微孔曝氣對潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水效果的影響

摘要：以包頭某稀土廠稀土生產(chǎn)廢水為處理對象，研究了微孔曝氣對所構(gòu)建的潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水的效果。研究發(fā)現(xiàn)，在所構(gòu)建的潛流人工濕地系統(tǒng)中，微孔曝氣有利于稀土廢水中氨氮的去除，對潛流人工濕地運行的穩(wěn)定性和可靠性均有增強。在曝氣量為50 和100 L/h時，所構(gòu)建的潛流人工濕地能在40 d內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定運行，稀土氨氮廢水中的氨氮去除率由95.4%提高到98.2%以上，出水氨氮濃度穩(wěn)定在5～24 mg/L，低于《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB26451-2011）》所規(guī)定的氨氮直接排放濃度25 mg/L的要求?？紤]到潛流人工濕地的運行成本，理想的曝氣量應(yīng)選為50 L/h。

關(guān)鍵字：潛流人工濕地；稀土廢水；氨氮；微孔曝氣

中圖分類號： X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2218-05

在稀土冶煉過程中，由于所采用的濕法冶煉工藝不同，廢水水質(zhì)也有很大的區(qū)別，包頭市某稀土廠以稀土焙燒礦為原料制備碳酸稀土，是典型的氯銨-高氨氮廢水。廢水中的氨氮若進入地表水，容易造成水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，因此稀土廢水的處理、尤其是高氨氮稀土廢水的處理引起越來越廣泛的關(guān)注[1]。目前高氨氮稀土廢水的處理方法主要有以吹脫法、蒸發(fā)結(jié)晶法和反滲透法為代表的物理處理方法[2]，該類方法往往因為高運行成本而抑制其推廣應(yīng)用。以吸附工藝和化學(xué)沉淀法為代表的物理化學(xué)方法，該類方法所需設(shè)備龐大、運行成本較高[3]。另外也有生物工藝處理的探討，但是抗水力負(fù)荷能力差，處理效果較差。為尋求一種經(jīng)濟、高效、運行穩(wěn)定的高氨氮稀土廢水的處理方法，針對生物處理工藝所表現(xiàn)出的缺點，結(jié)合人工濕地系統(tǒng)在廢水處理中的優(yōu)勢（出水水質(zhì)穩(wěn)定、處理效果好、操作簡便、投資少、抗水力沖擊負(fù)荷能力強[4，5]），而在人工濕地系統(tǒng)中人為地增加曝氣裝置對人工濕地系統(tǒng)濕地植物的生長及人工濕地系統(tǒng)的抗堵塞能力均有極大幫助[6，7]；但目前的研究多集中在垂直流人工濕地系統(tǒng)及水平流人工濕地系統(tǒng)，對潛流人工濕地系統(tǒng)的研究較少。在前期研究不同構(gòu)建方式對潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水效果影響的基礎(chǔ)上，以所篩選的兩種運行效果良好的潛流人工濕地構(gòu)建方式構(gòu)建潛流人工濕地，并加以改造，在潛流人工濕地過水區(qū)設(shè)置微孔曝氣裝置，考察微孔曝氣對潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水的影響。

1 材料與方法

1.1 潛流人工濕地的構(gòu)建

以PVC透明塑料板為材料，粘結(jié)制備了4個如圖1所示的潛流人工濕地框架（長×寬×高=2.0 m×0.8 m×0.5 m）。沿長度方向，潛流人工濕地分為4等份，每段種植一種濕地植物。稀土廢水按文獻(xiàn)[3]所述方法處理后調(diào)節(jié)pH至7～8，然后進入人工濕地的配水池，由配水池向8個潛流人工濕地進行配水，水力停留時間為1 d。

潛流人工濕地基質(zhì)總厚度為34 cm，排鋪方式為分層排鋪，自下向上依次為粉煤灰膨潤土混合層（粉煤灰與膨潤土體積配比為1∶1，厚度為6 cm）、礫石層（粒徑1 cm左右，厚度為8 cm）、海泡石層（粒徑2 cm左右，厚度為8 cm）、土壤層（稻田土與泥炭體積配比為2∶1，厚度為12 cm）。潛流人工濕地植物種植有兩種方式，由進水端到出水端依次分段種植水蔥（Scirpus validus Vahl）、野茭白[Zizania latifolia （Griseb.） Stapf]、香蒲（Typha orientalis Presl）、李氏禾（Leersiahexandra Swartz）。微孔曝氣器安裝在曝氣管上，寬度方向均勻布置曝氣管3條，沿水流方向每根曝氣管均勻布置6個微孔曝氣器，垂直方向曝氣管安裝于過水區(qū)底部。微孔曝氣器布置俯視圖如圖2所示，所構(gòu)建的潛流人工濕地系統(tǒng)為連續(xù)進水連續(xù)出水。

1.2 取樣方法及測試項目

試驗時間為2014年6～9月，稀土廢水原水氨氮含量為5 600 mg/L左右，pH為7.4，廢水按照文獻(xiàn)[3]所介紹的方法在中和池中進行預(yù)處理后，潛流人工濕地進水口處氨氮濃度為780 mg/L左右，pH為7.8。所構(gòu)建的4個潛流人工濕地按照0.1 t/（m2·d）的水力負(fù)荷[8]，4個潛流人工濕地分別按每個曝氣頭曝氣量為0、50、100、150 L/h運行[9]，試運行時間為15 d，之后開始取樣測試，取樣周期為5 d，取樣時間為當(dāng)天15：00，連續(xù)監(jiān)測15次，分別用50 mL的離心管從兩組濕地的底層取樣口和出水管同時取樣，水樣采集后立即進行3次重復(fù)測定[10]，采用蒸餾酸堿滴定法測定高濃度氨氮，納氏分光光度法測定低濃度氨氮，用酸度計測定pH，溶解氧用手持式溶解氧測定儀測定。

2 結(jié)果與分析

潛流人工濕地運行期間，實時觀察監(jiān)測濕地植物的生長狀況，觀察發(fā)現(xiàn)在潛流人工濕地運行期間，濕地植物長勢較好，苗株挺拔。為了研究微孔曝氣對潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水的影響，主要進行了3個方面的研究：微孔曝氣對潛流人工濕地運行效果的影響；微孔曝氣對潛流人工濕地沿程溶解氧含量的影響；曝氣量對出水水質(zhì)的影響。

2.1 微孔曝氣對潛流人工濕地運行效果的影響

已有的研究發(fā)現(xiàn)，在人工濕地系統(tǒng)中，氮的去除主要是由濕地植物根系表面和人工濕地基質(zhì)表面的微生物通過硝化-反硝化過程得以實現(xiàn)[11，12]，若改變?nèi)斯竦貙Π钡娜コЧ粌H需要選擇合適的人工濕地基質(zhì)和合適的濕地植物，還要通過對人工濕地進行改良，增加微生物的活性和繁殖能力。而通過曝氣增加廢水中的溶解氧，不僅能夠增加廢水的自凈能力，同時能夠促進微生物的生長繁殖，因此本研究通過對潛流人工濕地的改造，增加曝氣裝置以改良潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水的處理效果。首先對比了不同的曝氣量對潛流人工濕地運行狀況的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，增加曝氣裝置后，潛流人工濕地所種植的濕地植物無不良反應(yīng)，長勢良好；說明微孔曝氣對潛流濕地的運行為負(fù)面作用。潛流人工濕地在運行15 d后，曝氣裝置開始運行，運行期內(nèi)的試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，對于相同的人工濕地系統(tǒng)，在曝氣量不同時，潛流人工濕地的運行效果差別很大，主要體現(xiàn)在穩(wěn)定運行所需時間的長短、處理效果的優(yōu)劣兩個方面。在所構(gòu)建的4個潛流人工濕地中，處理效果最差的是曝氣量為150 L/h的潛流人工濕地，處理效果最優(yōu)的是曝氣量為100 L/h的潛流人工濕地系統(tǒng)，微孔曝氣能夠有效縮短潛流人工濕地穩(wěn)定運行所需時間。在曝氣量為50 L/h時，潛流人工濕地穩(wěn)定運行所需時間由45 d縮短至40 d；在曝氣量由50 L/h提高到100 L/h時，潛流人工濕地穩(wěn)定運行所需時間進一步縮短，由未曝氣時的45 d縮短至30 d；在曝氣量為150 L/h時，潛流人工濕地穩(wěn)定運行所需時間由45 d縮短至35 d。曝氣量50 L/h和100 L/h對出水氨氮去除率相差不大、高于未曝氣的潛流人工濕地系統(tǒng)，曝氣量150 L/h的潛流人工濕地系統(tǒng)出水氨氮去除率最低，且遠(yuǎn)低于另外3組潛流人工濕地系統(tǒng)。造成這一現(xiàn)象的原因可能是附著于基質(zhì)層和植物根系上的微生物膜由于劇烈的曝氣導(dǎo)致脫落[13]，進而引起微生物的死亡，甚至基質(zhì)孔隙及人工濕地的阻塞，這些都將抑制潛流人工濕地處理廢水中氨氮的效果。

2.2 微孔曝氣對潛流人工濕地沿程溶解氧含量的影響

潛流人工濕地過水區(qū)廢水中溶解氧含量主要由原廢水溶解氧、曝氣量、濕地系統(tǒng)微生物耗氧決定的，其中原廢水的溶解氧含量較低，變化不大，而由曝氣所引入的溶解氧不僅與廢水水質(zhì)有關(guān)，還與濕地植株及根系的生長、濕地基質(zhì)生物膜和濕地植物根系生物膜的生長有關(guān)。合理的曝氣能夠促進好氧微生物的生長，不合理的曝氣（比如劇烈、集中、大流量曝氣）也有可能導(dǎo)致微生物膜的剝落、破壞而抑制微生物的生長。在曝氣量一定時，各段廢水中溶解氧的多少可以在一定程度上反映該段微生物及濕地植物根系的生長情況，因此我們對所構(gòu)建的潛流人工濕地過水區(qū)廢水中溶解氧進行了測定，試驗結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，在潛流人工濕地過水區(qū)底部增設(shè)微孔曝氣裝置后，可以明顯提高廢水中的溶解氧，說明未曝氣的稀土氨氮廢水處于虧氧狀態(tài)，可預(yù)期的是，增設(shè)微孔曝氣裝置對稀土氨氮廢水的處理是有益的。對比圖4中（a）-（d）可以發(fā)現(xiàn)，在微孔曝氣作用下，潛流人工濕地過水區(qū)中溶解氧濃度均>3 mg/L，水體處于良好的充氧好氧狀態(tài)，可以有效提高微生物數(shù)量和活性，這一狀況不僅有利于硝化作用的順利進行，同時可以對基質(zhì)和植物根系上的絲狀菌的大量繁殖起到有效的抑制作用[14]，這些都是對潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水有益的。在曝氣量為50、100、150 L/h時，各監(jiān)測段內(nèi)溶解氧的濃度均不低于3 mg/L，其分布范圍在3～6 mg/L之間，說明在曝氣量超過50 L/h的情況下，增大曝氣量對廢水中的溶解氧的提高有限，均能使廢水處于充氧好氧狀態(tài)。未曝氣的潛流人工濕地，其溶解氧濃度不超過1 mg/L，使人工濕地基質(zhì)及濕地植株根系均處于缺氧區(qū)，硝化細(xì)菌的生長繁殖受到極大的抑制，使硝化過程進行不完全甚至難以進行，廢水中的氨氮向硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的進程被抑制甚至阻斷，反硝化過程難以為繼，潛流人工濕地處理廢水中氨氮的能力受到抑制[15-17]，在未曝氣情況下潛流人工濕地對廢水中氨氮的去除主要由植株吸收、濕地基質(zhì)吸附及氮的揮發(fā)。

由于各采樣口所處的位置不同，種植的濕地植物不同，對過水區(qū)內(nèi)廢水中的溶解氧也有一定的影響。在相同條件下，濕地植物泌氧能力越強，輸運補充到廢水中的氧氣越多，溶解氧越大；好氧微生物活性越強，種群越大，消耗氧氣的能力越強，廢水處理效果越好，溶解氧會有一定的消減；從廢水入口處到2 m出口處，所種植的4種濕地植物依次是水蔥、野茭白、香蒲和李氏禾，其泌氧能力強弱依次為野茭白>香蒲>李氏禾>水蔥。由圖4（a）圖可以看出，相對于4（b）-（d），未曝氣時的溶解氧濃度4（a）最低，造成這一現(xiàn)象的原因可能主要是由于濕地植物泌氧能力相對最弱造成的。在1 m出水口處監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，曝氣量100 L/h時過水區(qū)廢水中溶解氧最高，該段種植的濕地植物為野茭白，泌氧能力最強；相對于50 L/h的曝氣量，其溶解氧相對較?。欢貧饬繛?50 L/h時，廢水中的溶解氧反而最低。結(jié)合氨氮的處理效果，可以預(yù)見的是，由于曝氣量為150 L/h時過水區(qū)廢水水質(zhì)最差，其持氧能力最弱，最終導(dǎo)致在高曝氣量時反而溶解氧最低。在1.5 m和2 m出水口處，不同曝氣量所監(jiān)測的溶解氧濃度呈現(xiàn)交錯混雜狀態(tài)，但是總體變化趨勢類似。相同條件下，1.5 m出水口處的溶解氧濃度低于1 m和2 m出水口的溶解氧濃度；該區(qū)域種植的濕地植物是香蒲，根系發(fā)達(dá)又處于濕地最深處，該段應(yīng)該是微生物活性最強的區(qū)域；在2 m出水口處，水中氨氮含量較低，微生物缺乏營養(yǎng)源，其活性受到抑制。

2.3 曝氣量對潛流人工濕地處理稀土氨氮廢水效果的影響

為了研究各曝氣量情況下，潛流人工濕地系統(tǒng)對稀土氨氮廢水的處理效果，對各潛流人工濕地排水口處氨氮含量進行了測定，測定結(jié)果如圖5所示（其中5（b）為5（a）的局部放大圖）。由圖5可以看出，曝氣量為50、100 L/h的兩組潛流人工濕地出水氨氮濃度穩(wěn)定，且低于《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB26451-2011）》所規(guī)定的氨氮直接排放濃度25 mg/L的要求。曝氣量150 L/h時處理效果最差，穩(wěn)定在400～500 mg/L，這一濃度遠(yuǎn)低于曝氣量為50、100 L/h時的潛流人工濕地和未曝氣的潛流人工濕地。7月20日后，各組潛流人工濕地出水中氨氮濃度都很穩(wěn)定，說明微孔曝氣潛流人工濕地對稀土氨氮廢水的處理具有極高的可靠性。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，曝氣量為50和100 L/h的兩組潛流人工濕地，兩者穩(wěn)定運行所需要的時間不同，曝氣量為100 L/h的潛流人工濕地穩(wěn)定運行所需時間較50 L/h曝氣量的潛流人工濕地所需時間更短。就曝氣量與出水氨氮濃度的關(guān)系而言，曝氣量為50和100 L/h的兩組潛流人工濕地處理效果相差不大，且都能實現(xiàn)潛流人工濕地的穩(wěn)定高效運行，考慮到潛流人工濕地的運行成本，理想的曝氣量應(yīng)選為50 L/h。

3 結(jié)論

本研究中，所構(gòu)建的微孔曝氣潛流人工濕地在曝氣量為100 L/h時能夠在30 d內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定運行，曝氣量為50 L/h時能夠在40 d內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。微孔曝氣潛流人工濕地在曝氣量為50和100 L/h均能實現(xiàn)稀土氨氮廢水的達(dá)標(biāo)排放。曝氣量為50 L/h時，所構(gòu)建的微孔曝氣潛流人工濕地對稀土氨氮廢水中氨氮的去除率在98.2%～98.8%，出水氨氮濃度在10～24 mg/L，低于《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB26451-2011）》所規(guī)定的氨氮直接排放濃度25 mg/L的要求。曝氣量為100 L/h時，所構(gòu)建的微孔曝氣潛流人工濕地對稀土氨氮廢水中氨氮的去除率在98.2%～99.2%，出水氨氮濃度在5～15 mg/L，低于《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB26451-2011）》所規(guī)定的氨氮直接排放濃度25 mg/L的要求。微孔曝氣潛流人工濕地過水區(qū)溶解氧濃度在3～5 mg/L，處于充氧-好氧狀態(tài)，濕地運行穩(wěn)定，運行效果良好。曝氣量為50和100 L/h的兩組潛流人工濕地處理效果相差不大，且都能實現(xiàn)潛流人工濕地的穩(wěn)定高效運行，考慮到潛流人工濕地的運行成本，理想的曝氣量應(yīng)選為50 L/h。

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