潛流人工濕地處理城市污水氮和有機物的研究

廖 頡，劉迎云，陳小明

（南華大學 城市建設學院，湖南 衡陽421000）

針對上述問題，采用的對策是通過水位調整來有效提高大氣復氧。本試驗以模擬垂直潛流人工濕地為研究對象，考察了水位大幅度和小幅度變化對DO濃度的影響，以提高氮和有機物去除效率。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置與運行

采用2個規格為D32cm×45cm的PVC塑料桶，在裝置1內，底部鋪約10cm的珍珠沙（直徑0.5～1cm），中部放上約15cm的碳渣，上部墊上15cm的土壤；在裝置2內，底部鋪約10cm的礫石（直徑2～4cm），中部放上約15cm的蛭石（呈鋸末狀），上部墊約15cm的陶瓷環。污水進水從填料表層的布水裝置均勻的自上而下流經填料，最后從底層布水小孔流出至出水軟管，出水軟管可以調整出水口位置。模擬垂直潛流人工濕地中的植物為菖蒲和美人焦，菖蒲2株，美人蕉2株，間距9cm，2個裝置種植的植物種類和密度相同。

試驗采用連續進水，進水流量8L/d，水力負荷10cm/d。

試驗分為2個階段，第1階段是水位小幅度變化階段，設置4個不同高度的出水口，先在滿水位（40cm）處出水，再降低水位至30，20，10cm，后提升水位至20，30，40cm，分別在各個水位處連續運行5d再進行水位的調整；從2009年3月中旬開始正式運行，試驗運行到4月中旬，污水調試后，平均水溫22℃（如圖1）。

第2階段是水位大幅度變化階段，水位只在滿水位（40cm）和落空水位（0cm）之間不斷的變化，也是5d變化一次水位；從2009年4月中旬開始正式運行，試驗運行到5月中旬，污水調試后，平均水溫27℃（如圖2）。

1.2 試驗污水水源

試驗采用人工污水，污水由硝酸鉀、葡萄糖、蛋白胨、磷酸氫二鉀溶于自來水中靜置而成。試驗期間進水水質見表1。

表1 試驗污水水質條件

1.3 測試項目和方法

采用 《水和廢水監測方法》［6］，COD采用測定儀消解—滴定法，BOD5采用哈鈉 BOD5儀測定，TN采用COD測定儀消解—紫外分光光度法，凱氏氮采用消解—蒸餾—滴定法，DO采用便攜式溶氧儀測定，pH采用PHS－3C型精密pH計直接讀數。

2 結果與分析

2.1 水位小幅度變化下運行試驗

2.1.1 模擬人工濕地水位小幅度變化對DO濃度的影響水位變化直接影響DO的變化，如圖3。

圖3 水位變化與出水DO濃度的關系

每一次變換水位時，無論是水位上升還是下降，出水DO濃度都會有不同程度的上升，因為水位升降均屬于流體紊動，而紊動復氧是大氣復氧的重要過程［7］；在保持水位不變的情況下，出水DO濃度則有不同程度的降低，可能是靜止水體中，氧分子擴散系數很小，可以忽略對水中溶解氧濃度的貢獻［7～8］，此時復氧能力很小。在不同水位下，出水DO的含量也不同，水位較低時，DO含量則相對較高，主要是水面之上的填料通過空隙直接與氧氣接觸的原因。出水DO濃度主要在2～4mg/L之間變化，裝置雖然沒有曝氣，但是出水DO濃度始終沒有低于1.5mg/L，一直處于好氧狀態。2個裝置出水DO變化趨勢一致，相對于裝置1來說，裝置2的出水DO含量稍高，主要是上層填料中陶瓷環比土壤的空隙率大，過水性能更好，使得復氧情況有所差別。

2.1.2 模擬人工濕地小幅度水位變化對COD、BOD5去除的影響

水位變化間接影響COD和BOD5的去除，如圖4。2個裝置去除COD和BOD5無明顯差異，可能是因為有機物污染負荷較低，削弱了DO降解成為去除COD和BOD5的主要途徑。兩者去除率較高，COD去除率在85%～93%之間，BOD5去除率在91%～95%之間，這是良好的DO環境作用的結果。COD和BOD5都是在40cm處時去除率要高于其他水位的去除率，這是因為在水位增大到40cm時，此區域植物根系發達，生物膜生長旺盛，即加深了對不溶性有機物的過濾攔截作用，又促進了生物膜對可溶有機物的降解。

圖4 水位變化與COD、BOD5去除率關系

2.1.3 模擬人工濕地小幅度水位變化對TN、TKN去除的影響

水位變化也間接影響TN和TKN的去除，如圖5。進水TN在25～50mg/L、TKN在20～45mg/L時，2個裝置中TN去除率主要在65%～75%之間，TKN去除率主要在75%～85%之間。TN包括TKN和氮氧化物，其中TKN包括有機氮和氨氮，氮氧化物包括硝酸氮和亞硝酸氮。模擬人工濕地中TN的去除率要比TKN要低，說明有機氮和氨氮去除率較高，氮氧化物去除率不高，可能濃度還有上升，因此氮氧化物的積累限制了TN的去除率。人工濕地微生物硝化、反硝化是主要的、長期有效的脫氮機制起主導作用［9～10］，顯而易見，硝化反應占據優勢，此裝置TKN去除率的差異受到硝化菌和DO的限制，DO充足促進硝化菌的生長和繁殖，水位變化使得水面能夠充分進行大氣復氧，但裝置沒有提供反硝化的環境，脫氮還是不能徹底地進行。特別是在10cm處水位時，裝置1和裝置2TKN的去除率分別在79.5%和82.2%，而TN的去除率分別在69.2%和65.5%，在這一階段，氮氧化物累積得最為嚴重。

圖5 水位變化TN、TKN去除率的關系

在裝置1和裝置2中，隨著水位的升高，TN去除率逐漸升高；TKN的去除率緩慢降低。這說明水位較高時，TN的去除不僅僅限于硝化反應，它還有反硝化作用的反應環境，因此在40cm時TN去除率最好。TKN的去除則依賴于有氧環境，變化趨勢大致與出水DO濃度高低相關。相比較裝置1，裝置2中去除TKN效果好，經分析是因為裝置2的陶瓷環是非常好的過濾材料，表面布滿微小氣孔，比裝置1的任何一種填料的吸附能力更強一些，吸附時間也更久；裝置2去除TN效果較差，因為底部出水DO均大于1.5mg/L，限制了反硝化反應的進行。

2.2 水位大幅度變化下運行試驗

2.2.1 模擬人工濕地大幅度水位變化對DO濃度的影響

如圖6，出水DO濃度浮動相對于第1階段更大。出水DO濃度大部分在1～4mg/L之間，在0cm處和40cm處明顯出現大幅度波動，因此落空水位下的大氣復氧能力強。相對于裝置2來說，裝置1的出水DO濃度變化范圍更大，經分析裝置1的填料利于植物生長，它的葉片比裝置2的長1倍，表層填料好養微生物繁殖更多。

圖6 水位變化與出水DO濃度的關系

2.2.2 模擬人工濕地大幅度水位變化對COD、BOD5去除的影響

如圖7，2個裝置的COD和BOD5都是在40cm處時去除率較高，在0cm處去除率較低，與第1階段比較，COD和BOD5去除率變化趨勢一致，但是去除率普遍偏低，這是因為此時填料已經飽和。2個裝置的COD去除率還是達到80%～88%，BOD5去除率達到85%～90%，裝置去除BOD5、COD相對較穩定，表明裝置已成熟運行，主要是微生物的降解COD和BOD5。

圖7 水位變化與COD、BOD5去除率關系

2.2.3 模擬人工濕地大幅度水位變化對TN、TKN去除的影響

從圖8可以看出。 進水TN在25～50mg/L、TKN在20～45mg/L時，2個裝置中TN去除率主要在70%～80%之間，TKN去除率主要在80%～90%之間。與第1階段比較，TN和TKN的去除率都有所提高，因為從0到40cm之間變化水位時，高差變化較大，大氣復氧能力更強。在這兩個水位之間出現好氧區和厭氧區，硝化反應得以順利進行，反硝化反應也有充足的環境。

圖8 水位變化TN、TKN去除率的關系

3 結語

（1）水位升降變化都有利于大氣復氧，而且能提供良好的好氧環境；水位大幅度變化下大氣復氧能力更強，這種運行方式利于好氧與厭氧的交替運行。

（2）良好的DO環境使COD和BOD5去除能力都得以提高，但是水位變化幅度對COD和BOD5去除的影響不大。

（3）良好的DO環境去除TKN能力較高，但是去除TN的能力相對偏低；水位大幅度變化時，TN和TKN的去除率相對較高。

（4）考慮到優化運行條件，大幅度水位變化更適合于處理有機物和氮。

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