復合垂直流人工濕地對TN去除效果的正交試驗

摘要：以農村生活污水為研究對象，通過正交試驗設計，考察了復合垂直流人工濕地系統在選定的影響因素及水平下對污水中ＴＮ的去除效果。通過四因素三水平的正交試驗，在控制進水碳氮比、水力負荷、ｐＨ值及流程高度的情況下，測定濕地系統對ＴＮ的去除效果，以尋求優化的因素組合。結果顯示，間歇運行的復合垂直流人工濕地系統對ＴＮ有良好的去除效果，４個控制因素進水碳氮比、水力負荷、ｐＨ值及流程高度對污水中ＴＮ的處理效果具有極顯著影響，當進水碳氮比為８，水力負荷為４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值為７，流程高度為１ 0００ ｍｍ時，濕地系統對污水中ＴＮ的去除效果最佳。

關鍵字：復合垂直流人工濕地；正交試驗；ＴＮ

中圖分類號：Ｘ７０３．１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）14－2859-03

Orthogonal Experimental Studies on Influence of Intergrated Vertical Flow Constructed Wetland on Total Nitrogen Removal

ＬＩ Ｆａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｑｕａｎ－ｊｉｎ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｒｕｒａｌ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙ， ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｌｅｖｅｌｓ， ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ（ＩＶＣＷ） ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ． Ｂｙ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ of ４ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ３ ｌｅｖｅｌｓ， ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ C/N， ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ， ｐＨ value， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ， ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｂｙ ｔｈｅ ｗｅｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＶＣＷ ｈａｄ ａ ｇｏｏｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ， ｆｏｕｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｈａｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ ｒｕｒａｌ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ， ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｔ C/N was ８， ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ was ４０ ｍｍ／ｄ， ｐＨ ｖａｌｕｅ was ７， ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ of ｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ was １ 0００ ｍｍ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗｅｔｌａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｓｅｗａｇｅ ｗａｓ ｂｅｓｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ； ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ； ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ

水體中氮的存在會導致水體富營養化，近年來污水中的除氮備受關注。目前我國的大中型污水處理廠多采用普通活性污泥法及其改良工藝，但其對氮的控制效果并不理想，運行成本高更是其顯著弱點［１］。農村地區的污水處理具有缺乏專業技術管理人員和要求運行費用低廉這兩個特點，人工濕地系統最大的優勢就在于其簡單性［２］，其中，復合垂直流人工濕地是新型的人工濕地處理方式，而且在脫氮除磷方面具有明顯的優勢，該系統獨特的下行流-上行流復合水流方式形成了下行流池部分區域好氧、上行流池部分區域厭氧的復合凈水結構，促成了硝化和反硝化作用，明顯提高了系統的脫氮效果；同時系統采用間歇式的進水方式也有利于系統復氧［３］。

對人工濕地影響水體中氮去除的影響因素，學者們從不同的角度進行了大量的研究。嚴格來講，構成濕地的所有因素都會影響濕地的除氮效果，通常認為濕地脫氮的主要影響因素為基質、微生物、水生植物［４］，這是從濕地的主要構成要素的角度來考慮的。濕地中脫氮的主要限制步驟是硝化作用，張政等［５］指出溶解氧、ｐＨ值和溫度均影響濕地的除氮效果；Ｂａｙｌｅｙ等［６］認為人工濕地的脫氮效果受微生物、植物、基質、水力條件、溫度等多因素的影響，呈多參數相互關聯的非線性復雜生態過程；黃娟等［７］指出除此之外濕地運行參數的選擇和控制直接影響濕地脫氮效果。通過正交試驗研究進水碳氮比、水力負荷、ｐＨ值及流程高度４個因素及每種因素在不同水平下對污水中氮去除的影響，明確各因素對濕地脫氮效果的影響程度大小，確定最佳運行工況，有助于有針對性地提出強化脫氮措施。

１材料與方法

１．１復合垂直流人工濕地處理系統

試驗系統整體尺寸為２．０ ｍ×１．８ ｍ×１．０ ｍ，分隔成兩個１．０ ｍ×１．８ ｍ×１．０ ｍ的并聯床體（記為１號床體和２號床體），每個床體的上下行池的表面積均為１．０ ｍ×０．９ ｍ，出水渠寬０．２ ｍ，下行池深為６００ ｍｍ，上行池深為５５０ ｍｍ，兩池中間設有隔墻，底部連通。濕地床體基質選用礫石為主，最下層基質是粒徑為６０～１００ ｍｍ的礫石層２５０ ｍｍ，上層基質是爐渣層，其中下行池的爐渣層比上行池厚５ ｃｍ，床體表面鋪設以江西當地的紅土壤為主，厚度為５０ ｍｍ，并摻入一定量石灰石。系統進水采用ＤＮ２０ ｍｍ穿孔管布水，出水采用側孔出水，每個單元床的側孔數為２０個。濕地系統的兩個單元兩側在不同高度分別設置了取樣口及出水口，并對其進行編號，記為取樣口①～⑥及出水口⑦。１號濕地處理單元下行池和上行池分別種植香根草和荻，２號濕地處理單元下行池和上行池分別種植燈芯草和香根草，種植密度均為８株／ｍ２。系統剖面圖如圖１所示。

１．２正交試驗設計方法

正交試驗［８，９］是采用正交設計方法處理多因素的試驗，它廣泛應用在各研究領域，在理論上和應用中已被證明是一種科學的試驗方法。它是利用規格化的正交表，對選定因素和水平合理安排試驗，只需做較少的試驗，就可獲得相對多的信息，得出可取的結論，獲得較好的研究結果。對于多因素、多水平的試驗具有設計簡便、節省試驗單元而統計效果高等特點［１０］。

１．２．１控制因素的選擇研究選用進水碳氮比、水力負荷、ｐＨ值及流程高度為控制因素。張迎穎等［１１］的研究指出碳氮比因素對濕地系統的脫氮效果有顯著影響。因為Ｃ／Ｎ通過影響濕地中微生物的硝化／反硝化作用來影響水質脫氮效果，而提高人工濕地ＴＮ去除效果的關鍵是強化濕地的硝化／反硝化能力［１２］，因此保證適宜的碳氮比是保證有效的反硝化反應的必要條件。徐樂中［１３］，陳旭良等［１４］指出在生活污水處理過程中，ｐＨ值對脫氮除磷效果起著重要的作用。它是生物硝化的重要影響因素，它不僅影響硝化細菌的生長和代謝，決定硝化作用的強度，而且影響硝化基質和產物的有效性和毒性。水力負荷的大小直接影響著濕地的除氮效果，針對某一特定的濕地系統，其處理能力主要是通過其能承受的水力負荷來表現。龔琴紅等［１５］研究發現當水力負荷提高到一定值時，水流流態的改變有利于改善濕地內部的硝化和反硝化環境，能增大ＴＮ的去除效果。欒曉麗等［１６］針對復合垂直流人工濕地對各污染物的流程高度去除規律進行了研究，結果發現污水在濕地床層中的運行距離對ＴＮ的去除有影響。基于這些因素對ＴＮ的去除有著重要的影響，故采用進水碳氮比、水力負荷、ｐＨ值及流程高度為控制因素。

１．２．２影響因素各水平的確定各控制因素的水平選取如下：進水碳氮比水平分別為３、８和１５；水力負荷水平從小到大選取為４０、２００和６００ ｍｍ／ｄ；ｐＨ值的各水平確定為５、７和９；流程高度的水平分別為５５０、８６０和１ ０００ ｍｍ。

多年來，國內外許多研究者就Ｃ／Ｎ對不同工藝性能的影響進行了很多探討。彭永臻等［１７］的研究表明，當進水ＣＯＤ／ＴＮ小于４時，碳源不足成為Ａ／Ｏ系統脫氮的限制因素。金春姬等［１８］指出，當ＣＯＤ／ＴＮ為６．８時，可保障ＳＢＲ的處理效果和穩定運行。而在實際工程中，由于采用的工藝、污水水質及系統的運行參數的不同，最佳碳氮比也略有差異，在此對人工濕地的研究中，選取進水碳氮比水平分別為３、８和１５進行試驗分析。張黎［１９］綜合考慮各方面因素，認為水力負荷０．１５６ ｍ3／（ｍ２·ｄ）是垂直流濕地模擬系統運行的最佳水力負荷。較高的水力負荷意味著污水在濕地床層中的停留時間較短，但較低水力負荷意味著較大的占地面積，吳振斌［3］比較了不同水力負荷條件對中試系統的凈化效果發現，在大部分的水力負荷條件下，復合垂直流人工濕地對污水的凈化都表現了較好的效果，因此，水力負荷水平從小到大選取為４０、２００和６００ ｍｍ／ｄ進行試驗分析。目前，對硝化過程的最佳ｐＨ值尚無定論，Ｓｈａｍｍａｓ［２0］認為硝化過程理想的ｐＨ值范圍是８～９，Ａｎｔｏｎｉｏｕ等［２1］綜述了相關文獻后認為最佳ｐＨ值為７．０～８．２，對于整套系統而言，生物除磷又要求在厭氧區有有機酸存在［１３］，考慮到系統同時脫氮除磷的效果，試驗ｐＨ值的各水平確定為５、７和９。基于現有的復合垂直流人工濕地試驗系統，此兩個濕地床兩側均設置了６個取樣點外加一個出水口，由于在下行池表面污水剛進入濕地去除率較小，作為研究對象意義不大，所以主要考查后４個取樣點和出水口，為使高度分布均勻，取圖１中的③、⑤、⑦取樣點為研究對象，即取流程高度的水平分別為５５０、８６０和１ ０００ ｍｍ。

１．２．３正交試驗因素與水平設計正交試驗因素與水平設計見表１。

１．２．４測定方法為保證試驗進水水質的穩定性，試驗用水為人工配置模擬生活污水。進水水質見表２。試驗按水力停留時間運行，每組試驗３次重復，每次試驗均取３個水樣測定求平均值，分析進水和出水水質。ＣＯＤ以葡萄糖溶液調節，ＴＮ以尿素調節，ＮＨ３－Ｎ以氯化銨調節，ＴＰ以磷酸二氫鉀調節，ｐＨ值以Ｈ２ＳＯ４溶液（ｐＨ值２．０）和ＮａＯＨ溶液（ｐＨ值１２．５）調節，實際ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ誤差控制在５％之內，ｐＨ值誤差控制在±０．５以內。ＴＮ測定采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法；ＮＨ３－Ｎ測定采用納氏試劑光度法［２2］。

２結果與分析

兩組濕地床對ＴＮ去除正交試驗結果見表３。由表３可知，復合垂直流人工濕地對ＴＮ去除的各因素影響大小為水力負荷＞碳氮比＞流程高度＞ｐＨ值，１號濕地床各因素的最優水平組合為Ａ２Ｂ１Ｃ３Ｄ３，即在進水碳氮比為８，水力負荷為４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值為９，流程高度為１ 0００ ｍｍ時去除效果最好；２號濕地床各因素的最優水平組合為Ａ２Ｂ１Ｃ2Ｄ３，即在進水碳氮比為８，水力負荷為４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值為７，流程高度為１ 0００ ｍｍ時，濕地系統對污水中ＴＮ的去除效果最佳。

２．１碳氮比對ＴＮ去除效果的影響

從表3和圖２可以看出，碳氮比對ＴＮ去除效率的影響較大，兩組濕地床Ｒ值分別為１１．５7、１３．３６，在碳氮比為８的條件下，ＴＮ的去除率最好，兩組濕地床去除率分別為７６．７５％和７２．６７％，其次為碳氮比為１５條件下的７４．４５％和６４．８１％，碳氮比為３時ＴＮ去除率分別為６５．１８％和５９．３１％。

這是因為在較低碳氮比的情況下，表現為有機碳源的缺乏，這導致反硝化速率較低，此時隨著有機物濃度的增大，人工濕地脫氮效果會大幅度提高；而在較高碳氮比的情況下，有機物已經超過反硝化菌脫氮所需碳源，碳源相對“過剩”，有機碳源不是反硝化菌生長的限制性因素，此時反硝化作用僅受ＮＯ３－－Ｎ濃度的影響，而且自養硝化菌對氧氣和營養物的競爭不如好氧異養菌，有機碳源的增加會有利于人工濕地中不以硝態氮為電子受體的異養菌的增長，這便與反硝化菌競爭生存空間［２3］，從而導致異養菌占優勢，使得氨氮不能很好地轉化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，致使脫氮率低。但這種競爭并不明顯，所以在高碳氮比的情況下，人工濕地對ＴＮ去除效果有所下降，但下降幅度并不大。因此過高或過低的碳氮比都對ＴＮ的去除產生限制，適宜的碳氮比對復合垂直流人工濕地去除污水中的ＴＮ顯得尤為重要。

２．２水力負荷對ＴＮ去除效果的影響

從表３可以看出，水力負荷這一因素的Ｒ值為４個因素中的最大值，分別為１５．６４、２０．０６，說明水力負荷對ＴＮ去除效果的影響最大。從圖３中的數據趨勢可直接看出，隨著水力負荷的增加，復合垂直流人工濕地對ＴＮ的去除率下降趨勢很明顯，水力負荷分別為４０、２００和６００ ｍｍ／ｄ時，ＴＮ的平均去除率分別為８０．６１％（７６．３５％）、７０．80％（６４．１６％）、６４．９７％（５６．２９％）。

ＴＮ的去除主要是微生物的硝化和反硝化作用，受微生物的影響較大［２4］。在一定范圍內水力負荷越大，污水的停留時間就越短，ＴＮ的去除效果越低。當水力負荷從４０ ｍｍ／ｄ增加到６００ ｍｍ／ｄ時ＨＲＴ從５ ｄ縮短至８ ｈ，水力負荷變大，水力停留時間縮短，微生物的硝化和反硝化作用不完全。從圖3中還可以看出復合垂直流人工濕地對ＴＮ的去除效果均在５５％以上。

２．３ｐＨ值對ＴＮ去除效果的影響

從圖４的趨勢可以直觀地看出，１號濕地床在ｐＨ值為９時ＴＮ的平均去除率最高，為７４．８７％，其次是ｐＨ值為７時的７３．８０％，最低是ｐＨ值為５時的６７．７１％；而２號濕地床在ｐＨ值為７時ＴＮ的平均去除率最高，為６８．５１％，其次是ｐＨ值為９時的６６．３５％，最低是ｐＨ值為５時的６１．９３％。

由于人工濕地脫氮系統對ＴＮ的去除主要是通過硝化作用和反硝化作用實現的，因而影響這兩個過程的環境因子會對整個系統的ＴＮ去除產生影響。其中環境ｐＨ值是影響硝化和反硝化速度和反硝化最終產物的重要因素，硝化細菌對ｐＨ值十分敏感，亞硝化細菌和硝化細菌分別在ｐＨ值７．０～７．８和ｐＨ值７．７～８．１時活性最強［３］，這個范圍以外，其活性便急劇下降；對于反硝化作用而言，它的發生是在各種非專業的反硝化細菌共同參與下進行的，大多數學者認為，反硝化的最佳ｐＨ值在中性和微堿性范圍，通常把硝化段運行的ｐＨ值控制在７．２～８．０，反硝化段ｐＨ值控制在７．５～９．２［３］。

２．４流程高度對ＴＮ去除效果的影響

從圖５可以看出，ＴＮ去除隨著污水在濕地中的流程高度的增加去除效果增加，當流程高度從５５０ ｍｍ增加到８６０ ｍｍ時，ＴＮ平均去除率從６７．３９％（５８．１８％）增大到７３．５２％（６８．７８％），增幅相對較大，說明在該區間內流程高度對ＴＮ的去除率的影響作用很大，隨著流程高度增加到１ ０００ ｍｍ時，ＴＮ的平均去除率為７５．４７％（６９．８４％），增幅變緩，說明該段對ＴＮ去除率的貢獻效果變低。增加濕地流程高度會增加ＴＮ的去除率，但是其去除率增大的速度會變慢，增加濕地流程高度來提高ＴＮ的去除率的效果不明顯。

在復合垂直流人工濕地中，污水隨著流程高度的增加交替地流過下行池和上行池的表層好氧區和底層厭氧區，有利于含氮污染物的硝化、反硝化反應，從而為脫氮造成了良好的條件。

３結論

１）間歇運行的復合垂直流人工濕地系統對ＴＮ有良好的去除效果。

２）通過正交試驗得出，復合垂直流人工濕地對ＴＮ去除的各控制因素的最佳水平組合１號濕地床為Ａ２Ｂ１Ｃ３Ｄ３，即在進水碳氮比為８，水力負荷為４０ ｍｍ／ｄ， ｐＨ值為９，流程高度為１ ０００ ｍｍ時去除效果最好；２號濕地床是Ａ２Ｂ１Ｃ２Ｄ３，即在進水碳氮比為８，水力負荷為４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值為７，流程高度為

１ ０００ ｍｍ時，濕地系統對污水中ＴＮ的去除效果最佳。

３）復合垂直流人工濕地對ＴＮ的去除效果隨Ｃ／Ｎ的增加而提高，但提高至一定程度時又有所下降；隨著水力負荷的提高，ＴＮ的去除效果有所下降；復合垂直流人工濕地在中偏微堿的條件下對ＴＮ有良好的去除效果；隨著污水在復合垂直流人工濕地床層中的流動，ＴＮ去除效果呈增加的趨勢，但ＴＮ去除率隨流程高度增加的增幅變緩，這意味著在達到了排放要求的時候，不必增加濕地流程高度，從而降低濕地的工程造價。

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