人工濕地處理低污染水中硝氮的影響因素研究

代碧瑩，張丹，高俊，蘭書煥，李旭東，謝翼飛，王臣

(1.中國科學院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.四川省環境微生物重點實驗室，四川 成都 610041；3.中國科學院大學，北京 100049)

氮素的大量排放，是誘導水體富營養化的主要原因之一[1]。根據氮形態學分析[2-3]，低污染水體中硝氮含量至少占無機氮總量的43.8%以上。因此，硝氮的去除也就成為了控制低污染水體中氮素的瓶頸。人工濕地處理技術具有成本低、處理效率高等優點，在低污染水處理中得到廣泛關注[4-6]。但大多數研究者僅注重單一溫度下人工濕地運行參數的優化及效果的考察[7-8]，而針對不同溫度下最佳運行參數的研究還比較少。因此，本文以污水處理廠尾水為研究對象，構建水平潛流人工濕地，研究其脫氮性能，獲得人工濕地在常溫、低溫下最佳脫氮運行參數，為后期工程應用提供參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗設計

本實驗選用水平潛流人工濕地(圖1)，人工濕地的長、寬、高分別為2 300,600,1 000 mm，其中布水區和集水區的長、寬、高均分別為600,400,1 000 mm，填料區長、寬、高分別為1 500,600,1 000 mm，填料區基質從下往上依次是390 mm厚的火山石層、250 mm厚的鵝卵石層、50 mm厚的粗砂層、150 mm厚的種植土層，運行水深650 mm。種植層上種植可以凈化水質的蘆葦和菖蒲，其中蘆葦每平方米人工濕地種植13株、菖蒲每平方米人工濕地種植20株。

1.2 實驗方法

本實驗選擇四川省成都市某城鎮污水處理廠二沉池出水作為處理對象，該污水處理廠執行《岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)，其出水要求化學需氧量(CODCr)濃度<30 mg/L，氨氮濃度<1.5 mg/L，總氮濃度<10 mg/L。經實際檢測，該二沉池實驗期間出水CODCr濃度為13.72 mg/L，氨氮平均濃度為0.71 mg/L，硝氮平均濃度為6.67 mg/L，總氮平均濃度為7.72 mg/L，碳氮比為1.78。硝氮濃度檢測采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)。

1.2.1 不同CODCr添加量對硝氮去除效果的影響 采用1.1節中所述實驗裝置，在水力負荷為0.51 m3/(m2·d)、平均水溫26.4 ℃的條件下，通過蠕動泵向人工濕地內流加碳源(無水乙酸鈉)溶液。當人工濕地進入1 L待處理的水，就分別向4個人工濕地內分別添加與15，30，45，60 mg CODCr當量的無水乙酸鈉溶液，并以不添加碳源(0 mg/L CODCr)作為對照組。分別監測進水與出水中硝氮的濃度。

1.2.2 不同水力負荷對硝氮去除效果的影響 采用1.1節中所述實驗裝置，在平均水溫21.9 ℃、1.2.1節中最佳CODCr添加量的條件下，調節每個人工濕地的進水量，使其水力負荷分別達到0.51，0.77，1.03，1.28 m3/(m2·d)，并分別監測進水與出水中硝氮的濃度。

1.2.3 低溫下不同掛膜方式對硝氮去除效果的影響 本節采用350 L調節池串聯1.1節中所述實驗裝置開展實驗。首先，將120個直徑為100 mm的懸浮球填料置于350 L的調節池內，一種是通過添加反硝化菌劑讓其在懸浮球上形成反硝化生物膜，稱之為人工掛膜；另一種是不添加任何菌劑讓其自然形成反硝化生物膜，稱之為自然掛膜。掛膜后將其與人工濕地串聯共同處理水體中的硝氮。兩裝置串聯后，在平均水溫6.6 ℃、水力負荷為0.77 m3/(m2·d)，1.2.1節中最佳CODCr添加量的條件進行實驗，并分別監測進水與出水中硝氮的濃度。

1.2.4 低溫下不同水力負荷對硝氮去除效果的影響 同1.2.3節，此次將反硝化菌劑投加到1.1節所述人工濕地內進行人工掛膜后，分別考察其在低溫下不同水力負荷對硝氮去除效果的影響。其實驗條件為：平均水溫6.5 ℃、1.2.1節中最佳CODCr添加量的條件下進行，其中人工濕地運行至41～46 d時水溫為3～5 ℃。此階段設置0.77 m3/(m2·d)和1.28 m3/(m2·d)兩個水力負荷條件，并分別監測進出水中硝氮的濃度。

2 結果與討論

2.1 不同CODCr添加量對硝氮去除效果的影響

以污水處理廠尾水、農田退水等為代表的低污染水中碳氮比較低、可生化性差，這將會限制反硝化作用主要因素，如本實驗用水碳氮比僅為1.78。研究表明水體中碳氮比大于6時，則認為反硝化碳源充足，否則需要額外補充碳源[6,9]。由圖2a可知，進水中硝氮濃度在6～7 mg/L之間，在僅考慮硝氮去除的情況下至少需要消耗36～42 mg/L的CODCr。也就是說在進水CODCr為13.72 mg/L的條件下，至少需要額外補充22～28 mg/L的CODCr才能滿足反硝化的需求。由圖2b可知，在僅通過人工濕地處理(0 mg/L CODCr)時，硝氮去除率在10.49%～36.60%之間。當通過向人工濕地布水區滴加碳源溶液時，硝氮去除率隨著CODCr添加量的增加而增加。當CODCr添加量為15 mg/L時，硝氮去除率在37.86%～83.18%；當CODCr添加量為30，45，60 mg/L時，出水中硝氮均可被完全去除，去除率達到100%。考慮到碳源添加量越多所需成本就越高，因此以硝氮剛好被完全去除為篩選條件，選擇30 mg/L CODCr作為最佳碳源添加量。

2.2 不同水力負荷對硝氮去除效果的影響

水力負荷的大小也是影響人工濕地脫氮的因素之一，其主要是通過影響濕地內基質、植物、微生物對水體中污染物的吸附效率及作用時間，從而影響到人工濕地對污染物的去除效果[10]。圖3為不同水力負荷對硝氮去除效果的影響。

由圖3可知，當進水中硝氮濃度為3～8 mg/L，CODCr添加量為30 mg/L時，在水力負荷為0.51 m3/(m2·d) 的條件下，前期由于池內換水速率較慢，導致出水硝氮濃度較高。但隨著反硝化作用的進行尾水中的硝氮逐漸被去除，在第4 d時硝氮去除率可高達99.39%，在連續運行18 d后尾水中硝氮可完全被穩定去除。同樣的水力負荷為0.77，1.03，1.28 m3/(m2·d)的條件下，連續運行18 d后，人工濕地達到穩定，尾水中硝氮也被完全去除。這就證明在投加30 mg/L CODCr的條件下，0.51～1.28 m3/(m2·d)之間的水力負荷變化對該人工濕地系統去除硝氮的效果影響不大。

2.3 低溫下不同掛膜方式對硝氮去除效果的影響

溫度是影響人工濕地脫氮的另一主要因素，其不僅可以降低基質的水力傳遞效率，同時也會降低人工濕地內植物及微生物細胞的膜滲透性、減弱細胞對氮素等營養物質的吸收及代謝速率，從而限制人工濕地對污染物的降解效率[11-12]。圖4為不同掛膜方式對低溫(平均水溫6.6 ℃)下硝氮去除效果的影響。

由圖4a可知，當進水硝氮濃度為5.53～8.51 mg/L 時，在低溫條件(自然掛膜)下，人工濕地對硝氮有一定的去除，但效果不穩定，出水中硝氮濃度在0～1.17 mg/L之間波動，其硝氮去除效果要明顯差于相同水力負荷下常溫時硝氮的去除效果。有研究表明，通過向濕地系統內投加微生物菌劑可以提高濕地內功能微生物的數量、優化微生物群落結構，從而強化濕地系統的抗負荷沖擊能力及穩定性[13]。由圖4b可知，通過人工掛膜后，人工濕地對硝氮的去除率均在98%以上，硝氮出水濃度在0.1 mg/L 以下，硝氮去除效果較為穩定。由此可證明，人工掛膜系統較自然掛膜系統更能適應低溫環境，人工掛膜有助于提高濕地系統在低溫下對硝氮的去除。

2.4 低溫下不同水力負荷對硝氮去除效果的影響

鑒于人工掛膜有助于提高人工濕地在低溫下對硝氮的去除效果，因此本節利用經過人工掛膜后的人工濕地系統，考察低溫(平均水溫6.5 ℃)下不同水力負荷對人工濕地硝氮去除效果的影響，結果見圖5。

由圖5可知，當進水硝氮濃度5.53～10.09 mg/L 時，在水力負荷為0.77 m3/(m2·d)的條件下，該人工系統經過短暫的適應后，可一直將出水中硝氮保持較低的濃度(<0.1 mg/L)，硝氮去除率穩定在96.59 %以上。而當水力負荷提高至1.28 m3/(m2·d)時，出水硝氮濃度開始略有波動，硝氮去除率在58.54～99.35%之間；在第41～46 d時，由于水溫進一步降低(3～5 ℃)，硝氮去除效果受到顯著影響，如在44 d時硝氮去除率僅有6.57%，這與低溫將會抑制微生物的活性，當溫度低于5 ℃時，反硝化速度非常小相關[9]。但在46 d之后，隨著水溫的升高，硝氮出水濃度逐漸降低，硝氮去除率逐漸升高。

3 結論

(1)通過對碳源添加量的優化研究，發現添加碳源可有助于強化人工濕地對硝氮的去除。本實驗進水硝氮平均濃度為6.67 mg/L，當碳源添加量在0～30 mg/L CODcr時，硝氮去除率隨著碳源添加量的增加，在投加30 mg/L CODcr時硝氮去除率達到100%。

(2)本實驗通過投加反硝化菌劑對濕地進行人工掛膜，研究表明其相對于自然掛膜組能較快適應低溫環境，并具有較好且穩定的硝氮出水效果。

(3)在添加30 mg/L CODcr的條件下，研究了常溫(15～30 ℃)和低溫(<15 ℃)時不同水力負荷對硝氮去除效果影響。研究表明該人工濕地系統在常溫條件下，0.51～1.28 m3/(m2·d)之間的水力負荷變化對硝氮去除效果影響不顯著，運行穩定后硝氮去除率均能達到100%；而在低溫條件下，人工掛膜后的濕地系統最大水力負荷為0.77 m3/(m2·d)，當水力負荷為1.28 m3/(m2·d)時硝氮出水效果不穩定，并且隨著溫度的進一步驟降，硝氮去除率也顯著降低。

綜上所述，在常溫下本文所述人工濕地系統處理含6.67 mg/L左右硝氮的低污染水體時，其最佳CODCr添加量為30 mg/L，污水水力負荷可達1.28 m3/(m2·d)；而低溫條件下，可通過人工掛膜

的方式提高濕地系統的抗沖擊能力及穩定性，此時系統最大水力負荷為0.77 m3/(m2·d)。由此獲得該水平潛流人工濕地在常溫、低溫下處理硝氮的影響因素及運行參數，為實現該濕地系統處理低污染水體中硝氮的工程應用提供參考價值。