復合垂直流-水平流人工濕地系統除氮效果的影響因素

夏艷陽，崔理華

1.武漢中科水生環境工程股份有限公司，湖北 武漢 430071 2.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642

復合垂直流-水平流人工濕地系統除氮效果的影響因素

夏艷陽1，崔理華2*

1.武漢中科水生環境工程股份有限公司，湖北 武漢 430071 2.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642

氮；復合垂直流-水平流人工濕地；水力負荷；溶解氧；植物；季節

人工濕地系統是20世紀70年代發展起來的污水處理工藝，利用系統中基質、水生植物、微生物的物理、化學和生物三重協同作用，通過基質過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈化[1]。人工濕地具有投資和運行費用低、處理效果穩定、出水水質好等優點，并且具有良好的生態、社會、經濟效益。人工濕地應用非常廣泛，在生活污水、農業和畜牧業廢水、垃圾場滲濾液以及水產養殖廢水、污水處理廠尾水等方面均有應用[2-6]。

1 材料與方法

1.1 復合垂直流-水平流人工濕地中試系統

復合垂直流-水平流人工濕地中試系統如圖1所示。從圖1可以看出，該系統由垂直流(VF)和水平流(HF)組成。每套系統均包含2組相同規格的垂直流-水平流池，1組種植植物(風車草和美人蕉)，另1組無植物作為對照。

圖1 復合垂直流-水平流人工濕地中試系統示意Fig.1 Profile of integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands pilot system

垂直流系統規格為100 cm×100 cm×85 cm，水平流系統規格為200 cm×100 cm×80 cm。試驗組中垂直流系統和水平流系統分別種植風車草和美人蕉，種植密度為12兜/m2。

1.2 供試污水

試驗所用污水來自某廠的化糞池，其水質如表1所示。

表1 供試污水水質

注：樣本數為12。

1.3 水樣采集與數據處理

采用Duncan方法分析各階段試驗數據，最小顯著法(LSD)比較多個樣本的平均值。

2 結果與分析

2.1 水力負荷(HRL)對系統除氮效果的影響

圖2 復合垂直流-水平流人工濕地系統在高、中、低水力負荷條件下對和TN的去除效果in high, middle, low load

2.2 間歇式灌水或充氧對系統除氮效果的影響

相對于連續灌水而言，間歇式灌水可有效提供系統硝化作用所需的氧氣，從而提高系統氮的硝化作用。吳振斌等[16]在復合垂直流人工濕地系統中采用間歇式灌水，每天分8次進水，每次停留2 h，結果表明，系統對氮的去除效果較好。彭舉威等[17]的研究表明，間歇式進出水可最大程度地利用床體上層的大氣復氧，緩解了水生植物根系放氧不足的矛盾。適當縮短間歇周期，可以提高系統處理廢水的能力。

圖3 不同停留時間、氧氣是否充足條件下系統對的去除效果in different HLR under aerobic or anoxia

2.2.2 TN的去除效果

由2.2.1節可知，系統經過改良增加了通氣閥并采取了間歇式灌水后，系統的硝化效果得到了提高，從而為系統的反硝化作用提供了充足的硝化氮源，可提高TN的去除效果。

系統運行前期，由于充氧不足，其硝化和反硝化效果并不明顯；經過改良，增強了充氧條件，改善了系統進水方式，其硝化和反硝化效果得到顯著提高。從圖4可以看出，在停留時間為23、1和2 d條件下，氧氣不足時，系統對TN的去除率分別為31.00%、25.66%和33.70%；氧氣充足時，系統對TN的去除率提高到77.20%、76.85%和78.15%。氧氣是否充足對系統去除TN的效果有顯著影響。由此可知，在設計人工濕地參數時，要盡可能為系統提供充足的氧源，如改進灌水方式、增加通氣閥或增加打氣系統等，都是有效提高人工濕地溶解氧濃度的實際運用方式，為人工濕地更好地運用于生產實踐提供有效的技術參數，同時有助于解決目前人工濕地除氮效果較差的問題。

圖4 不同停留時間、氧氣是否充足條件下系統對TN的去除效果Fig.4 The removal rates of TN in CW in different HLR under aerobic or anoxia

2.3 植物對系統除氮效果的影響

停留時間∕d系統平均濃度∕(mg∕L)去除率∕%2∕3對照58.797.01植物62.006.971對照58.017.20植物61.327.082對照61.455.70植物65.025.13

注：樣本數均為12。

2.3.2 TN的去除效果

植物對系統去除TN效果的影響見表3。從表3可以看出，有植物系統對TN的去除效果要比對照系統好，但二者差異并不顯著(P>0.05)。同樣，因為植物的生長量不是很大，根系也不很發達，從而對硝化-反硝化作用產生的影響較小，因此，植物并不是系統去除TN的主要影響因子。

表3 植物對系統去除TN效果的影響

注：同表2。

2.4 季節對系統除氮效果的影響

不同季節對系統去除氮的影響很大，溫度的變化會對植物的生長和微生物的繁殖及其活性有一定的影響。在去除氮污染物過程中硝化細菌和反硝化細菌對溫度的變化極其敏感。

停留時間∕d去除率∕%冬季春季夏季秋季2∕336.01b43.95b84.63a83.86a133.15b39.78b79.33a81.39a246.54b53.57b80.44a78.34a

注：數據為3次重復試驗的平均值；采用Duncan法進行多重比較，同一停留時間下含相同字母表示差異不顯著。

2.4.2 TN的去除效果

從表5可以看出，夏季系統對TN的去除率最高，達86.62%，春季系統對TN的去除率最低，只有28.28%～48.65%，二者有顯著差異(P<0.05)。由于冬季系統剛運行，微生物數量很少且活性較低，植物也剛種植，因TN數據不穩定，未進行比較。春季氣溫回升，但不及夏秋季節，且系統也開始穩定，這時系統對TN的去除率雖比冬季要好，但仍較低。夏季氣溫上升到最高點，且此時植物穩定生長，微生物數量和活性也達到頂峰，因此該季節系統對TN的去除效果最好。秋季氣溫回落，植物的生長減慢，硝化細菌和反硝化細菌對溫度變化非常敏感，硝化細菌和反硝化細菌繁殖率及其活性都不及夏季，因此系統對TN的去除效果減弱，去除率下降。細菌的硝化作用只是改變氮在濕地中的存在形式，氮的最終去除是通過反硝化作用完成的。而且，濕地植物的生長為細菌的反硝化作用提供了碳源，然而細菌的反硝化作用受溫度的影響很大。有研究表明[19]，在溫度為10～30 ℃時，高溫有利于反硝化作用，最佳溫度為30 ℃左右。綜上，TN的去除主要靠微生物的作用，季節的變化影響了微生物的繁殖和活性，因此季節的變化對系統去除TN效果影響很大。

表5 季節對系統去除TN效果的影響

注：同表4。冬季因系統剛運行，數據不穩定，而未考慮。

3 結論

(2)在2/3、1和2 d停留時間條件下，氧氣不足時，系統對TN的去除率分別為31.00%、25.66%和33.70%；系統改良增加了通氣閥，并由連續式灌水換成間歇式灌水以后，對TN的去除率提高到77.20%、76.85%和78.15%。氧氣是否充足對系統去除TN的效果有顯著影響。

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Influential factors of nitrogen removal efficiency by the integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands

XIA Yanyang1, CUI Lihua2

1.Wuhan Zhongke Hydrobiological Environment Engineering Co., Ltd., Wuhan 430071, China 2.College of Natural Resources and Environmental Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

Influential factors of ammonia nitrogen () and total nitrogen (TN) removal efficiency by the integrated vertical-horizontal flow wetlands mainly include hydraulic loading rate，dissolved oxygen，plant and season，etc.The research results showed that the removal efficiency of TN andby the constructed wetland under high，mid and low-loads hydraulic loading rate were 58. 28%，61. 71%，63. 94%，and 71. 71%，59. 74%，68. 37%，respectively.Removal efficiency ofand TN under well-oxygenated conditions were obviously improved from 40%-50% to 80% and 30% to 70%，respectively.Despite the 3%-4% higher removal ofand TN from the influent sewage in the system vegetated with plants，no significant differences in performance were observed between units with or without plants (P>0.05).removal efficiency in summer and autumn was significantly higher than spring and winter at different retention time (P<0.05) .TN removal efficiency in the wetland system was also remarkably different in different seasons (P<0.05) ，which reached the highest value in summer (86.62%) and the lowest value in spring (about 30%-40%) .The temperature and dissolved oxygen were the most important limiting factors forand TN removal in the integrated verticalhorizontal flow constructed wetland．

nitrogen；integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands；hydraulic loading rate; dissolved oxygen; plant; season

2016-06-28

國家自然科學基金項目(41271245)；廣東高校工程技術研究中心建設項目(2012gczxA1004)；廣東省水利科技創新項目(2015-15)；廣東省科技廳農業科技創新團隊項目(2012A020100003)

夏艷陽(1976—)女，工程師，碩士，主要從事環境工程設計工作，281667713@qq.com

*通信作者：崔理華(1962—)，男，教授，博士，研究方向為水污染處理工程，lihcui@scau.edu.cn

X703

1674-991X(2017)02-0175-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.026

夏艷陽，崔理華.復合垂直流-水平流人工濕地系統除氮效果的影響因素[J].環境工程技術學報,2017,7(2):175-180.

XIA Y Y, CUI L H.Influential factors of nitrogen removal efficiency by the integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):175-180.