自動增氧型人工濕地對廢水中COD的去除效果

摘要：針對常規人工濕地中溶解氧不足的問題，采用頁巖空心磚構建自動增氧型人工濕地系統，研究構建系統對廢水COD的凈化效果。結果表明，自動增氧型濕地內的DO比人工強化曝氣型濕地高 0.1 mg/L左右，COD 去除率達到85%以上，比人工曝氣型濕地高2%左右。這說明構建的自動增氧系統可提高濕地系統內部供氧能力，提高濕地系統對廢水COD的凈化效率。

關鍵詞： 自動增氧型人工濕地；DO；COD； 廢水處理；人工曝氣

中圖分類號：X703；X173 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）01-0051-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.015

濕地技術是20世紀70年代發展起來的一種新的污水處理工藝，具有投資少、運行費用低、處理效率高、出水穩定，兼具美化環境、可實現廢水的資源化等優點[1-4]。作為新型綠色生態水處理技術，人工濕地技術符合國際上強調的可持續與低碳的發展理念，逐漸成為水污染控制方面的研究熱點[5]。近年來濕地技術已被廣泛用于凈化各類污廢水，如生活污水、養殖廢水、工業廢水等[6]。但常規濕地系統中因溶解氧不足而處于厭氧或缺氧狀態，抑制了好氧微生物對COD的降解，制約著濕地系統凈化能力。濕地系統內部缺氧是導致COD去除效果較差的原因之一。優化濕地結構，最大程度地改善濕地系統內部供氧能力，提高好氧微生物數量和活性，是提高濕地系統凈化能力的關鍵。本研究用頁巖空心磚構建濕地系統，改善濕地系統內部供氧能力，設計出一種高效率、低運行費用、低維持費用的人工濕地處理系統用來處理廢水，為進一步深入研究濕地系統的凈化機理提供基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料選用天南星科菖蒲屬草本植物菖蒲（Acorus calamus）。菖蒲具有較強的適應能力，可粗放養護，去污能力強，同時具有觀賞性和藥用價值。選取生長良好、長勢基本一致的菖蒲，植株高度約30 cm。

1.2 濕地系統構建與運行

濕地系統自上而下分別鋪設當地土壤、粉煤灰以及礫石，基質層鋪設厚度為21 cm。濕地系統中頁巖空心磚（圖1-Ⅰ）橫放，空心磚層中心逐漸向下凹20°～30°（圖1-Ⅱ），濕地兩側空心磚與大氣相通，便于自動供氧。土壤基質層中鋪設布水管道，并種植菖蒲，菖蒲種植密度為10株/m2。濕地基質層底部設置取水孔，用于采集濕地內不同基質層的出水。

濕地系統建好后，待植物生長正常后進行試運行。試運行期間（4月1日至5月3日）采用間歇式進水方，進水流量約為0.3 cm3/s，污水處理量約為51.8 L。每期進水時間為2 d（上午8：00進水），污水在反應器中的停留時間6 d，6 d后排水，接下來2 d系統進入停休階段。待系統穩定后進行正式試驗。試驗中每隔7 d采樣1次，研究基質層DO變化以及基質層對廢水COD的凈化效果。

試驗中以人工強化曝氣系統（圖1-Ⅲ）為對照，該系統其他配置情況和構建的自動增氧系統完全相同。

1.3 分析指標及方法

分析指標為DO和COD。DO測定采用碘量法， COD測定采用重鉻酸鉀氧化法[7]。

2 結果

2.1 土壤層DO及COD去除效果

濕地系統泥土層基質廢水DO以及對COD的去除率見圖2。由圖2可知，人工曝氣系統土壤基質中DO為0.67～0.73 mg/L， COD的去除率為53%左右；自動增氧系統土壤基質DO為0.77～0.85 mg/L， COD去除率為55.0%～56.8%。計算得知，自動增氧系統DO比人工曝氣系統平均高出0.11 mg/L，COD去除率平均高出2.6個百分點。

2.2 粉煤灰層DO及COD去除效果

濕地系統粉煤灰基質廢水DO及COD去除率見圖3。從圖3中可以看出，粉煤灰基質中，人工曝氣和自動增氧兩系統DO分別為0.50～0.55 mg/L和0.61～0.68 mg/L；其COD的去除率分別為45%～47.6%和47.1%～50.1%。自動增氧系統比人工曝氣系統DO高出0.11 mg/L， COD去除率平均高出2.2個百分點。

2.3 礫石層DO及COD去除效果

濕地系統礫石層基質廢水DO以及COD去除率見圖4。人工曝氣系統礫石層DO為0.65～0.72 mg/L，COD去除率為35.4%～40.4%；自動增氧系統礫石層DO為0.51～0.57 mg/L，COD去除率為35.1%～39.4%。人工曝氣系統礫石基質DO較自動增氧系統平均高出0.15 mg/L，這可能與人工系統的砂芯曝氣頭位于濕地系統底部有關。

2.4 系統COD總去除效果比較

濕地系統對廢水的COD去除效果見圖5。人工曝氣系統COD最終去除率為83.3%～85.3%；自動增氧系統COD最終去除率為85.1%～86.7%。計算得知，自動增氧系統COD去除率比人工曝氣濕地系統高約2個百分點。

3 小結與討論

人工濕地是一種較復雜的生態系統，濕地系統內部進行著各種物理、化學和生物反應。魏彩春等[8]研究表明，濕地系統對有機污染物的去除是通過濕地植物吸收利用、基質吸附、礦化及濕地內填料上微生物膜聯合作用等途徑的結果。梁威等[9]也發現，濕地植物在污水凈化過程中發揮了重要作用。其作用表現為，一是直接吸收利用污水中的營養物質供其生長發育；二是為微生物的新陳代謝提供良好的生化環境，利于微生物降解有機物質，部分根際微生物還可提高植物對污染環境的適應能力，促進植物對污染物質的降解；三是濕地植物通過光合作用將氧輸送至根區，利于微生物的有氧呼吸作用。聞岳等[10]研究認為，生物種群結構多樣性對COD的降解有重要作用。付融冰等[11]發現，在一運行穩定的濕地基質中會逐漸形成數量和活性比較穩定的生物群落，且不同空間位置的微生物數量各不相同，一般上層多于下層。吳曉磊[12]研究表明，好氧過程具有更強的有機污染物降解能力。林良琨等[13]研究也證實了這一點，當DO控制在1.5 mg/L左右時，濕地系統處理效果最佳，COD降解率可達96.10%；當DO低于1.5 mg/L時，DO對COD去除效果影響顯著，如當DO為 0.5 mg/L時，COD降解率僅為41.63%；當DO為1.0 mg/L時，COD降解率為84.43%，這是因為當濕地內部氧濃度增加，好氧微生物數量增多、活性增強、反應加快，對COD的降解效率提高，使有機污染物能以較快速度分解。可見DO對COD的去除效果影響巨大，通過改善濕地系統內部供氧能力可有效提高濕地系統的凈化能力。

本研究中兩種濕地系統內部基質層溶解氧含量均較高，DO平均為0.54、0.69 mg/L，與文獻[14]和[15]相近。人工曝氣和自動增氧兩系統對COD的平均去除率分別達到了84.0%和85.8%，自動增氧系統表現出更為明顯的優勢，其內部DO平均高出人工曝氣系統0.12 mg/L，COD去除率保持在85%以上，高于人工曝氣系統。這是因為自動增氧系統的設計合理，充分利用空心磚內部空隙對濕地系統供氧，當污水向下流動，由于三層基質間的頁巖空心磚孔隙間都充滿空氣，水流在基質層內呈非飽和流狀態[16]，部分空氣可進入到基質內，因此提供了一個DO含量更為充足的環境；同時，在濕地系統停休期間，空氣可進入基質內部空隙，基質間的微小孔隙中也會發生大氣復氧，提高了濕地內的含氧量，緩解水生植物根系放氧不足，從而提高系統處理能力[17]。

構建濕地系統內部DO保持在0.6 mg/L以上，比人工曝氣濕地系統（0.5 mg/L）高0.1 mg/L左右（礫石層低于人工強化曝氣系統，這與曝氣點位置有關）。自動供氧型濕地系統廢水COD去除率達到85.8%，略高于人工強化曝氣系統。這說明供氧水平在一定程度上決定著COD的去除性能（正相關關系）；且供氧水平不同，其對COD的去除率影響程度也不同，人工曝氣系統中極顯著，自動增氧系統中顯著；頁巖空心磚利可有效改善濕地系統內部的供氧能力，提高濕地系統的凈化能力。

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