富含营养的园艺排水水的混合处理湿地的性能评估与工艺优化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Performance evaluation and process optimization of a hybrid treatment wetland for nutrient rich floriculture drainage water

花卉企业采用混合人工湿地系统处理含高氮磷及农药的废水，通过曝气湿地（ATW）硝化与表面流湿地（SF）植物残体反硝化结合，冬季补充液态碳源（LCS）实现氮达标（15mg/L），破碎AAC层有效吸附磷（17.6g/kg）。系统同步去除多种农药，验证了混合湿地在花卉废水处理中的可行性。

　　

作者：Flor Louage、Perry Hoendervangers、Dion van Oirschot、Dores G. Cirne、Pieter Spanoghe、Stijn W.H. Van Hulle、Diederik P.L. Rousseau

研究机构：根特大学绿色化学与技术系工业水与生态技术实验室，地址：Graaf Karel de Goedelaan 46，Kortrijk 8500，比利时

摘要

本案例研究描述了一个新型混合处理湿地的三年运行、监测和过程控制情况，该湿地用于处理来自封闭循环水培系统的富含营养物质的废水。废水中的营养物质浓度较高，分别为总氮（TN）115.6 ± 34.7 mg L^-1和总磷（TP）18.5 ± 5.3 mg L^-1，而碳含量较低，为22 ± 17 mg L^-1（以BOD表示）。排放标准为总氮15 mg L^-1和总磷2 mg L^-1。该混合湿地由一个用于硝化的曝气湿地（ATW）和三个表面流式湿地（SF）组成，后者通过植物残体提供的碳来支持反硝化过程。在夏季和初秋期间，仅靠植物残体驱动的反硝化过程足以实现目标；而在其他时段，植物提供的碳量不足，需要额外添加液态碳源（LCS）来达到排放标准。液态碳的添加量通过在线水温传感器进行控制。磷酸盐的去除发生在装有压碎的蒸压混凝土（CAAC）的单元中。经过770天的运行后，废水中的总磷排放标准得以满足，表明该湿地的正磷酸盐吸附能力为17.6 ± 6.7 g P kg^-1。此外，还评估了农药的去除效果。研究中发现，输入废水中的阿唑菌酯（Azoxystrobin）、boscalid和氟环唑（Difenoconazole）浓度超过了0.1 μg L^-1，其中阿唑菌酯主要在曝气湿地中被去除，boscalid在表面流式湿地中被去除，而氟环唑在所有处理单元中的浓度逐渐降低，仅在添加了液态碳的单元中除外。总体而言，这种混合湿地有效处理了富含营养物质的工业废水，并实现了显著的农药去除效果，证明了其在花卉栽培领域的适用性。

引言

2022年，弗兰德斯（比利时北部地区）的花卉和观赏园艺产业产值达到了2.08亿欧元，占当年弗兰德斯农业总产值的3.3%[1]。温室占该产业占地面积的45%[2]，并且依赖水培技术进行施肥[3]。与开放式水培系统相比，封闭循环水培系统可节省高达90%的用水量[4][5]，并且使用的营养物质减少了85%[5][6]。然而，由于盐分积累，最终仍需排放处理后的废水[3][7]。花卉栽培废水通常含有高浓度的营养物质（如氮100 – 300 mg NO₃^--N L^-1和磷15 – 100 mg PO₄^3--P L^-1），同时还可能含有多种农药[3][8][9]。未经处理的废水排放会对环境造成负面影响，例如富营养化和毒性问题[10][11]。

具体而言，弗兰德斯受欧盟水框架指令（WFD, 2000/60/EC）的约束，该指令要求所有地表水体在2027年前达到良好水质标准。为此，弗兰德斯制定了相应的环境质量标准[12]。因此，工业废水排放到地表水体必须获得明确规定流量限制和水质参数的环境许可证。截至2024年，弗兰德斯仅有196个地表水体中的1个达到了WFD规定的良好水质标准[13]。作为应对措施，新的或续期的环境许可证中对废水排放标准提出了更严格的要求。本研究以一家弗兰德斯的花卉栽培企业为例，该企业在许可证更新后必须遵守更为严格的排放标准，特别是总氮（TN）15 mg L^-1和总磷（TP）2 mg L^-1的要求。这些废水主要来源于封闭循环水培系统的定期施肥过程和偶尔的清洁操作。家庭废水（如办公室和食堂产生的废水）被单独收集和处理，不在本研究范围内。鉴于该企业的可持续发展承诺，该公司选择采用基于自然的废水处理方案，即利用处理湿地（TW）进行处理。

事实上，处理湿地（TW）已被证明是处理各种类型废水的有效技术，包括农业废水[15][16]和工业废水[17][18]。然而，与更集约化的废水处理技术相比，处理湿地需要占用较大的空间[19]，这在土地资源有限的弗兰德斯地区是一个重要限制。此外，很少有报道指出未经额外处理的处理湿地能够直接达到总氮15 mg L^-1和总磷2 mg L^-1的排放标准[3][18][20][21]。通过引入性能提升组件（如机械曝气或针对性物质添加），可以增强处理湿地的处理效果[22][23]。本研究对一个新型全尺寸混合处理湿地进行了超过三年的监测和优化。

富含肥料的园艺废水中，氮以多种形式存在：有机结合态（如尿素）、铵离子（NH₄⁺）、亚硝酸盐（NO₂^-）和硝酸盐（NO₃^-）。因此，结合好氧处理步骤和厌氧处理步骤可以为生物氮的硝化-反硝化过程创造最佳条件[24][25]。使用曝气湿地（ATW）可以实现空间高效的处理效果，因为曝气能够提高氧气传递效率[26][27]。好氧条件还有助于异养碳的去除[25]，但由于园艺废水的COD/N比率本身就不利于反硝化反应[8][9][28]，因此需要额外补充碳源。在处理湿地中，碳可以通过植物残体（即有机物质）提供[29]。与地下式湿地相比，表面流式湿地更有利于通过水柱中的分解过程释放碳[30]。由于季节、生长阶段、湿地初始的种植密度以及所选植物种类等因素的影响，植物残体提供的碳量会随时间变化[28][28][31][32]。因此，除非使用非常大的湿地面积，否则碳含量可能不足以支持反硝化反应，这与现有的空间限制相矛盾。

另一种方法是添加液态碳[34]，尤其是在冬季碳输入较低的情况下。多项研究表明，在低温条件下，碳添加可以显著促进反硝化过程。木屑生物反应器在5.5°C的温度下也能正常运行[35]，而在12°C以下，添加醋酸酯可使硝酸盐去除率提高五倍[32]。然而，碳添加可能导致碳从反应器中渗出[32]。在曝气湿地中，当COD/NO₃^--比为4时，反硝化效果最佳（温度为14°C）；而在COD/NO₃^--比为2的较低温度下，碳添加的效果不明显[27]。

处理湿地中的磷可以通过植物吸收和植物生物量收获来去除，但除非使用大型湿地，否则效果较为有限[24][36]。微生物吸收和土壤吸附也是去除磷的常见方法，但这些方法的效果有限，且需要定期更换吸附介质，模块化过滤设计有助于实现这一目标[36][37]。已报道的吸附材料包括压碎的蒸压混凝土（CAAC）[38]、氧化铁涂层砂[37]和磷灰石[39]，但相关研究还涉及其他材料。

除了营养物质外，花卉栽培废水还可能含有多种农药残留物，这些农药用于防止昆虫和真菌对植物的危害[40]。含有农药的废水排放会对水生生态系统造成毒性影响，尤其是在低浓度下[41][42]。通过处理湿地，农药可以通过多种机制去除，主要包括吸附到基质上[43]、生物降解[43]以及其他方式如植物吸收[44]、光降解[43]和挥发[43]。尽管已有研究表明全尺寸处理湿地能够有效去除多种类型废水中的农药（例如农业尾水[46]），但针对花卉栽培废水的具体研究仍较少。

为了满足可持续性、土地利用效率以及严格的营养物质排放要求，为一家花卉栽培企业开发了一种全尺寸混合处理湿地。该设计结合了曝气湿地（ATW）用于硝化处理、表面流式湿地（SF）通过植物残体提供碳源、以及添加液态碳促进反硝化、活性介质用于去除磷。本研究旨在监测和优化该混合湿地，以确保其持续符合排放标准（见表2）。研究目标包括：（1）验证该处理系统是否能够有效处理富含肥料的园艺废水并满足排放标准（特别是氮和磷）；（2）探讨是否可以通过优化处理流程来提升处理效果；（3）监测整个处理系统中的农药残留情况，从而评估各处理单元的农药去除效果。

研究地点描述

位于比利时弗兰德斯的一家花卉栽培企业获得了环境许可证，允许其将处理后的废水排放到当地溪流中，但需满足严格的营养物质排放标准（见表2）。为满足这些标准，该企业采用了由多个不同处理单元组成的混合式强化处理湿地（见图S 1）。系统运行通过将传感器和执行器与可编程逻辑控制器（PLC，LOGO!）连接来实现自动化控制。

处理系统水文特性

在监测期间，废水流入第一个缓冲池的平均流量为10.6 ± 2.5 m³ d^-1。流量的波动是由于企业废水产量不稳定的缘故。PLC记录的数据表明，缓冲池从未达到满负荷状态（见表S 4），这证实了在观察到的运行条件下缓冲池的容量足够使用。因此，在整个监测期间，泵1始终为曝气湿地ATW1提供了稳定且均匀的进水。

结论与建议

本研究评估了由曝气湿地（ATW）、表面流式湿地（SF）和压碎的蒸压混凝土池（CAAC）组成的混合处理湿地在去除营养物质和农药方面的整体性能。在超过3年的运行期间，该混合湿地平均去除70% ± 22%的总氮（TN）。当水温低于18°C时，需要在表面流式湿地之后额外添加液态碳源（LCS），以确保总氮排放量达到15 mg L^-1的标准。尽管整个系统的总停留时间（不包括第一个缓冲池）为23.2 ± 2.3天，其中大部分时间用于表面流式湿地处理。

作者贡献声明

Diederik P.L. Rousseau： 负责撰写、审稿与编辑、验证、项目监督、资金获取及概念设计。 Pieter Spanoghe： 监督工作。 Stijn W.H. Van Hulle： 负责撰写、审稿与编辑及概念设计。 Van Oirschot Dion： 验证工作及软件开发。 Dores G. Cirne： 负责撰写、审稿与编辑、监督工作。 Flor Louage： 负责撰写初稿、数据可视化、资源协调、方法论制定、实验设计及数据分析。 Perry Hoendervangers： 负责撰写初稿。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢Christoph、Katrien、Jeroen和Bart在混合处理湿地建设中的技术支持；感谢Ann、Lies和Hanne在实验室分析方面的协助；同时感谢Lukas提供的材料信息以及Viaverda提供的天气数据。