曝氣方式對人工濕地氮去除效果的影響研究

劉亞君，韓 雪，劉 宏，王 志

(中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

曝氣方式對人工濕地氮去除效果的影響研究

劉亞君，韓 雪，劉 宏，王 志

(中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

水平潛流人工濕地強(qiáng)制通風(fēng)被認(rèn)為是提高營養(yǎng)鹽，特別是氨氮去除效率的重要方法。針對持續(xù)曝氣能耗高、出水硝氮高等問題，本實(shí)驗(yàn)擬采用間歇曝氣取代持續(xù)曝氣。本實(shí)驗(yàn)對比研究了持續(xù)曝氣、間歇曝氣(溶解氧濃度>0.5mg/L)和不曝氣三種條件下，有機(jī)物和氨氮的去除效率。結(jié)果表明：間歇曝氣是最有效的操作方式，它既提供了好氧和缺氧的交替環(huán)境，又降低了能源消耗。COD和氨氮去除率分別達(dá)到67%和99%，總氮最大去除率可達(dá)79%。

間歇曝氣；氨氮去除；硝化/反硝化；人工濕地

人工濕地在過去幾十年得到了廣泛應(yīng)用。主要被成功應(yīng)用于城市污水處理、垃圾滲濾液、工業(yè)廢水和路面徑流等領(lǐng)域，對有機(jī)質(zhì)和氨氮具有良好的去除性能，并且其能量需求較低[1-3]。此外，人工濕地中植被可以作為綠地和野生動物棲息地，在某些領(lǐng)域可以替代傳統(tǒng)的廢水處理。

溶解氧的含量是影響水平潛流式人工濕地污染物去除率的主要因子[4]。因?yàn)檠鹾康母叩椭苯佑绊懖煌€原態(tài)污染物的生化途徑[5]。持續(xù)曝氣是有效提高水平潛流式人工濕地有機(jī)物和氨氮去除效率的重要技術(shù)[6-7]。最近的研究表明：持續(xù)曝氣在去除氨氮、特種有機(jī)物和溫室氣體的過程中，既明顯增加了能源的消耗，又阻礙了缺氧環(huán)境的形成，進(jìn)而限制了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行[8]。因此，控制間歇曝氣和調(diào)節(jié)人工濕地中溶解氧的濃度，能夠有效地避免過量曝氣，達(dá)到較好的總氮(total nitrogen，TN)去除效果[9-10]。從理論上講，間歇曝氣同時為人

工濕地提供了好氧和缺氧條件，促進(jìn)了同步硝、反硝化反應(yīng)的進(jìn)行[11]。然而，目前對連續(xù)曝氣和間歇的比較論證還相對較少。

本研究旨在優(yōu)化曝氣方式(即連續(xù)或間歇)對有機(jī)物和氨氮去除的影響，以提高水平潛流式人工濕地氨氮去除效率，并降低能源消耗。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用的人工濕地的示意圖，如圖1所示。人工濕地的表面積為2.5 m2(長2.5 m，寬1.0 m)，高 1.0 m，水力停留時間(HRT)為5 d。污水進(jìn)水流量Q為0.5 m3/d，通過蠕動泵連續(xù)自動完成。進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)如下：化學(xué)需氧量(COD)(120±50) mg/L，TN (31.4±20) mg/L，凱氏氮(TKN)(19.7±7.8) mg/L 和氨氮(NH4+-N)(14.2±4.7) mg/L。

圖1 人工濕地示意圖

1.2 曝氣方式

曝氣裝置設(shè)置在人工濕地的底部，空壓機(jī)的空氣流速為12 m3/h。礫石自由區(qū)設(shè)置溶解氧連續(xù)監(jiān)測點(diǎn)：(A)連續(xù)曝氣；(B)間歇曝氣；(C)對比(不曝氣)。間歇曝氣的控制方式如下：當(dāng)溶解氧(DO)濃度為0.5 mg/L時開始曝氣，達(dá)到2.0 mg/L時停止曝氣，保持DO濃度在0.5 mg/L以上即可。

1.3 實(shí)驗(yàn)檢測

水質(zhì)監(jiān)測在5～8月份進(jìn)行，分別檢測進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)。檢測的水質(zhì)參數(shù)主要包括：COD、TKN、NH4+-N、TN和硝酸鹽(NO3--N)等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 曝氣方式對COD去除影響

圖2 曝氣方式對COD去除影響

不同曝氣方式對人工濕地中COD去除效率的影響，如圖2所示。污水經(jīng)過處理之后，出水平均濃度分別為55.9、43.9和51.2 mg/L，對應(yīng)的平均去除率為58%、67% 和61.5%。結(jié)果表明：間歇曝氣對COD的去除效果略微高于持續(xù)曝氣和對比實(shí)驗(yàn)。

2.2 曝氣方式對氨氮去除影響

不同曝氣方式對人工濕地中NH4+-N去除效率的影響，如表1所示。在對比試驗(yàn)中，NH4+-N的去除率可達(dá)到60.9%，這說明在不曝氣的條件下，人工濕地仍可有效地利用接觸面?zhèn)鬟f的氧來去除大部分NH4+-N。從表可見，在間歇曝氣和持續(xù)曝氣條件下，NH4+-N的去除率均達(dá)到了99% 以上，是對比實(shí)驗(yàn)的1.63倍。同時，在對比、間歇曝氣和持續(xù)曝氣條件下，TKN的去除率分別達(dá)到了56.67%、85.07%和85.44%。結(jié)果表明：間歇曝氣時，NH4+-N和TKN的去除效率與持續(xù)曝氣相同。換句話說，達(dá)到相同的NH4+-N和TKN的去除效率時，間歇曝氣比持續(xù)曝氣節(jié)省了一定的能耗。

表1 曝氣方式對氨氮、凱氏氮的去除效果

2.3 曝氣方式對TN去除影響

圖3 曝氣方式對TN去除影響

不同曝氣方式對人工濕地的TN去除效率的影響，如圖3所示。污水經(jīng)過處理之后，出水平均濃度分別為19.1、22.3和30.1 mg/L，對應(yīng)的平均去除率為38.4%、28.1%和3.2%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，對比實(shí)驗(yàn)對TN的去除率高于間歇曝氣和持續(xù)曝氣，這主要與人工濕地中的缺氧環(huán)境有關(guān)。

2.4 曝氣方式對硝氮去除影響

不同曝氣方式對人工濕地中NO3--N的去除影響，如圖4所示。污水經(jīng)過處理之后，NO3--N的出水平均濃度分別為7.9、18.2和24.3 mg/L。從數(shù)據(jù)來看，間歇曝氣和持續(xù)曝氣條件下，出水NO3--N濃度比進(jìn)水分別提高了50% 和100%，而對比試驗(yàn)中，NO3--N濃度比進(jìn)水降低了35%左右。結(jié)果表明：曝氣量的增加確實(shí)有利于NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化，卻降低了反硝化菌對NO3--N的反硝化作用[11]。

圖4 曝氣方式對NO3--N去除影響

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)分別研究了對比實(shí)驗(yàn)(不曝氣)、間歇曝氣(0.5 mg/L)和持續(xù)曝氣三種曝氣方式對有機(jī)物和氮的去除影響?？傮w而言，間歇曝氣能夠提供好氧和缺氧的交替環(huán)境，COD和NH4+-N的去除率分別達(dá)到了67%和99%，TN的最大去除率可達(dá)79%。持續(xù)曝氣條件下，人工濕地中DO濃度較高，破壞了反硝化菌生長所需的缺氧環(huán)境，導(dǎo)致出水NO3--N濃度較高。

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(本文文獻(xiàn)格式：劉亞君，韓 雪，劉 宏，等.曝氣方式對人工濕地氮去除效果的影響研究[J].山東化工,2017,46(5):152-154.)

Effects of Aeration Patterns on Nitrogen Removal in Constructed Wetlands

LiuYajun,HanXue,LiuHong,WangZhi

(China Aerospace Construction Group Co., Ltd., Beijing 100071,China)

Forced aeration of horizontal subsurface flow constructed wetlands is considered to be a good way for improving nutrient removal, especially ammonia. The purpose of this study is to remove ammonia effectively and reduce energy, based on efficiency of continuous and intermittent aeration. In this study, three aeration systems were used: continuous aeration, intermittent aeration (dissolved oxygen concentration greater than 0.5 mg/L) and a contrast test. The experiments results showed that intermittent aeration was the most effective method. Aerobic and anoxic environment was provided in this process, simultaneously, the energy consumption was reduced. The chemical oxygen demand (COD), and ammonia nitrogen removal rate were 66% and 99%, respectively, and maximal total nitrogen (TN) removal can reach 79%.

intermittent aeration;ammonia removal;nitrification/denitrification;constructed wetlands

2017-01-20

劉亞君(1983—)，女，河北承德人，工程師，主要從事水處理和環(huán)評工作和研究。

X703.1

A

1008-021X(2017)05-0152-03