鹽龍湖人工濕地凈化微污染河水水質(zhì)研究

羅利民，何玉良，鄭軍田，倉基俊

（1.江蘇省鹽城市水利局，224002，鹽城；2.江蘇省鹽城市水利科學(xué)研究所，224002，鹽城）

微污染河水水質(zhì)凈化已經(jīng)成為國際關(guān)注熱點(diǎn)。國內(nèi)外對(duì)微污染河水水質(zhì)凈化進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了多種水質(zhì)凈化工藝。由于河水中污染物種類多樣，其凈化工藝差別較大。河水預(yù)處理技術(shù)可在一定程度上改善水質(zhì)，或改善可生化性能、絮凝沉淀性能等，提高后續(xù)處理工藝的凈化效果。

人工濕地、生物接觸氧化、生物濾池等技術(shù)在微污染河水的凈化方面也有一定應(yīng)用，潛流人工濕地技術(shù)由于具有耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。研究表明，潛流人工濕地去除化學(xué)需氧量、氨氮的效率較高，但對(duì)總氮的去除效果不佳，主要原因是潛流人工濕地反硝化效率較低。反硝化過程需要厭氧環(huán)境，而普通潛流人工濕地為了有效去除化學(xué)需氧量、氨氮而保持好氧環(huán)境。因此，如何在同一濕地中同時(shí)創(chuàng)造好氧和厭氧兩種環(huán)境，是高效去除總氮的關(guān)鍵所在。

本研究構(gòu)建了好氧/厭氧多級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地，應(yīng)用于鹽城市新建飲用水源生態(tài)凈化工程 （鹽龍湖）進(jìn)水水源的水質(zhì)凈化，為微污染河水水質(zhì)改善、飲用水水源水質(zhì)保障提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

一、材料與方法

1.材料

人工濕地填料選擇卵石、沸石、火山石、爐渣、沙等。

2.研究方法

（1）好氧/厭氧多級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地模式

將人工濕地設(shè)置好氧、厭氧、好氧三段，其比例為 1∶1∶1，人工濕地長∶寬∶高為 120 cm∶50 cm∶50 cm， 試驗(yàn)裝置見圖1。

（2）填料性能優(yōu)選

選擇卵石、沸石、火山石、爐渣、沙等填料，每種填料構(gòu)建上述潛流人工濕地，研究連續(xù)進(jìn)水條件下對(duì)化學(xué)需氧量、總氮的去除能力，優(yōu)選出最佳填料或填料組合。連續(xù)進(jìn)水30天，前15天為填料微生物掛膜期。掛膜完成后，每3天從出水口取樣一次，共取樣5次，測(cè)定重鉻酸鹽需氧量、總氮。在第30天采一定體積的填料進(jìn)行浸提，利用DAPI測(cè)定單位體積浸提液中微生物含量。

表1 單位體積浸提液微生物量

（3）好氧/厭氧潛流人工濕地凈化微污染水質(zhì)工藝優(yōu)化

填料采用火山石，水力負(fù)荷為10 m3/（m2·d）， 正式運(yùn)行前通水掛膜 15天，然后連續(xù)運(yùn)行30天，考察水質(zhì)凈化效果。根據(jù)凈化效果，調(diào)整運(yùn)行工藝和布水方式，構(gòu)建最佳運(yùn)行工藝。

3.分析測(cè)試方法

水樣采集后立即測(cè)定化學(xué)需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、溶解氧、pH和水溫?；瘜W(xué)需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測(cè)定均采用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析，pH值用玻璃pH計(jì)測(cè)定，溶解氧采用WTW2B20-0017型溶氧儀測(cè)定。

二、結(jié)果與討論

1.不同填料水質(zhì)凈化能力比較

6種填料化學(xué)需氧量、總氮的去除率見圖 2、圖 3。

濕地運(yùn)行30天后，測(cè)定不同填料微生物的生長量。結(jié)果表明：相同體積的填料上附著生長的微生物量差異顯著，火山石微生物量達(dá)22 g/L，爐渣為10 g/L，而卵石和沙僅為1.4 g/L和0.8 g/L，見表1?；鹕绞谋缺砻娣e253.2m2/g大于沸石的199.7m2/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沙子的比表面積1.89 m2/g?？梢姡嗤w積的火山石具有最大表面積，能生長大量微生物，而微生物的轉(zhuǎn)化是去除化學(xué)需氧量和氮的主要途徑。同時(shí)火山石具有對(duì)水流阻力小，不易堵塞，布水布?xì)饩鶆颍砻娲植?，掛膜速度快，反沖洗時(shí)微生物膜不易脫落等優(yōu)點(diǎn)。因此，火山石作為人工濕地填料具有高效去除污染物的潛力。

2.好氧/厭氧潛流人工濕地凈化效果

通過研究好氧/厭氧/好氧三級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地對(duì)鹽龍湖水質(zhì)的凈化效果，并調(diào)整運(yùn)行工藝，以期得到適于鹽龍湖水質(zhì)的凈化工藝。

（1）氨氮的去除效果

氨氮去除率隨時(shí)間逐漸增高，3個(gè)月中最終去除率均達(dá)到75%以上，11月份去除率接近100%。說明濕地中硝化作用進(jìn)行得很充分，將大量氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，見圖4。

（2）化學(xué)需氧量的去除效果

從圖5可以看出，11月份重鉻酸鹽需氧量去除率最高，達(dá)92.35%。12月和1月去除率也能達(dá)到54%，因?yàn)樘鞖廨^冷，故較11月份結(jié)果偏低。

（3）硝態(tài)氮去除效果

從圖6可以看出硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮含量在試驗(yàn)開始階段升高，原因是微生物的硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，最終出水值與進(jìn)水值基本相同。去除率很低，分析原因主要是厭氧段作用沒有完全發(fā)揮出來，水力負(fù)荷太大，反硝化作用太弱，硝酸鹽氮沒有來得及轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦觥?/p>

經(jīng)過3個(gè)月的試驗(yàn)，在不曝氣的情況下，氨氮的去除率達(dá)到75%～100%，重鉻酸鹽需氧量的去除率達(dá)到60%～80%。但是總氮和硝酸鹽氮的去除率很低，總氮去除率低的原因主要是有機(jī)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化率低，因此通過增加濕地好氧段曝氣、延長厭氧段的方法進(jìn)行改進(jìn)。

3.好氧/厭氧多級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地工藝優(yōu)化

針對(duì)前3個(gè)月總氮及硝酸鹽氮去除率較低的問題，將濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化為好氧—緩沖—厭氧—好氧 （O-BA-O）四級(jí)串聯(lián)，好氧段進(jìn)行強(qiáng)化曝氣，厭氧段表層覆蓋多層塑料膜促進(jìn)形成厭氧環(huán)境。

（1）硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮去除效果

從圖7、圖8可以看出，濕地結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除率較前3個(gè)月有了明顯提高，硝酸鹽氮去除率能達(dá)到50%左右，亞硝酸鹽氮的去除率也在20%～40%范圍內(nèi)。因?yàn)樾碌脑囼?yàn)裝置厭氧段較長，占到了整個(gè)裝置長度的一半，且設(shè)置了緩沖段，使水流入?yún)捬醵螘r(shí)溶解氧含量減少，反硝化作用效果也隨之變好。

（2）總氮的去除效果

濕地結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，總氮的去除率也較改進(jìn)前有了明顯提高，在40%左右。經(jīng)過濕地處理，出水中總氮為0.49 mg/L，水質(zhì)提高了一個(gè)等級(jí)，見圖9。

三、結(jié) 論

針對(duì)微污染水源水質(zhì)特征，研究了好氧/厭氧多級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地填料性能、濕地結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)凈化效果的影響。結(jié)果表明：火山石填料具有最大的比表面積和微生物附著能力，具有最強(qiáng)的水質(zhì)凈化潛力。好氧∶厭氧∶好氧為 1∶1∶1 時(shí)，潛流人工濕地對(duì)微污染水源的化學(xué)需氧量、氨氮具有強(qiáng)去除能力，但對(duì)硝酸鹽氮去除效果不佳。將濕地結(jié)構(gòu)優(yōu)化為好氧—緩沖—厭氧—好氧（O-B-A-O）四級(jí)串聯(lián)后，顯著降低了出水中硝酸鹽氮、總氮含量，水質(zhì)提高了一個(gè)等級(jí)?？梢姡醚酢彌_—厭氧—好氧（O-B-A-O）四級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地是較適于微污染水源水質(zhì)凈化的生態(tài)工藝。

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