人工湿地对城市污水的脱氮效率研究

Posted 2023-01-12 湿地

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人工湿地作为一种高效、低耗的污水处理新工艺已被广泛接受，特别是其在脱氮、除磷方面的应用逐步为人们所重视。在此深入地讨论了在复合垂直流人工湿地系统中，污水在不同深度的脱氮效率，结果表明，在系统中，硝态氮、亚硝态氮、沿水流方向逐渐减小；总氮去除率为61%，脱氮效果较好；另外，上行池因溶解氧低、有机碳不足和系统向水中释放氮的原因，脱氮效果不如下行池好。
0.引言
在众多的污水处理技术中，人工湿地具有投资及运行费用低、运行管理方便、对负荷变化适应性强、出水具有一定的生物安全性、生态环境效益显著等优点，比较适合于管理水平不高、水量及水质变化不大的城郊或乡村应用，同时人工湿地还具有对N，P污染物去除效果好的特点[2-4]，因此用来处理城市的生活污水具有一定的可行性。
按照湿地中的水流方式，人工湿地可以分为：表面流湿地(surfaceflowwetlandSFW)、潜流式湿地(subsurfaceflowwetlandSSFW)和垂直流湿地(verticalflowwetlandVFC)。本试验拟采用复合垂直流湿地(IntegratedVerticalFlowConstructedWetland，IVCW)的组合工艺，复合垂直流湿地系统中的水流兼有地表流湿地系统和潜流湿地系统的特性，硝化能力强，对N的去除效果比较理想[6-9]。本试验主要是探讨该复合垂直流湿地系统对城市生活污水中N的去除效果。
1.材料与方法
1.1实验装置
本实验污水来自城市的主要排污河道，水质是劣V类，采用下行池与上行池串联的复合垂直流工艺(见图1)。

下行池的顶部布置穿孔管，由蠕动泵抽取污染河水送至穿孔管中，形成均匀布水效果，出水也采用穿孔管，表面集水后排出系统。检测点总共有8个点，进水处为0#，下行池从上到下分别是1#，2#，3#，上行池从下往上依次为4#，5#，6#，出水口为7#，除0#和7#外，其它6个点都是并排2个取水口，使检测的结果更准确。下行池种植菖蒲，上行池种植香蒲。填料级配见表1和图2。

1.2试验方法
试验从2007年3月起，连续运行至2007年4月结束。湿地系统的处理量为100L/d，经计算水力停留时间为2.4d，每隔1周取样1次。由于该污水性质为工业污水和生活废水，水质状况较差，主要污染因子为NH3-N和TN，该污水的水质见表2。

1.3测试方法
本试验所监测的污染物主要包括：NH4+-N，NO3-N，NO-2-N和TN，其中NH4+-N采用纳氏试剂光度法，NO-3-N采用酚二磺酸光度法，NO-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法，TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法(A)。
2.结果与分析
2.1对NH4+-N的去除效果
水体中的NH4+-N能消耗水中溶解氧，造成水体缺氧，并且是引起水体富营养化的主要营养物质之一，因此NH4+-N是湿地的重要去除对象。

从图3中可以看出，在4#和7#2处的NH4+-N浓度分别高于前一个采样点，原因可能是这2处的氨化作用处于主导地位，硝化作用不是很充分有关，这与张甲耀，吴振斌等的研究比较一致，与湿地含氧量，氧化还原的状况有关。4#点位于上行池的最下端，植物的根系不能很好地到达此处，因此植物根际好氧的微环境就很难在此处形成，另外，此处的水里的溶解氧也不如别的高，这就减少了NH4+-N经过硝化和反硝化作用到硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的转化，从而使此处的NH4+-N浓度比前一个点高。7#处为系统的出水处，此处NH4+-N浓度较高的原因可能是因为此处的有机氮在水解过程中释放氨态氮所致。系统对NH4+-N的去除为效率32%。
2.2对TN的去除效果
通过对床体进出水和连续各采样点TN浓度的检测，系统各部分TN的变化见图4。

从图4可以看出，除5#，6#2处外，水流中TN的浓度随流程延长逐渐减小。湿地中TN的去除机理很多，主要包括硝化-反硝化，基质的吸附，植物的摄取，以及挥发等。其中微生物的硝化-反硝化是约占90%，植物的吸收和沉积物的积累约占10%，氨气的挥发作用可以忽略[11-12]。因此延长水流流程和停留时间，可以使微生物的硝化-反硝化作用发生的更完全，脱氮效果就越好。系统进出水的TN的质量浓度分别为21.4～8.4mg/L，TN的去除率为61%。
从图4中也可以看出，在下行池脱氮的效果比上行池要好，可能是因为下行池的溶解氧较高，硝化作用比上行池进行的较完全，另外由于系统本身生物体分解过程有氮的释放，也有可能导致上行池TN的浓度变化缺少规律性。
反硝化作用过程中，微生物在缺氧条件下利用水体中有机碳作碳源，以NO-3-N为电子受体，将NO-3-N还原成氮气从系统中去除。经检测上行池的CODCr的质量浓度只有18.29～25.37mg/L，缺少碳源也是导致上行池TN去除效率低的原因。
2.3对NO3-N，NO2-N的去除效果

由图5可以看出，NO3-N，NO2-N浓度随水流方向规律性递减，这主要是因为湿地内部发生硝化和反硝化作用，把水中的硝态氮、亚硝态氮还原成N2O，N2从系统中排出所致。系统对NO3-N，NO2-N的去除率分别为63%，75%。
3.讨论
复合垂直流人工湿地系统的结构和水流方式都给微生物提供了良好的生活环境，有利于提高系统对N的去除。污水进入人工湿地下行流池后先通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，随着水流的方向，硝化作用减弱，反硝化作用占主导地位，最后氮素转化成气态氮释放。硝化和反硝化作用强度变化沿水流方向呈显著负相关。系统进水的TN质量浓度为21.4mg/L，出水质量浓度8.4mg/L，TN的去除效率为61%，表明复合垂直流具有较好的除氮能力。
在人工湿地系统中NH4+-N的主要去除机理是微生物的硝化作用，由于COD的去除及硝化作用主要发生在下行池，下行池种植泌氧性能较好的植物。反硝化作用主要发生在上行池，上行池种植泌氧性能较差的植物，为了改善上行池的充氧能力，提高系统的硝化能力去除氨态氮，可以采用曝气、分段进水等方式。另外，为了提高上行池的脱氮效率，可以适当的增加有机碳的浓度，来补充反硝化所需的能量。