曝氣強化垂直流人工濕地對厭氧發酵液的處理效果研究

董翠苓

（海東市平安區農業農村和科技局，青海 海東 810699）

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，人們的飲食結構發生了變化。自1991 年至今，我國肉類產量和禽蛋總產量穩居世界第一。2011 年，我國畜牧養殖業總產值占農業總產值的34%左右［1］，在畜牧業發展地區，畜牧業收入可占當地農民收入的40%左右，因此，畜牧業已逐步成為當地農業經濟發展的支柱產業之一［2］。有資料表明，1988 年我國畜禽糞便產量為18.8 億 t，是當年工業固體廢棄物總量的 3.4 倍［3］。2003 年，我國畜禽糞便產生量約為31.9 億t，遠超過當年工業固體廢棄物10.0 億t 的總量，畜禽糞便中的總氮量達 1 394.6 萬 t，總磷量為 378.5 萬 t［4］。2011—2020 年，我國主要畜牧出欄量如表1 所示。結合表1 數據和1988 年、2003 年我國畜禽糞便產量可以看出，近年來我國畜禽糞便產量較高。

表1 2011—2020 年我國主要畜牧出欄量 萬頭（只）

隨著畜禽排泄物對環境的影響日益嚴重，國內外專家對此做了許多研究。其中，人工濕地污水處理技術作為一項生態污水處理技術得到了廣泛應用。傳統人工濕地去除氨、氮等物質受到極大的限制，尤為突出的是溶氧量使整體總氮脫除效率受到影響。因此，提高人工濕地床富氧能力，改善濕地氧化去除氨氮的環境，對提高濕地氧化去除氨氮效果及速率尤為重要。

筆者采用人工曝氣強化的垂直流人工濕地解決濕地內氧環境差的問題，探討在不同曝氣條件和人工濕地不同的進水污染物負荷濃度下，對豬糞厭氧發酵液的處理效果，分析厭氧發酵液中污染物在不同曝氣條件下的遷移變化規律，為曝氣強化垂直流人工濕地的設計與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置的設計

本研究所利用的濕地系統包括中部曝氣垂直流人工濕地與底部曝氣垂直流人工濕地，整套系統由垂直流人工濕地床區、進水桶、出水桶、蠕動泵、電動氣泵和時間控制器等組成。2 套試驗裝置均采用有機玻璃柱體制成，內徑與總高度分別為9、150 cm。進水口位于系統底部，距離地面3 cm，排水口距離地面145 cm。這樣的安排使原液在內部停留時間延長，減少重力影響，試驗效果更佳。人工濕地床體底部均設有5 cm 厚的卵石層，以避免進水口堵塞，柱體部分采用直徑3 ～5 mm 的石英砂作為填充基質。輸氣管由濕地系統頂部通入濕地床體中部或底部，并連接止逆閥以防止濕地內水體倒流。利用蠕動泵定時將污水桶中豬糞厭氧發酵液灌入濕地床。

1.2 濕地光照

研究采用自然光源。濕地被設置在溫度為15 ～35 ℃的實驗室內。為了抑制濕地內壁藻類的生長，在濕地外壁包裹1 層黑色遮光膜。

1.3 試驗水質

厭氧發酵液取自北京市順義區東華山村沼氣站，在實驗室儲存于4 ℃條件下，并測定其初始各污染物的濃度，以備試驗。

系統先通入比試驗設計進水水質濃度低的人工配制污水，進行濕地植物培養和系統掛膜，歷時30 d。之后通入試驗設計進水水質，進行系統微生物馴化培養，歷時10 d。進水、回流及排水均采用蠕動泵進行控制，調節不同的進水量，控制水力負荷。

試驗期間，先將豬糞發酵液用0.85 mm 篩子過濾，再按照試驗設計將原沼液稀釋10 倍，并通入試驗裝置。平均每隔2 d 取進水、出水及裝置中部水各100 mL，儲存于聚乙烯瓶內。同時，立即對水樣進行pH 值、溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）測定，記錄在運行表中；即時測試水樣中的氨態氮（NH4+-N）、亞硝態氮（NO2--N）、正磷酸鹽（PO43--P）、化學需氧量（COD）指標質量濃度；剩余水樣保存在冰柜冷藏室中（4 ℃），以抑制微生物活性，收集后每月測試硝態氮（NO3--N）的質量濃度，每個指標2 組重復。

裝置運行48 d 后，將原沼液過濾，稀釋5 倍通入裝置，進行B 階段試驗53 d，測定指標、測定方式、取樣時間等，都與前面試驗相同。

2 結果與分析

2.1 pH 值、DO、ORP 的變化

2.1.1 pH 值變化分析。pH 值是濕地系統的一個重要常規參數，影響濕地系統中各種物理化學反應及植物生長、微生物活動。例如，硝化細菌適宜的pH 值大于 7.2［5］。在進液稀釋 10 倍濃度、底部曝氣的條件下，pH 值沒有超出6.5 ～8.5 的正常范圍；同樣濃度中部曝氣的情況下，超出正常pH 值范圍的值總計有2 個，且偏差約為0.099。而在進液稀釋5 倍濃度的條件下，中部曝氣pH 值沒有超出正常范圍；而底部曝氣則有2 個非正常范圍值，且偏差為0.064。因此，進液選擇稀釋5 倍，底部曝氣，有利于硝化細菌進行硝化作用和反硝化作用，有利于濕地環境穩定。

2.1.2 DO 變化分析。根據亨特定律，氧在1.01×105Pa、25 ℃飽和水中的溶解度為 8.32 mg/L［6］。溶氧量越高，人工濕地降解有機物和硝化能力越強，同時去除氨氮能力越強。在進液稀釋10 倍、底部曝氣的條件下，平均溶氧量達到（4.7±0.9）mg/L，最大溶氧量達6.1 mg/L；相同倍數稀釋濃度下，選擇中部曝氣，平均溶氧量為（4.1±0.8）mg/L，最高溶氧量為5.7 mg/L。進液稀釋5 倍濃度時，底部曝氣最高溶氧量為 6.9 mg/L，平均溶氧量為（5.3±0.9）mg/L；而中部曝氣最高溶氧量為6.7 mg/L，平均溶氧量為（3.4±1.4）mg/L。因此，從溶氧量分析，進液稀釋5 倍，選擇底部曝氣，更有利于濕地對于氧的溶解，更有利于硝化作用的發生，除污效果更好。

2.1.3 ORP 變化分析。氧化還原電位越高，溶液氧化性越強，濕地硝化能力越大，去污效果越好。從不同稀釋倍數來看，稀釋5 倍時，底部曝氣平均氧化還原電位為（160.9±10.2）mV/L，和中部曝氣的氧化還原電位（169.4±13.0）mV/L 變化都較小，而且都接近于進水的氧化還原電位（156.2±15.1）mV/L，但比起稀釋10倍時的氧化還原電位要高一些。從不同曝氣位置來看，不管在哪個稀釋倍數下，中部曝氣的氧化還原電位總高于底部曝氣和進水的氧化還原電位。從氧化還原電位來看，進液稀釋5 倍、中部曝氣效果較好，但是底部曝氣也沒有太大影響。

2.2 脫氮效果分析

2.2.1 氨態氮去除效果。在進液稀釋10 倍濃度下，底部曝氣裝置中，出水的氨氮去除率最高達99.8%，平均去除率為99.7%±0.1%；而中部曝氣的出水氨態氮去除率最高達97.3%，平均去除率為95.6%±1.6%。在進液稀釋5 倍濃度下，底部曝氣的氨態氮平均去除率為85.4%±12.1%，最高去除率為99.8% ；而中部曝氣的氨態氮平均去除率為82.0%±16.7%，最高去除率為99.1%。所以，從氨態氮去除效果來看，進液稀釋10 倍，選擇底部曝氣，效果較佳、較穩定。

2.2.2 亞硝態氮和硝態氮去除效果。進液稀釋10 倍時，2 種曝氣方式下亞硝態氮的含量沒有明顯變化且接近進液中硝態氮含量。進液稀釋5 倍、底部曝氣時，亞硝態氮的含量有2 次明顯的上升和回落變化，最高值達到36.7 mg/L，但最終含量接近于進液中硝態氮含量；進液稀釋5 倍、中部曝氣時，亞硝態氮含量上升緩慢，然而94 d 左右后又急速上升，最高達21.0 mg/L，最后在100 d 左右回落至進水中硝態氮含量。硝態氮的含量總體均在進液硝態氮含量之上。進液稀釋10 倍時，2 種曝氣方式下，硝態氮的含量總體呈下降趨勢，而底部曝氣時硝態氮平均含量為（53.0±9.8）mg/L，中部曝氣硝態氮平均含量為（56.0±14.8）mg/L，高于底部曝氣；進液稀釋5 倍時，2 種曝氣方式下，雖然硝態氮的含量變化均有較大波動，但是總體都呈上升趨勢，底部曝氣時硝態氮平均含量為（106.7±32.0）mg/L，中部曝氣時硝態氮的平均含量為（112.8±44.9）mg/L，也高于底部曝氣。在進液稀釋10 倍濃度下，底部曝氣時出水的總氮去除率最高達73.4%，平均去除率為60.1%±6.8%；中部曝氣時出水的總氮去除率最高為69.5%，平均去除率為53.8%±9.8%。在進液稀釋5 倍濃度下，底部曝氣時出水的總氮最高去除率為60.3%，平均去除率為41.6%±9.0%；中部曝氣時出水的總氮去除率最高為62.7%，平均去除率為40.1%±15.0%。整體分析，進液稀釋10 倍、底部曝氣時，總氮去除率最高、最穩定，此時濕地除氮效果較佳。

2.3 除磷效果分析

濕地中的植物對于污水中的磷有吸收作用，通過植物的吸收和積累，再通過對植物的收割將磷去除，但其去除比例只有6%左右［7］；濕地中的聚磷菌在好氧條件下可以過量吸收污水中的磷，使出水含磷量降低。但是，大部分磷通過與基質中的鈣、鐵和鋁等發生物理化學反應形成沉淀，進而被吸附和沉淀下來。因此，濕地的除磷能力與基質的選擇有很大的關系。在進液稀釋10 倍、底部曝氣的條件下，人工濕地對于磷的去除率最高為54.4%，平均去除率為35.1%±14.7%；而同樣稀釋濃度下，中部曝氣對磷的最高去除率為50.4%，平均去除率為33.1%±13.6%。在進液稀釋5 倍、底部曝氣的條件下，人工濕地對于磷的去除率最高為47.7%，平均去除率為34.2%±8.8%；而同樣稀釋濃度下，中部曝氣對磷的最高去除率為32.2%，平均去除率為10.4%±10.3%。所以總體來看，濕地在進液稀釋10 倍、底部曝氣的情況下，除磷效果較好、較穩定。

2.4 COD 去除效果分析

在進液稀釋10 倍濃度下，底部曝氣時的有機物平均去除率為80.0%±9.3%，中部曝氣的平均去除率為69.7%±5.6%；在進液稀釋5 倍濃度時，底部曝氣下有機物的平均去除率為81.3%±15.6%；中部曝氣有機物的平均去除率為68.2%±17.7%。因此，垂直流人工濕地選擇進液稀釋5 倍、底部曝氣更有利于去除有機物。

3 結論與討論

開展試驗的總體目標是提高人工濕地的除污能力。從測定的出水指標來看，氮、磷、COD 含量越低，表示人工濕地的除污效果越好。因為COD 指標是測定有機污染物處理效果的指標，COD 含量越高，說明出水中有機污染物含量越高，表示濕地對有機污染物的處理效果越差。從試驗結果來看，其他條件不變，只改變通入沼液的稀釋倍數時，通入稀釋10 倍沼液時的總氮、磷及有機物的去除率較通入5 倍稀釋沼液時的去除率高，且去除效果較穩定，反應環境變化較小、較穩定。如果只改變曝氣位置，其他條件不發生變化，底部曝氣時各項污染物的去除率均高于中部曝氣，效果相對較穩定，硝化作用和反硝化作用也相對較穩定。