微曝氣強化人工濕地處理生活污水試驗研究

翟俊 李岳

摘 要：傳統人工濕地的自然復氧速率較低，對N、P營養元素的去除效率普遍不高。設計開發了一種微曝氣系統，以期強化人工濕地對生活污水中C、N和P的去除。通過改變曝氣量（氣水比）以及在不同氣溫條件下檢測該人工濕地處理生活污水效果，詳細分析了經微曝氣系統強化后的人工濕地對COD、TP以及各氮素污染物在系統的沿程去除情況。結果表明，微曝氣系統能顯著增強濕地對生活污水的處理效果。隨著氣水比由0∶1升高至4∶1，該濕地系統對污水中的COD和TP的去除率分別從約80%和60%提高到約93%和79%，而在3∶1時TN的去除率達到最高水平75%。低溫對系統除碳脫氮影響較大，COD及TN去除率分別降低了約7%和8%。濕地污染物濃度沿程變化狀況顯示，污染物的去除過程主要發生在第2濕地系統。

關鍵詞：人工濕地;微曝氣;氣水比;生活污水;污水處理

中圖分類號：TU992.3;X703.1 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2020）06-0178-07

Abstract： The traditional constructed wetland is considered to have a low natural oxygen enrichment rate and low removal efficiency of N and P nutrients. Therefore， a micro-aerated constructed wetland was designed and developed to enhance the removal of C， N and P from domestic sewage in constructed wetlands. By changing the aeration amount （gas-water ratio） and detecting the effect of the constructed wetland on domestic sewage treatment under different temperature conditions， the COD， TP and various nitrogen pollutants along the system in the artificial wetland enhanced by the micro-aeration system were analyzed in detail. The results show that the micro-aeration system can significantly enhance the treatment effect of wetland on domestic sewage. With the gas-water ratio rising from 0：1 to 4：1， the COD and TP removal rate in the wetland increased from80% and 60% to 93%and 79%. TN removal rate decreased after reaching the top of 75% at gas-water ratio of 3：1 condition. The low temperature also shows a great impact on the removal of carbon and nitrogen. Compared with high temperature， the remove rate of COD and TN decreased by 7%and8% in the low temperature. The change of pollutantconcentration along the wetland shows that the removal process of pollutants mainly occurs in the second wetland system.

Keywords：constructed wetland; micro-aeration; gas-water ratio; domestic sewage; sewage treatment

人工濕地作為一種高效、低成本的污水處理技術而備受關注，其主要通過濕地內植物、基質以及微生物的復雜物理、化學和生物過程來達到污水凈化的效果[1-2]。研究表明，人工濕地對污水中的懸浮顆粒和有機物的去除率可達到80%以上[3-4]。

然而，由于傳統人工濕地主要通過植物以及自然復氧，氧氣傳輸速率極低，造成人工濕地對N、P營養元素的去除效率不高[5]，同時，占地面積也較大。研究表明，雖然目前垂直流人工濕地的氧氣傳輸速率（17～25 g/m2d[6]）與水平潛流濕地（氧氣傳輸速率1～8 g/m2d[7-8]）相比更高，但仍無法滿足濕地系統中碳氧化和硝化等微生物過程對氧氣的要求。Ye等[9]發現垂直流人工濕地對N等營養元素的去除率仍很低，僅30%～40%左右。研究表明，增設曝氣系統提高人工濕地污染物去除率是一種可行的方法。馬劍敏等[10]研究了曝氣對垂直流和水平潛流人工濕地對污染物去除的影響，發現曝氣顯著提高了COD、TN、NH和NH3—N的去除效率。Fan等[11]在間歇曝氣的條件下，發現潛流人工濕地可以高效去除污染物，其COD、NH3—N和TN去除率與未曝氣相比分別提高了12%、71%和52%。然而，目前該方面研究通常僅探討了曝氣人工濕地處理污水的效能，并未詳細考察污染物沿程的去除規律，且大部分研究將人工濕地作為污水處理廠的后處理或者在人工濕地系統前端外接預處理構筑物，而對實際高濃度生活污水的處理效果研究較少。

筆者在傳統垂直流人工濕地中增加微曝氣系統，研究了不同氣水比和溫度條件下人工濕地處理生活污水的效能及污染物沿程去除規律，以期為微曝氣人工濕地的相關研究和設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 生活污水來源及水質特征

污水來源為重慶大學學生宿舍污水，該污水未經化糞池，只經過沉淀池沉淀后直接通過水泵進入人工濕地處理系統，污水水質見表1。

1.2 試驗裝置

采用的曝氣系統為微量曝氣系統，曝氣量較傳統曝氣減少約50%。圖1為采用微曝氣復合人工濕地系統，主要包括調節池、垂直流濕地主體、曝氣系統、填料和植物。設立A、B兩組系統，每組微曝氣濕地由直徑為1.3 m、高為1.5 m的3個加厚型塑料水桶串連組成，其有效水深為1 m。以普通碎石作為基質填料，粒徑為1～2 cm，孔隙率為50%，每個塑料桶填充有1.1 m厚的礫石基質層。各桶均設取樣口（A1～A9、B1～B9），水管位于桶底呈“王”字型排布，通過控制相應閥門調整桶內流態為下進上出。僅在第2濕地系統添加曝氣裝置，曝氣采用穿孔曝氣管，距水面1 m呈“王”字型排布，管徑DN25，曝氣孔孔徑2～4 mm，孔間距1 cm，試驗裝置實物圖如圖2所示。A、B兩組系統濕地植物分別采用風車草（Cyperus alternifolius L.）和黃花鳶尾（Iris wilsonii C. H. Wright），風車草取自于白市驛清河污水處理廠，黃花鳶尾購于花卉市場。

1.3 裝置運行策略及水質分析方法

微曝氣人工濕地采用連續流進水，裝置水力停留時間4 d，進水流量21.08 L/h，曝氣方式為連續曝氣，不設置回流，每兩天于8：00—10：00取水樣進行分析測定DO、溫度、pH、COD、TN、氨氮、亞硝氮、硝氮以及TP。測定方法均參考《水和廢水監測分析方法》[12]。有機氮濃度由TN濃度與無機氮（氨氮、亞硝氮、硝氮）濃度相減所得。

2 結果與討論

2.1 氣水比對垂直流人工濕地去除污染物的影響

2.1.1 COD的去除

圖3為濕地系統出水COD濃度以及去除率隨曝氣量增加的變化情況。曝氣顯著增加了人工濕地對有機物的去除效果，隨著曝氣量的增加，A、B兩組COD去除率從未曝氣條件下的76.5%（A組）和79.1%（B組）穩步增加到92.7%（A組）和93.6%（B組）。此外，黃花鳶尾組與風車草組的COD去除效率在各氣水比條件下差異較小。一般來說，人工濕地對有機物的去除可通過基質過濾與截留、沉淀以及微生物降解等過程協同完成，但從動力學來看，微生物的降解速率遠大于其他物理效應，因此，有機物在好氧條件下去除的速率更快。

許多研究也發現了曝氣顯著增強了人工濕地去除有機污染物的能力。Dong等[13]研究發現了垂直流人工濕地在連續曝氣的條件下COD去除率較未曝氣提高了約15%。Fan等[11]研究了表面流人工濕地在間歇曝氣與不曝氣條件下污染物的去除狀況，與未曝氣相比間歇曝氣的策略使得濕地COD去除率提高了13%。

2.1.2 除磷

圖4為不同氣水比條件下系統TP的去除情況。與COD相似，黃花鳶尾組去除效率略優于風車草組，且TP去除率隨著曝氣量的增加而上升。在未曝氣的情況下濕地TP出水濃度高達2 mg/L左右（A、B兩組相應去除率為59.4%和61.6%），而隨著氣水比的升高，出水濃度逐漸降低，當氣水比升高到4∶1時，出水TP濃度降低至1.2 mg/L（A組）和1.1 mg/L（B組），此時去除率為78.1%（A組）和80.0%（B組）。由于曝氣直接增加了濕地的溶解氧濃度，曝氣使系統除磷能力提高，使得聚磷菌在好氧條件下過量吸收磷，此外，也有研究表明，溶解氧也能促進磷對底物的吸附和沉淀。Wang等[6]研究發現，與沒有曝氣相比，添加了曝氣系統的人工濕地對TP的去除率從3.5%提高到70%左右，且去除率在時間跨度上表現得更加穩定。

雖然曝氣可以增強系統對磷的去除，但對于連續流反應器來說，其各斷面TP濃度在水流方向逐漸減小，在濃度差異驅動下基質對磷的吸附會減弱。所以，這是傳統連續流反應器TP去除率無法進一步提高的根本原因。普遍來看，傳統連續流反應器對磷的去除效率維持在40%～80%之間[14]，主要隨著反應器進水TP濃度波動。雖然TP去除率（60%～80%）處于較高水平，但從出水TP來看，即使氣水比高達4∶1，其TP出水濃度（>1.0 mg/L）仍未達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準（1.0 mg/L）。

2.1.3 脫氮

污水處理系統氮元素的去除主要包括微生物的氨化、硝化和反硝化及厭氧氨氧化和植物的吸收作用[14]。由于研究的規模較小且植物數量有限，因此，植物的吸收作用可以忽略。另外，由于曝氣系統的存在，厭氧氨氧化細菌很難存活，研究中的濕地系統氮元素的去除主要以微生物的氨化、硝化和反硝化作用為主。

如圖5所示，在系統未曝氣時，由于各反應器均處于缺氧狀態（DO<0.5 mg/L），而缺少好氧/缺氧交替狀態，體系硝化和反硝化效率偏低，此時人工濕地的TN去除率較低僅為46.1%（A組）和52.1%（B組）。隨著曝氣量的增加，系統TN的去除率顯著提升，且在氣水比為3∶1時達到最高，TN去除率分別為75.0%（A組）和75.3%（B組）。再繼續增大曝氣量，TN去除率呈現下降趨勢。

曝氣能顯著影響依賴好氧的硝化作用，隨著氣水比的升高，人工濕地出水氨氮濃度持續下降，當氣水比為3∶1時，出水氨氮僅為1.85 mg/L（A組）和1.32 mg/L（B組），而在未曝氣時出水氨氮高達35.5 mg/L（A組）和29.2 mg/L（B組）。Ouellet-Planmondon等[15]研究發現，在對水平潛流人工濕地曝氣后，曝氣口處的可溶性氨氮較對照組（未曝氣）少，濕地末端硝氮含量與對照組沒有顯著差異。這說明人工濕地在曝氣的情況下通過提高硝化反應提升了系統的TN去除效率。

與Ouellet-Planmondon等的研究不同的是，筆者發現，過量的溶解氧會嚴重影響人工濕地后部反硝化過程的進行。由圖5可見，隨著曝氣量的增加，反應器出水硝態氮以及亞硝態氮發生累積。未曝氣時出水亞硝氮和硝氮濃度占總氮濃度的1%左右，氣水比達4∶1時高達70%。傳統污水生物處理中的氮素去除依賴厭氧條件下的反硝化過程。監測體系內部溶解氧顯示，當氣水比為4∶1時，第3濕地下部進水DO高達2.0 mg/L，嚴重破壞了其厭氧環境，從而抑制微生物反硝化的過程進行使得出水亞硝氮和硝氮的累積。

因此，合適的氣水比是微曝氣人工濕地保持高效率去除氮素污染物的基礎，過低無法達到去除預期，而過高會影響系統的反硝化效率，筆者以氣水比3∶1作為最優條件進行后續試驗。

2.2 溫度對垂直流人工濕地去除污染物的影響

前述研究表明，當氣水比為3∶1時，濕地對污染物的去除效率最高。選取最佳氣水比3∶1作后續研究條件。由于季節溫度變化對人工濕地系統對污染物的凈化影響較明顯，監測比較了該人工濕地在6月（溫度22～25 ℃）和12月（溫度9～11 ℃）兩月的運行情況，其結果如圖6所示。

由圖6可以看出，溫度對系統去除污染物效率影響較顯著，尤其以脫氮除碳較為明顯。與高溫時候相比，低溫出水COD和TN濃度分別升高了15 mg/L（A組COD）、23 mg/L（B組COD）和3.84 mg/L（A組TN）、5.54 mg/L（B組TN），相應去除率下降了6.37%（A組COD）、9.99%（B組COD）和6.20%（A組TN）、8.99%（B組TN），雖然低溫TP出水濃度較高溫升高了4.9 mg/L（A組）、4.5 mg/L（B組）但其去除率僅降低了1.75%（A組）和1.94%（B組），表明溫度對TP影響較小。溫度影響微生物的生長速率，進而對污染物去除率產生影響。從低溫和高溫的出水氨氮濃度的差異以及硝氮濃度的相近可以看出，溫度對總氮的去除主要影響硝化過程。對于不同植物來說，風車草組對溫度的影響沒有黃花鳶尾組明顯，其對低溫的適應能力更強一些，因此，部分低溫地區的人工濕地可以多種植風車草。

2.3 最佳工況條件下微曝氣垂直流人工濕地污染物沿程去除規律

為了探究最佳氣水比條件下污染物的沿程去除規律，在最佳氣水比（3∶1）的條件下監測了該濕地沿程的各污染物濃度。

圖7（a）為濕地在最佳氣水比下的沿程COD濃度變化。A1/B1至A3/B3取樣點為第1濕地，A4/B4至A6/B6取樣點為第2濕地，A7/B7至A9/B9取樣點為第3濕地。由圖可知，COD濃度沿程逐漸降低，COD濃度在第1與第2濕地的降解速率較快，6號取樣點COD去除率已達到73.2%（A組）和79.6%（B組），占總COD去除的80%以上，而第3濕地對總COD去除僅貢獻了20%。焦義利等[16]比較了垂直流人工濕地采取起端曝氣和不曝氣的情況下對COD的去除情況，發現COD的去除集中發生在安置有曝氣器的底部，且與未曝氣相比，COD在反應器底部的去除率提升了17%。值得注意的是，試驗中曝氣系統安裝于第2濕地，經測量DO處于1.5～3 mg/L之間，而第1濕地DO小于0.5 mg/L，處于缺氧狀態，因此，有機污染物在第1濕地的去除主要以基質的攔截作用為主。而第2濕地由于曝氣作用，溶解氧大于1.2 mg/L，此時，有機物在好氧細菌的作用下被快速分解。而當污水進入第3濕地時COD濃度已較低，去除效率不高。

濕地在最佳氣水比條件下的TP沿程去除情況如圖7（b）所示。可以看出，TP沿程濃度逐漸降低，且在第2濕地處下降最為明顯，約40%～45%的TP均在第2濕地去除，而第1、3濕地對TP的去除作用較小。污水處理系統中磷元素的去除主要通過聚磷菌、植物和基質的吸收和吸附。Wang等[6]研究發現，TP去除速率隨著水流方向呈現降低的趨勢，其在曝氣口附近TP的去除較其他部分效率高。由此可以看出，TP主要通過聚磷菌在第2濕地的好氧條件下過量吸磷而得到去除的，第1、3濕地由于缺乏溶解氧，TP主要通過植物和基質去除，去除效果較微生物作用低，僅占總體TP去除的20%左右。

濕地氮元素的沿程分布及去除情況如圖8所示。氮素去除過程較復雜，整體來看，TN濃度沿程逐漸降低。第1濕地中TN去除主要以基質吸附，植物吸收等作用為主，因此，TN去除效率較低，僅占總體的10%～14%，其隨濕地植物不同而波動。第2濕地是持續曝氣狀態，池體DO處于1.5～3 mg/L之間，氨氮去除、硝氮累積明顯，表明其中硝化反應占據主導地位。一般來說，DO會抑制反硝化細菌的生長，從而表現出較低的TN去除率，但在處于好氧條件下的第2濕地觀察到了較高的TN去除率，其TN去除占總體去除的75%～83%，具體隨植物不同而不同。有研究也發現了曝氣提高了TN去除率[17-18]，使得系統TN明顯減少。蒲帥等[17]研究發現，當曝氣系統位于下層時，TN去除率比其位于中層和上層時的高。錢涌[18]發現，垂直流曝氣人工濕地TN去除在底部20 cm處就已去除完畢。試驗中的曝氣系統就是位于下層，因此，推測可能在系統中發生了好氧反硝化過程。此外，由于人工濕地基質以及植物的存在，池體內部流態較為復雜，造成DO分布不均，可能出現部分缺氧區域發生反硝化反應，造成了TN的減少。第3濕地出水硝氮略有減少，雖然有反硝化過程，但由于COD和TN濃度僅42.0 mg/L（A組COD）、31.0 mg/L（B組COD）和14.9 mg/L（A組TN）、16.9 mg/L（B組TN），系統處于碳源缺乏狀態，導致反硝化效率偏低，其TN去除僅占總去除率的約7%～12%，隨濕地植物不同而波動。

3 結論

設計的微曝氣系統能夠有效提高人工濕地內的C、N和P的去除效果。合理的氣水比是系統保持高效率去除污染物的基礎，過度的曝氣影響系統的反硝化過程，造成TN去除率的下降。在氣水比為3∶1的優化條件下，濕地系統對COD、TN和TP的去除率分別為90.1%（A組）和91.0%（B組）、75.0%（A組）和75.3%（B組）、77.5%（A組）和80.3%（B組）。種植黃花鳶尾的濕地組在各氣水比的條件下的污染物去除率均略優于風車草組。低溫對COD和TN的去除率影響顯著，而對TP的去除率影響相對較小。該人工濕地系統中COD、TP和TN的沿程去除特性具有相似規律，即在增設微曝氣裝置的第2濕地去除率最高。參考文獻：

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（編輯 胡玲）