冬季低溫條件下潛流人工濕地強化脫氮技術研究

文_陳鳴 黃娟 朱小曼 周楊

1.南京市生態環境保護科學研究院 2.東南大學土木工程學院市政工程系

人工濕地除污效果受季節溫度的影響較大，溫度低于15℃時污染物去除率低于高溫季節，特別是含氮污染物去除效果更差。近年來國內外學者開始關注人工濕地在冬季低溫條件下的運行效果。Healy等認為潛流人工濕地在低溫域設計時是首選。Iamchaturapatr等提出結合人工濕地的植物面積和質量來選擇高效的耐寒植物。Solano等認為，低溫條件下適當降低水力負荷一定程度上可以改善除污效果。

試驗采取了一系列針對性的改善冬季低溫條件下人工濕地運行效果的技術措施，并進行了研究對比。

1 試驗設計

試驗選擇水平潛流人工濕地，沸石填料進行填充，種植植物為蘆葦，連續進水。試驗人工濕地裝置尺寸為2.5m×0.8m×0.9m，濕地底面坡度為1%，分為布水區、反應區和集水區。濕地一端進水，布水區、集水區采用穿孔板，使得進出水更加均勻，連續進水。試驗潛流人工濕地裝置見圖1。

潛流人工濕地試驗進水水質見表1。

表1 潛流人工濕地進水水質

2 實驗過程

本次研究分別采取多點進水，局部曝氣和預曝氣三種手段，分別考察低溫條件下對人工濕地脫氮效果的改善情況。

2.1 多點布水

冬季收割植物地上莖葉后，進行表面覆膜。本研究再濕地沿程布設多個進水點，采用多點布水方式強化脫氮效果。

將潛流人工濕地反應區分為三段，進水流量配置上分別以 1：1：1、2：1：1、1：2：1、1：1：2 的配水比進水，考察平均溫度為2～12℃、進水平均氧濃度為0.9mg/L時，濕地中各類污染物的去除率，并與普通的一端進水進行比較分析，結果如圖2所示。

從圖2 可以看出，綜合COD、TN、NH4+-N和TP去除效果，最佳布水比為1：2：1。多點布水可以為潛流人工濕地后段適當補充碳源，但是硝化反應過程中，溶解氧才是限速因子。因此，多點布水雖然可以補充人工濕地的部分碳源，但冬季潛流人工濕地溶解氧整體處于一個較低的水平，從而導致潛流人工濕地脫氮效果的改善并不明顯。

2.2 局部曝氣

分別在潛流人工濕地中層前段、中段和末段處連續曝氣，氣水比4：1，不同曝氣位置NH4+-N和TN去除率隨運行時間的變化規律見圖3、圖4。

由圖3可以看出，在濕地前段、中段和后段處曝氣，濕地NH4+-N去除率均有不同程度的提升。初期整體差異較小，但是隨著濕地的持續運行，前段曝氣的NH4+-N去除率明顯快速提升，去除效果最好，其次為中段曝氣，末段曝氣去除效果最差。分析其原因，潛流人工濕地前段氧消耗量較大，而前段曝氣能夠改善濕地前段溶解氧狀況，有利于提高硝化菌活性，從而有利于促進硝化反應的進行。

由圖4可以看出，與末段曝氣相比，前段和中段曝氣均能提高潛流人工濕地TN的去除效果。前段曝氣濕地脫氮效果提升最為顯著，隨著濕地的持續運行，脫氮效果穩定升高。中段曝氣TN去除率提升相對較少，后段曝氣TN去除率無明顯升高。

2.3 預曝氣

采用兩組人工濕地進行對比，相同生活污水進水，其中一組不曝氣，另一組曝氣，氣水比為4：1，試驗期間溫度為3～12℃。預曝氣、非曝氣濕地NH4+-N、TN去除率隨濕地運行時間的變化規律結果如圖5、圖6所示。

圖5可以看出，預曝氣潛流人工濕地NH4+-N去除率有明顯提升，提升幅度為4.16%。分析認為在低溫條件下，潛流人工濕地氧含量較低，遠不能滿足硝化反應的需求，因此非曝氣潛流人工濕地NH4+-N去除率偏低，而預曝氣潛流人工濕地溶解氧環境得到有效改善，故能夠提高NH4+-N去除率。

圖6可以看出，曝氣潛流濕地對TN的去除率有明顯提升，提升幅度為3.94%。預曝氣改善潛流人工濕地內部氧環境，促進硝化反應的進行，從而產生較多的硝態氮，濕地后段反硝化速率迅速提升，因此濕地TN去除率得到有效提升。

3 結語

（1）從脫氮方面考慮，潛流人工濕地采用多點布水，可有效改善濕地溶解氧分布，TN去除率提高約3%～5%，但不利于濕地除磷。

（2）低溫條件下，前段曝氣對潛流人工濕地脫氮效果改善最為明顯，能有效改善系統溶解氧環境，可使TN去除率提高15%左右。

（3）低溫條件下，進水采用預曝氣處理后，潛流人工濕地溶解氧濃度得到有效提升，促使濕地內部硝化、反硝化反應效率提高，因此濕地NH4+-N和TN去除效果明顯提升。