氮去除率保持在9.87%～34.23%。经过第二级人工湿地处理后，总氮开始有大幅度的去除，总氮出水浓度维持在1 mg/L左右。由于三级串联人工湿地日处理量较大（600 L/d），停留时间相对较短，三级串联人工湿地中的第二级人工湿地总氮出水浓度要略高于两级串联人工湿地中第二级人工湿地总氮的出水浓度。但是，经过第三级人工湿地深度处理10 d 后，第三级串联人工湿地的最终总氮出水浓度也能够稳定达到Ⅲ类水标准，此时总氮的去除率高，保持在83.14%～94.60%。

图7 三级串联人工湿地对尾水中总氮的去除情况

3 结论

本文利用改良后的人工湿地，分别考察“硝化+反硝化”两级串联人工湿地及“硝化+反硝化+深度处理池”三级串联人工湿地对污水处理厂尾水中氮素的去除效果。研究表明，污水处理厂尾水经过两级串联人工湿地、三级串联人工湿地处理后，其CODCr、氨氮、总氮的去除率最高分别为30.61%、82.16%、94.60%和60.71%、92.19%、94.60%，出水均能稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水质。三级串联人工湿地较两级串联人工湿地多了一个深度处理池，一方面可进一步降低水中CODCr含量，防止碳源添加带来的二次污染，另一方面可深度去除水体中残余的氨氮，进一步降低水体中氨氮对水生动物的毒性影响，污水处理厂尾水经三级串联人工湿地处理后，氨氮出水均可达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅱ类水质。另外，三级串联人工湿地处理量是两级串联人工湿地的1.5 倍，单日可处理更多的污水处理厂尾水，产生较高的经济效益和社会效益。综上所述，三级串联人工湿地无论是在出水水质上，还是在日处理量上均要优于两级串联人工湿地，更适用于强化污水处理厂尾水深度脱氮效能，保障再生水回用生态安全。