緩釋碳源強(qiáng)化人工濕地脫氮效果研究

奚道國，張瑞斌，陳凡

（1.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司，南京 210014；2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術(shù)研究中心，南京 210014；3.南京市生態(tài)河道工程技術(shù)研究中心，南京 210014）

人工濕地作為典型的生態(tài)凈化技術(shù)，在河道凈化、生活污水處理、海綿城市建設(shè)等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，通過植物吸收、基質(zhì)吸附以及微生物消化三者的共同作用，用于各類水體的脫氮除磷處理[1]。其中微生物的硝化反硝化是人工濕地脫氮處理的主要方式，該方式的脫氮量占人工濕地總脫氮量的一半以上。用于人工濕地深度處理的污水往往具備一個(gè)共同特點(diǎn)，即C/N值低，碳源不足限制了人工濕地的脫氮效果，當(dāng)前工藝中采用外加碳源的方式提高人工濕地的C/N 值，進(jìn)而提升人工濕地的脫氮效果[2]。較為環(huán)保的碳源多采用天然纖維素，如稻殼和玉米芯等，其直接作為外加碳源使用具有良好的脫氮效果且價(jià)格低廉易獲取，但在實(shí)際應(yīng)用中存在釋放速率不穩(wěn)定，易產(chǎn)生二次污染等問題。為解決上述問題，可對天然碳源進(jìn)行二次開發(fā)形成緩釋碳源，并通過應(yīng)用緩釋碳源強(qiáng)化人工濕地脫氮效果。

1 緩釋碳源的制備及投加方式

1.1 緩釋碳源的制備

緩釋碳源以天然玉米芯為主要原料，浸沒在1%—2%體積濃度的堿性雙氧水中，在90℃—100℃恒溫中經(jīng)水浴2—3h 改性制作而成。制備的改性玉米芯結(jié)構(gòu)松散、表面積增大且具有多孔性，粒徑為8—12mm，密度為0.3—0.6g/cm3。緩釋碳源纖維素之間晶格結(jié)構(gòu)被破壞，形成多孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對酶的親和力，碳源可穩(wěn)定長效釋放，而且原料來源于農(nóng)場廢棄物，有利于解決農(nóng)業(yè)廢棄物的問題，減少資源浪費(fèi)。

1.2 碳源投加方式

如圖1 所示，在單獨(dú)池體結(jié)構(gòu)中投加緩釋碳源，可保證碳源投加的可控制性以及污水中碳源的均勻性，具體投加方式如下：

圖1 調(diào)節(jié)池緩釋碳源投加示意

（1）應(yīng)以進(jìn)水水質(zhì)中實(shí)際碳氮比為依據(jù)投加碳源，以C/N 值<5 ∶ 1 為準(zhǔn)；

（2）緩釋碳源密度較低，不可分散投加，應(yīng)投加在分布均勻的專用投加料斗中；

（3）調(diào)節(jié)池運(yùn)行溫度不低于5℃，pH 值為6.8—8.0，水力停留時(shí)間根據(jù)調(diào)節(jié)池的規(guī)模及碳源投加量確定。

2 人工濕地脫氮效果

2.1 調(diào)節(jié)池構(gòu)造

調(diào)節(jié)池設(shè)置于人工濕地進(jìn)水前，接收經(jīng)預(yù)處理后的雨水、農(nóng)村生活污水以及污水處理廠二級處理后的生化尾水等。在南京市江寧區(qū)窯上村人工濕地開展試驗(yàn)，在現(xiàn)有垂直流+水平潛流人工濕地前設(shè)置緩釋碳源調(diào)節(jié)池，補(bǔ)充人工濕地污水處理所需碳源。調(diào)節(jié)池設(shè)置參數(shù)為：調(diào)節(jié)池長5m、寬3m、深2m，在池體中部設(shè)有3 個(gè)可移動的緩釋碳源加料斗，中部設(shè)有檢查梯，頂部設(shè)有溢流口，單側(cè)進(jìn)水、單側(cè)出水，出水口設(shè)有閥門控制進(jìn)入濕地的水量，并且可調(diào)節(jié)污水在調(diào)節(jié)池中的水力停留時(shí)間。

2.2 人工濕地構(gòu)造

江寧區(qū)窯上村人工濕地采用A/O+垂直流濕地+水平潛流濕地設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)模為30t/d，調(diào)節(jié)池設(shè)置于A/O 處理工藝之后。其中垂直流人工濕地的表面水力負(fù)荷為0.65—0.82m3/（m2·d）。垂直流人工濕地墊層中填料的粒徑為30—40mm，鋪設(shè)高度為20cm；吸附層中填料的粒徑為15—20mm，鋪設(shè)高度為30cm；種植層中填料的粒徑為5—10mm，鋪設(shè)高度為15cm，最上層覆蓋10cm 種植土。垂直流人工濕地孔隙率為0.35—0.42，長寬比為5 ∶ 2，污水在垂直流人工濕地中的水力停留時(shí)間為18h。濕地植物選用菖蒲、茭白，種植密度為20 株/m2。垂直流人工濕地見圖2。

圖2 垂直流人工濕地

水平潛流濕地的水力表面負(fù)荷為0.32—0.44m3/（m2·d）。碎石填料墊層中填料的粒徑為25—30mm，鋪設(shè)高度為10cm；吸附層中填料的粒徑為10—15mm，鋪設(shè)高度為25cm；種植層中填料的粒徑為5—8mm，鋪設(shè)高度為15cm，最上層覆蓋10cm 種植土。水平潛流人工濕地孔隙率為0.45—0.55，長寬比為3 ∶ 1，污水在水平潛流濕地表面的水力停留時(shí)間為24h。濕地植物為香蒲、水蔥，種植密度為35 株/m2。水平潛流人工濕地見圖3。

圖3 水平潛流人工濕地

2.3 試驗(yàn)設(shè)置

為探究緩釋碳源強(qiáng)化人工濕地脫氮的效果，通過控制調(diào)節(jié)池中污水的水力停留時(shí)間，設(shè)置3 組緩釋碳源投加條件，分別測定人工濕地對氮的脫除效果。其中，調(diào)節(jié)池中污水的水力停留時(shí)間分別設(shè)置為2h、4h和6h，緩釋碳源投加量為0.1—0.2kg/m3，更換周期為1 個(gè)月。在上述三種條件下，分別測定調(diào)節(jié)池、垂直流和水平潛流人工濕地出水中的COD 和氨氮濃度，并對測定結(jié)果進(jìn)行分析。

2.4 應(yīng)用效果

調(diào)節(jié)池、垂直流濕地和水平潛流人工濕地的出水COD 和氨氮濃度變化情況如圖4 所示。由圖4 可以看出，增加水力停留時(shí)間，調(diào)節(jié)池中COD 濃度上升，調(diào)節(jié)池中氨氮濃度無明顯變化；調(diào)節(jié)池水力停留時(shí)間為2—6h 時(shí)，垂直流人工濕地氨氮削減率分別為39.12%、42.58%和47.97%，水平潛流人工濕地氨氮削減率分別為26.64%、30.25%和25.63%，整個(gè)濕地系統(tǒng)氨氮削減率分別為65.76%、72.83%和73.59%。

圖4 不同水力停留時(shí)間下COD 和氨氮濃度變化情況

從對整個(gè)系統(tǒng)的分析可以看出，增加污水在調(diào)節(jié)池中的水力停留時(shí)間可以提高緩釋碳源的釋放時(shí)間，污水中COD 濃度增加，從而提高了碳氮比，增加了污水的可生化性。緩釋碳源釋放速率隨著水力停留時(shí)間的增加而降低，當(dāng)水力停留時(shí)間為4h 左右時(shí)，緩釋碳源釋放速率達(dá)到最大值。當(dāng)水力停留時(shí)間為6h 時(shí)，調(diào)節(jié)池污水中的COD 濃度雖高于水力停留時(shí)間為4h時(shí)的COD 濃度，但二者最終的氨氮去除效率并無明顯區(qū)別。該結(jié)果與碳氮比對微生物生長影響的研究結(jié)果一致，即碳氮比較低時(shí)，微生物繁殖緩慢，對氮的消耗速率較低；碳氨比過高時(shí)，容易形成較低的pH 值，同樣不利于污染物的去除[3]。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，雖然水力停留時(shí)間6h 略優(yōu)于水力停留時(shí)間4h，但是停留時(shí)間的延長會導(dǎo)致調(diào)節(jié)池體積增加或者人工濕地處理規(guī)模降低，從而導(dǎo)致人工濕地處理成本增加，因此較短的水力停留時(shí)間以及較好的緩釋碳源釋放效果是強(qiáng)化人工濕地脫氮效果的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

本研究針對緩釋碳源強(qiáng)化人工濕地脫氮效果展開，以自主研發(fā)的改性玉米芯緩釋碳源作為研究對象，通過調(diào)節(jié)緩釋碳源調(diào)節(jié)池中的水力停留時(shí)間分析緩釋碳源的增加對垂直流+水平潛流人工濕地脫氮效果影響。結(jié)果表明，當(dāng)緩釋碳源調(diào)節(jié)池水力停留時(shí)間為4h時(shí)，人工濕地中氨氮去除率可達(dá)72.83%，而且人工濕地的經(jīng)濟(jì)性以及處理能力均可達(dá)到較高水平。