以硫自養(yǎng)為核心填料的人工濕地脫氮效率及工藝研究

馬西濤，許 建

（中持水務(wù)股份有限公司，北京 100192）

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，各種污染源的排放總量一直在升高，各種污染指標(biāo)也在不斷升高。其中總氮作為主要的污染指標(biāo)，其去除任務(wù)一直是重中之重。由于生活水平的不斷提高，以及化肥、農(nóng)藥等有機(jī)物的大量排放，導(dǎo)致水體中氮的含量迅速增多，而微生物通過硝化與反硝化作用所需要的碳源卻相對(duì)減少，尤其是城市污水處理廠尾水的深度處理，及進(jìn)入河道的水體的處理帶來了困難。因此在低C/N 的情況下，如何高效進(jìn)行脫氮是十分必要的。本文首次探討了以硫自養(yǎng)填料作為脫氮填料在人工濕地的的治理研究，以確定最適于硫自養(yǎng)核心填料濕地的潛流類型、進(jìn)水方式，為后續(xù)工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 工作條件和原水水質(zhì)

本課題組依托深圳市寶安區(qū)石巖街道某公園設(shè)計(jì)建造的潛流人工濕地工程。該人工濕地的主體工藝為自養(yǎng)強(qiáng)化型潛流濕地+常規(guī)垂直流潛流濕地的復(fù)合人工濕地處理技術(shù)，主要用于凈化上游徑流經(jīng)過的河道水，增強(qiáng)水質(zhì)保障功能。本實(shí)驗(yàn)處于工程設(shè)計(jì)前期階段，用以確定工程設(shè)計(jì)的方案。實(shí)驗(yàn)原水源自石巖濕地公園內(nèi)石巖河與上屋河交匯處的河道水，pH值 為7.32±0.1，DO 值 為2.35 mg/L±0.48 mg/L，NH4+-N、NO3--N、TN、TP、COD、SO42-、總Fe、Fe2+質(zhì)量濃度分別為0.58 mg/L±0.1 mg/L、1.5 mg/L±0.25 mg/L、2.43 mg/L±0.3 mg/L、0.28 mg/L±0.08 mg/L、22 mg/L±3.5 mg/L、63 mg/L±8 mg/L、0.021 mg/L、0.007 mg/L。實(shí)驗(yàn)在非汛期季節(jié)展開，進(jìn)水水質(zhì)變化小，水溫基本維持在20℃以上，菌群種類較多，由此為填料的快速自然掛膜提供了有利條件。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

主要實(shí)驗(yàn)裝置為以硫自養(yǎng)填料為核心構(gòu)建的人工濕地和及以常規(guī)填料構(gòu)建的人工濕地，二者均采用有機(jī)玻璃方形容器，主體尺寸均為100 cm×60 cm×120 cm（L×B×H），有機(jī)玻璃方缸壁厚1.2 cm，短邊一側(cè)底部與另一側(cè)距頂部下方20 cm 處穿孔連接導(dǎo)流管并設(shè)置閥門，以供進(jìn)出水及采取水樣用，每個(gè)玻璃方缸在進(jìn)出水口一側(cè)都另設(shè)有3 個(gè)取水樣口，高度距其缸底分別為10、50、90 cm。硫自養(yǎng)核心填料潛流濕地結(jié)構(gòu)從下至上依次為填充高度20 cm 的礫石層、填充高度60 cm 的硫自養(yǎng)填料層、填充高度20 cm 的種植土層及高20 cm 的植物與超高層；常規(guī)填料潛流濕地結(jié)構(gòu)從下至上依次為填充高度20 cm 的礫石層、填充高度30 cm 的碎石層、填充高度30 cm 的陶粒層、填充高度20 cm 的礫石層及高20 cm 的植物與超高層，實(shí)驗(yàn)所選用的硫自養(yǎng)填料粒徑5～10 mm，礫石粒徑10～20 mm，碎石粒徑20～30 mm，陶粒粒徑5～10 mm，其中硫自養(yǎng)填料購于北京中持碧澤環(huán)境技術(shù)有限責(zé)任公司，其他填料均常見。另外每個(gè)人工濕地裝置填料層表面種植6 株黃菖蒲以構(gòu)成完整的濕地系統(tǒng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置運(yùn)行

以硫自養(yǎng)核心填料潛流濕地裝置為研究對(duì)象，使用間歇式進(jìn)水方式用以控制溶解氧濃度，原水通過泵入連接前端的高位水箱，再通過降流式進(jìn)入自養(yǎng)強(qiáng)化型潛流濕地中，分別采取垂直流（填料頂部、裝置底部均勻平鋪布水器和集水裝置）和水平流形式，每隔3 d取一次水樣并換水以確定更優(yōu)的潛流類型，其后根據(jù)優(yōu)化的潛流類型探究降流式與升流式對(duì)系統(tǒng)脫氮的效果，以確定最適的進(jìn)水方式。

1.4 分析項(xiàng)目及方法

水質(zhì)指標(biāo)按照國標(biāo)方法分析，其中NO3--N 和TN分別采用紫外分光光度法（試行）HJ/T 346—2007 和堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法HJ 636—2012 測(cè)定；NH4+-N 采用納氏試劑分光光度法HJ 535—2009測(cè)定；硫酸鹽采用離子色譜法HJ/T 84—2001 測(cè)定；總鐵與亞鐵采用鄰菲啰啉分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同潛流類型下單一濕地的脫氮效果

實(shí)驗(yàn)裝置于2022 年3 月開始啟動(dòng)，圖1 為硫自養(yǎng)核心填料潛流濕地中垂直流與水平流方式對(duì)氮素去除的影響。

圖1 潛流類型對(duì)單一濕地系統(tǒng)NO3--N 和TN 的去除效果

從圖1-1 可以看出，通過對(duì)裝置進(jìn)出水NO3--N隨運(yùn)行時(shí)間的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)行前6 d 2 個(gè)裝置的去除率均在52%±2%左右，實(shí)驗(yàn)初期由于尚未進(jìn)行污泥的馴化和厭氧環(huán)境的控制，可推斷NO3--N 含量的下降主要以填料的吸附及異養(yǎng)反硝化作用為主，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加和有機(jī)物的迅速消耗，自養(yǎng)反硝化菌逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌種，對(duì)NO3--N 的去除率繼續(xù)增高。垂直潛流類型最終相對(duì)于水平潛流類型NO3--N 的去除率更高，其中在21 d 時(shí)垂直流裝置的NO3--N 去除率可以達(dá)到最高的93.06%，該潛流類型下NO3--N 去除率上升更快。這是由于垂直式的水流穿行途徑更有利于填料均勻充分的截留吸附和對(duì)生物膜的附著，強(qiáng)化了反硝化作用的進(jìn)行[1]，運(yùn)行第12 d 時(shí)去除率出現(xiàn)短暫的下降則可能是競爭導(dǎo)致異養(yǎng)反硝化微生物死亡促使細(xì)胞內(nèi)氮素釋放。

分析兩組潛流類型下TN 隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖1-2 所示，2 個(gè)裝置在6 d 前TN 去除率接近42%，該部分作用是實(shí)驗(yàn)初始階段由于進(jìn)入裝置的原水中存在足夠的溶解氧使得NH4+-N 能被硝化，此時(shí)隨著有機(jī)碳源的消耗和缺氧環(huán)境的形成異養(yǎng)反硝化菌迅速增殖從而完成脫氮，之后硫自養(yǎng)反硝化作用漸漸增強(qiáng)導(dǎo)致脫氮效果得到進(jìn)一步提升。其中垂直潛流布水能更快在填料表面復(fù)氧，這種方式下相當(dāng)于若干個(gè)微型A/O 法串聯(lián)，提升了硝化菌和反硝化菌的活性周期，并在18 d 后去除率穩(wěn)定達(dá)到80%以上，出水質(zhì)量濃度低于0.65 mg/L；而水平潛流布水在運(yùn)行24 d后TN 去除率小幅下降至65.20%，出水質(zhì)量濃度為0.87 mg/L，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察，水平潛流裝置在運(yùn)行24 d后出水流量減小，更易出現(xiàn)基質(zhì)堵塞問題。因此，本研究最佳硫自養(yǎng)核心潛流濕地類型為垂直流。

2.2 不同進(jìn)水方式下單一濕地的脫氮效果

將垂直潛流作為硫自養(yǎng)核心填料單一濕地的布水類型，再分別以降流式和升流式通過濕地處理24 d后得到如圖2 所示結(jié)果。

圖2 進(jìn)水方式對(duì)單一濕地系統(tǒng)NO3--N 和TN 的去除效果

由圖2-1 可知，降流式和升流式兩種進(jìn)水方式下的NO3--N 去除率在15 d 后都趨于穩(wěn)定，且在24 d 后都達(dá)到了最大去除率，二者去除速率相近。不同的是試驗(yàn)前中期升流式的NO3--N 去除率一直高于降流式，究其原因是升流式中氧氣隨水流向上流動(dòng)，氣泡在填料間隙間的上升運(yùn)動(dòng)能對(duì)填料有疏通作用，減少填料空隙氣阻現(xiàn)象的發(fā)生，提高了氧利用率，使得整個(gè)濕地填料在橫斷面上對(duì)于NO3--N 可以更加充分的吸附。另外，由于填料粒徑與顆粒間空隙從下至上逐漸變小，該進(jìn)水方式也能提高對(duì)污染物的攔截與沉淀能力。但運(yùn)行后期濕地對(duì)于NO3--N 的去除主要依靠反硝化細(xì)菌的反硝化作用，因此兩種方式下的出水差異逐漸減弱。

圖2-2 可以看出，任何一種進(jìn)水方式在運(yùn)行6 d前出水TN 濃度的下降無明顯變化，但此過程中降流式平均去除率比升流式低了約14%，隨著運(yùn)行時(shí)間的推進(jìn)，去除率均開始大幅持續(xù)升高，24 d 后TN 的最大去除率基本相同，對(duì)應(yīng)的TN 去除率在85.97%～87.11%，這與NO3--N 在運(yùn)行時(shí)間上的變化規(guī)律較為相似。有研究指出，升流式在污水處理工藝中更耐沖擊負(fù)荷[2-3]，在UAFB 反應(yīng)器進(jìn)行脫氮處理時(shí)總氮容積負(fù)荷從0.61 kg/（m3·d）提升至2.52 kg/（m3·d）時(shí)，上向流方式仍能保持90%的去除率。由此可見，升流式的進(jìn)水方式更有利于硫自養(yǎng)核心填料潛流濕地快速脫氮。

3 結(jié)論

以硫自養(yǎng)為核心填料在人工濕地中去除水中氮元素具有較強(qiáng)的可行性，其中潛流類型、進(jìn)水方式均對(duì)整個(gè)系統(tǒng)反硝化性能具有一定的影響。

1）在單一硫自養(yǎng)核心填料人工濕地中垂直流類型的脫氮效率更高，穩(wěn)定運(yùn)行后NO3--N 和TN 最高達(dá)至93.06%和82.30%，分別比水平流類型上升了7.08%和10.49%。

2）升流式的進(jìn)水方式可以削弱氣阻更充分的進(jìn)行填料吸附及縮短掛膜周期，從而在第9 d 便可達(dá)到80%以上良好的脫氮效能。