波式潛流人工濕地對氮的去除效果研究

郭玉章，趙 楠，王曉歐，趙新華

（天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

氮元素是生物生命所必須的重要元素，是構(gòu)成生物體細(xì)胞的大量元素，它通常以多種形態(tài)存在于水中。N含量過高是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。水體富營養(yǎng)化一旦發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響水質(zhì)，破壞景觀水體的功能，甚至使景觀水變成影響周圍環(huán)境的污染源。所以由各種形態(tài)的氮元素造成的污染是當(dāng)前景觀水體保持領(lǐng)域亟待解決的問題［1］。水體中N元素的去除過程涉及到多種形態(tài)的氮元素以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化。韓耀宗等［2］認(rèn)為NH3—N的去除主要依靠Nitrosomonas的硝化作用，要在好氧環(huán)境，溶解氧（DO）較高的條件下進(jìn)行，碳源可以自給；而硝態(tài)氮的去除主要依靠Nitrobacter的反硝化作用，需要足夠的碳源支持。本研究首先分析HRT，COD/N，溫度等對 W－SFCW去除效果的影響，以確定裝置的最佳運(yùn)行條件；然后在此基礎(chǔ)上研究W－SFCW不同部分的各種氮形態(tài)含量的分布情況，確定W－SFCW各個部分的主要功能；最后通過合理的方法提高各個部分的功能，提高整個裝置的去除效率。研究結(jié)果對于完善推廣W－SFCW在污水處理中的應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置的設(shè)計及水樣配置

采用 W－SFCW小試裝置，通過在水平潛流人工濕地內(nèi)部按照一定的間距添加一定數(shù)量的隔板，強(qiáng)制濕地中的水流呈波形流態(tài)，使污水形成若干個串聯(lián)的上下行流交替的水流方式，多次流經(jīng)人工濕地內(nèi)部具有不同處理特性的構(gòu)造層，增加受污染水體與濕地系統(tǒng)中下層的微生物和基質(zhì)接觸機(jī)會，延長了HRT，使有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)得到充分降解，從而達(dá)到增強(qiáng)污水處理的目的。

小試裝置池體和隔板均采用鋼化玻璃，其中池體厚度為1cm，隔板為0.8cm。進(jìn)水自行配置，經(jīng)蠕動泵，由溢流堰進(jìn)入池體。設(shè)置6個采樣孔，其中1，4，5號取樣孔位于好氧區(qū)，距離池底45cm；2，3，6號取樣孔位于厭氧區(qū)，距離池底20cm。為防止裝置底部堵塞，在底部區(qū)域填裝大粒徑的石塊，其高度為10 cm；然后再在石塊上面填裝火山巖粒，其粒徑為1.5～2.0cm，填裝高度為25cm植物種在該層；在火山巖層上面裝填水生植物砂石，其粒徑為0.3～0.4 cm，裝填高度為15cm。

試驗所處理的原水模擬微污染水體，在自來水中加入NH4Cl配制，NH3—N的含量為40mg/L沒有其它形式的氮，加入CH3COONa來控制COD的含量。

1.2 植物的選取和填料的搭配

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c，選用黃花鳶尾作為小試裝置的水生植物，直接將幼苗直接移栽入小試裝置，種植密度為20株/m2。

如表1所示的幾種填料，其中火山巖中CaO和SiO2較高，表面粗糙多微孔，水流阻力小，不易堵塞，具有布水布?xì)饩鶆颍瑨炷た欤礇_洗是微生物膜不易脫落等優(yōu)點；其機(jī)械強(qiáng)度為5.08MPa，可以承受不同強(qiáng)度的水力剪切作用，使用壽命遠(yuǎn)高于其它填料；同時它還具有抗腐蝕性，具有惰性，不參與生物膜的生物化學(xué)反應(yīng)。是人工濕地填料的理想選擇。小試裝置選用火山巖作為主體填料。

表1 幾種人工濕地填料的化學(xué)組分 %

1.3 水質(zhì)指標(biāo)分析和方法

試驗從2012年5月開始每周分別在試驗裝置的6個取樣點取樣檢測兩次（間隔3d），每次對每個檢測指標(biāo)均去兩組平行樣進(jìn)行檢測，一直連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測4個月時間。對HRT和COD/N兩個影響因素在9月份均做驗證性試驗，試驗水溫為24.4±0.5℃比首次在7月份的試驗水溫26.2±0.5℃略低，但得到了相似的結(jié)果。水質(zhì)分析項目有NH3—N，TN，NO3—N，NO－2—N，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4版）［3］分析檢測。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過檢測得到不同HRT、溫度、COD/N下的進(jìn)水和出水的NH3—N，TN，NO3—N，NO2—N濃度。對每組平行樣進(jìn)行統(tǒng)計分析，分別計算各組數(shù)據(jù)的平均值，方差，并做單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力停留時間對氮去除效果的影響

人工濕地氮的去除主要依靠植物對NO3—N，NO－2—N的吸收以及微生物的生化反應(yīng)。圖1所示，在HRT為1d時，TN和NH3—N的去除率分別為40.04%和48.24%，隨著 HRT逐漸提高，TN的平均去除率也逐漸提高，到5d時達(dá)到峰值74.92%，NH3—N也有相同的趨勢。這是由于在較低的水力停留時間下，水中的各種形態(tài)的氮沒有與植物、微生物充分接觸，造成生化反應(yīng)不完全，去除率較低。隨著HRT的提高，生化反應(yīng)越來越充分，TN與NH3—N的去除率不斷增加。而在HRT超過5d后，通過對小試裝置3個區(qū)域6個點位的DO測定發(fā)現(xiàn)，此時的DO會隨著HRT的增大由下而上逐漸降低，說明過長的水力停留時間會造成污水滯留，使厭氧區(qū)面積增大，不利于硝化作用的進(jìn)行從而大幅降低TN和NH3—N的去除效果。

圖1 不同水力停留時間（HRT）下 W－SFCW對于TN和NO3－N的去除率

2.2 溫度對氮去除效果的影響

人工濕地中氮的去除主要依靠濕地處理系統(tǒng)的3個基本要素（基質(zhì)、植物和微生物）共同作用，這3個要素相互關(guān)聯(lián)，通過物理、化學(xué)及生物過程的協(xié)同作用以去除污水中的氮［4］。溫度對植物與微生物的生長影響重大，溫度適宜，人工濕地中的植物生長旺盛，濕地中微生物數(shù)量較高，相關(guān)的生物酶活性也較高，可有效促進(jìn)除氮過程中的化學(xué)和生物反應(yīng)［5］。

由圖2—3可以看出，在溫度從16.8℃逐漸升到27.7℃的過程中，水中TN和NO3—N的去除率呈上升趨勢，NH3—N的去除率的增幅達(dá)到20%，TN的去除率增幅達(dá)到30%，這充分說明溫度對W－SFCW中TN和NO3—N的去除影響頗大。濕地水中TN和NO3—N的去除，主要靠相關(guān)植物的吸收和硝化反硝化反應(yīng)［6］。亞硝酸細(xì)菌的生長是整個硝化過程的限制步驟。硝化反應(yīng)是受溫度影響最嚴(yán)重的，溫度過低會使亞硝酸細(xì)菌世代變長，導(dǎo)致微生物繁殖速度降低，此外，與硝化反應(yīng)相關(guān)的生物酶活性也降低，一般認(rèn)為硝化反應(yīng)的最佳溫度為30～35℃［7］。

圖2 不同溫度下W－SFCW中TN的濃度和去除率

圖3 不同溫度下W－SFCW中NO3－N濃度和去除率

2.3 進(jìn)水COD/N對氮去除效果的影響

微生物的硝化/反硝化反應(yīng)是W－SFCW除氮的主要途徑，硝化過程主要由兩步構(gòu)成，首先，NO3—N被亞硝酸細(xì)菌轉(zhuǎn)化為NO－2—N，隨后，NO－2—N被硝化桿菌氧化為NO3—N［8］。此反應(yīng)中NO－2是中間體。

反硝化作用實質(zhì)上是一個硝酸鹽的生物還原過程，包括多步反應(yīng)，對碳源有固定要求，且要在厭氧條件下進(jìn)行。

6（CH2O）＋4NO－3→6CO2＋2N2＋6（H2O）

W－SFCW對TN的去除是將污水中各種形態(tài)的氮如NO3—N，NO－2—N，NO3—N等經(jīng)過硝化/反硝化反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為N2，此外植物還可以吸收一定量的NO－2—N，NO3—N。有關(guān)文獻(xiàn)［9］認(rèn)為微生物的硝化/反硝化反應(yīng)在去除氮類污染物時發(fā)揮了主要作用，由植物吸收去除的氮只占總氮去除的5%～10%。本實驗所采用的原水中TN是以NO3—N形式存在，而人工濕地對不同形式的氮的去除效果不同，Bachand［10］等研究發(fā)現(xiàn) N的轉(zhuǎn)化過程中，NO3—N的去除速率小于100mg/（m2·d），NO3—N為2 800 mg/（m2·d）。這說明硝化反應(yīng)是脫氮實驗的控制因素。

由圖4—5可知，TN的去除率在COD/N從0逐漸增加到9的過程中先增后減，其值為5時達(dá)到峰值；NO3—N的去除率則是一直降低。試驗所用原水主要含有NO3—N，通過硝化反應(yīng)去除需要好氧條件，之后得到的NO－2—N，NO3—N通過反硝化作用去除，反硝化需要碳源和厭氧條件。而隨著COD/N的提高，微生物在吸收碳源的過程中，消耗了大量水中的DO，使厭氧區(qū)逐漸增大，硝化反應(yīng)被抑制，而反硝化反應(yīng)被促進(jìn)。特別是COD/N大于5后，硝化反應(yīng)的影響成為主要控制因素，這時雖然反硝化反應(yīng)很快，但是通過測試上下二區(qū)的水樣發(fā)現(xiàn)，NO3—N含量大幅增加，NO－2—N和NO3—N含量很低，造成NO3—N去除率下降。

圖4 不同COD/N下W－SFCW中TN的濃度和去除率

圖5 不同COD/N下W－SFCW中NO3－N的濃度和去除率

因此COD/N對 W－SFCW 除氮的影響是復(fù)雜的，較高的COD/N會促進(jìn)反硝化反應(yīng)，但同時也會導(dǎo)致污水中DO的減少，抑制硝化反應(yīng)。本試驗條件下的水樣，以氨氮為主要氮元素，COD/N值為5最佳。原水水質(zhì)是W－SFCW應(yīng)采用的COD/N的重要因素。

2.4 氮的去除路徑

綜合上述分析結(jié)果，得到W－SFCW去除原水中氮元素的最佳HRT，溫度和COD/N等運(yùn)行參數(shù)。考慮在適宜的HRT，溫度和COD/N下，通過對小試裝置上下共6個采樣孔的水質(zhì)各形態(tài)氮元素含量進(jìn)行分析，以此劃定裝置各部分的功能區(qū)，并采用合理的人工控制方法提高去除率。試驗中原水連續(xù)流過1，2，3，4，5，6共6個采樣點，由各采樣點水質(zhì)分析結(jié)果確定，其中1，4，5號采樣點為上層的好氧區(qū)，2，3，6號采樣點為下層的厭氧區(qū)。

由圖6可知，水中TN的含量每經(jīng)過厭氧區(qū)就有大幅減少，而在好氧區(qū)變化不大；水中氨氮則相反，在好氧區(qū)減少而在厭氧區(qū)變化不大。NO－2—N，NO－3—N沿程含量不斷變化，二者主要在好氧區(qū)出現(xiàn)，在厭氧區(qū)去除。這說明1，4，5發(fā)生硝化反應(yīng)，NO3—N被氧化為NO－2—N，進(jìn)而NO－2—N又被氧化為NO3—N，這時氨氮被去除，但總氮變化不大；在2，3，6發(fā)生反硝化反應(yīng)，NO3—N經(jīng)過復(fù)雜的還原反應(yīng)以N2的形式被去除。W－SFCW較好的脫氮效果就是這個原因，根據(jù)氮生物去除的特點，污染物連續(xù)經(jīng)過相互分離的好氧區(qū)、厭氧區(qū)，充分發(fā)揮了好養(yǎng)菌及兼性厭氧菌的除氮功能。

圖6 沿程各采樣點處TN和氨氮的去除率以及NO－2－N，NO3－N的質(zhì)量濃度

3 結(jié)論

（1）HRT太低反應(yīng)不完全，過高會使水中DO下降對硝化反應(yīng)不利，本試驗下HRT為5d時效果最佳；進(jìn)水COD/N通過影響DO和碳源供應(yīng)，控制硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)；進(jìn)水氨氮含量越高，TN的去除對硝化反應(yīng)的要求就越高，因此需要跟據(jù)進(jìn)水NH3—N濃度以及水中DO等因素綜合確定COD/N。

（2）本試驗中 W－SFCW較SFCW 只是改變水流形態(tài)，使進(jìn)水連續(xù)經(jīng)過好氧區(qū)，厭氧區(qū)，很好地對應(yīng)了氮的去除規(guī)律，使硝化反應(yīng)反硝化反應(yīng)分離并相互促進(jìn)，使得總氮去除率顯著提升，可達(dá)74.98%。

（3）2，3取樣孔經(jīng)過兩個連續(xù)的厭氧區(qū)，總氮變化不大，這說明這兩個厭氧區(qū)的反硝化能力有余。若能根據(jù)進(jìn)水氨氮含量，通過曝氣合理分配好氧區(qū)與厭氧區(qū)體積；合理增加單位池體隔板數(shù)量可進(jìn)一步開發(fā)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的能力，去除效果更佳。

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