海南地區(qū)垂直潛流人工濕地增加緩釋碳源強(qiáng)化去除TN的性能研究

劉圣 李程 溫亞敏

摘要：在下向潛流人工濕地中增加一定比例的椰殼纖維素和花生殼作為緩釋碳源，通過分別處理農(nóng)村生活污水和污水處理廠一級B出水，對比含緩釋碳源人工濕地和不含緩釋碳源人工濕地對TN的處理效果，評估增加緩釋碳源強(qiáng)化去除TN的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：垂直潛流人工濕地處理農(nóng)村生活污水時(shí)基質(zhì)中增加緩釋碳源對TN的去除效果沒有顯著的提高，水力負(fù)荷為0.6m3/（m2·d）時(shí)，不加緩釋碳源TN平均去除率為48.01%，加緩釋碳源TN平均去除率為50.54%;垂直潛流人工濕地處理污水處理廠一級B出水時(shí)，基質(zhì)中增加緩釋碳源對TN的去除效果有一定的提高，與不增加緩釋碳源相比，TN平均去除率由19.53%提升到了24.44%，TN的去除效果提升了25.14%。

關(guān)鍵詞：垂直潛流人工濕地;TN;NH3-N;緩釋碳源

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：Vertical constructed wetland adding a percentage of coconut fiber and peanut shells as a slow release carbon source. Through the treatment of rural domestic sewage and grade B effluent of sewage treatment plant， the treatment effect of constructed wetland on TN was compared， and the enhanced removal performance of TN by adding sustained release carbon source was evaluated.The experimental results showed that： when the vertical subsurface flow constructed wetland was used to treat rural domestic sewage， the removal effect of TN in the wetland with slow-release carbon source was not significantly improved. When the hydraulic load was 0.6m3/ （m2·d）， the average TN removal rate of wetlands without slow-release carbon source was 48.01%， and that of wetlands with slow-release carbon source was 50.54%. Vertical constructed wetland treatment wastewater of level B effuent， the wetland with increased slow-release carbon source has a certain improvement in TN removal effect， compared with the wetland without increased slow-release carbon source， the average removal rate of TN increased from 19.53% to 24.44%， TN removal effect increased by 25.14%.

Key words：Vertical constructed wetlands;TN;NH3-N;Slow-release carbon source

海南島是中國唯一的熱帶海島，地處108°37′～111°03′E， 18°10′～20°10′N，總面積約為3.54×104 km2 [1]。目前，海南島農(nóng)村污水大多數(shù)都是未經(jīng)處理直接排放，污染程度嚴(yán)重影響鄉(xiāng)村人居環(huán)境，農(nóng)村污水主要有生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水等，污水排放量相對較小，若建污水處理廠，則投資較大且運(yùn)行成本較高，不切合實(shí)際[2]。海南島屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22～27℃，適宜水生植物生長，建設(shè)人工濕地污水處理系統(tǒng)，并且海南省各村鎮(zhèn)一般都有足夠的空余地面建設(shè)人工濕地[3]。其優(yōu)點(diǎn)不僅表現(xiàn)為建造和運(yùn)行成本低、易于維護(hù)、技術(shù)含量要求不高，而且可進(jìn)行有效可靠的廢水處理、緩沖對水力和污染負(fù)荷的沖擊，更重要的是可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)、景觀、生態(tài)效益。在農(nóng)村污水無害化處理和應(yīng)用中，人工濕地處理系統(tǒng)對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的去除，可以使出水一次性營養(yǎng)物指標(biāo)達(dá)標(biāo)，且不存在二次污染，強(qiáng)化的人工濕地還可以徹底降解礦化有機(jī)污染物[4]。人工濕地脫總氮的主要限制性因素之一是碳源，由于目前生活污水中C/N 普遍不高，所以，利用人工濕地進(jìn)行脫氮處理時(shí)，極易因后期碳源不足導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效率不佳。因此，不少研究者試圖通過人工投加外源性碳源來提高濕地的脫氮效果[5]。

本研究擬在通過向人工濕地系統(tǒng)中添加緩釋碳源，從而增加污水中C/N，強(qiáng)化去除TN性能。本試驗(yàn)選用農(nóng)村生活污水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠一級B出水為處理對象，目的是指導(dǎo)海南地區(qū)農(nóng)村污水治理和鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造。人工濕地處理技術(shù)用于海南省農(nóng)村生活污水（包括畜禽養(yǎng)殖污水、生活污水等）凈化處理，在海南省具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，對實(shí)現(xiàn)水資源的再利用具有重要意義。

1 試驗(yàn)基地與方法

1.1 試驗(yàn)基地情況及流程

試驗(yàn)基地位于東方市板橋鎮(zhèn)橋北村東北側(cè)，占地面積200m2，試驗(yàn)采用下向垂直潛流濕地進(jìn)行水質(zhì)凈化，種植美人蕉、再力花、風(fēng)車草、棱魚草4種水生植物，濕地基質(zhì)組成火山巖和礫石比例為8：2，基質(zhì)層總高100cm。

單塊人工濕地尺寸：200cm×230cm×150cm。為提高人工濕地對TN的去除能力，本研究將在部分濕地基質(zhì)中添加椰殼纖維和花生殼（作為緩釋碳源）為微生物進(jìn)行反硝化過程提供適宜條件，添加比例約占基質(zhì)總體積的2%。

試驗(yàn)分別采用兩種不同的進(jìn)水水質(zhì)及工藝，兩組試驗(yàn)同步進(jìn)行。試驗(yàn)工藝一：利用升流式酸化池對農(nóng)村生活污水進(jìn)行簡單厭氧水解后分別進(jìn)入含有緩釋碳源和不含緩釋碳源的垂直潛流濕地進(jìn)行處理;試驗(yàn)工藝二：將附件鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠處理后達(dá)到一級B的尾水，分別進(jìn)入含有緩釋碳源和不含緩釋碳源的垂直潛流濕地進(jìn)行處理。通過對進(jìn)出水水質(zhì)的監(jiān)測，對比含有緩釋碳源和不含緩釋碳源的垂直潛流人工濕地的處理效果。工藝流程圖見圖1。

1.2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)工藝一進(jìn)水水質(zhì)為農(nóng)村生活污水，試驗(yàn)工藝二為城鎮(zhèn)污水處理廠處理后達(dá)到一級B的尾水，具體水質(zhì)參數(shù)及指標(biāo)見表：

試驗(yàn)1進(jìn)水取自試驗(yàn)基地旁邊的東方市板橋鎮(zhèn)橋北村生活污水排放渠，進(jìn)水經(jīng)過升流式酸化池水解后，部分進(jìn)入含有緩釋碳源的下行垂直潛流濕地，部分進(jìn)入不含緩釋碳源的下行垂直潛流濕地。4月4日至4月22日垂直潛流濕地水力負(fù)荷均控制在0.8m3/（m2·d），4月23日至5月16日垂直潛流濕地水力負(fù)荷均控制在0.6m3/（m2·d）。4月4號至5月16號期間，東方市瞬時(shí)最低氣溫24℃，瞬時(shí)最高氣溫35℃。垂直潛流濕地4月22日至5月16日時(shí)間段內(nèi)對農(nóng)村生活污水CODcr的去除效果見圖2。

整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，升流式水解池出水CODcr在106～172mg/L之間波動(dòng)，運(yùn)行期間含碳源緩釋劑和不含碳源緩釋劑的垂直潛流濕地對CODcr的去除效果相差不大。含碳源緩釋劑垂直流濕地出水CODcr最高為56mg/L，最低為32mg/L，對CODcr的去除率最高為74.60%，最低為58.87%，水力負(fù)荷為0.8m3/（m2·d）時(shí)，平均去除率為66.07%，水力負(fù)荷為0.6m3/（m2·d）時(shí)，平均去除率為69.14%。不含碳源緩釋劑垂直流濕地出水CODcr最高為57mg/L，最低為60mg/L，對CODcr的去除率最高為73.84%，最低為61.11%，水力負(fù)荷為0.8m3/（m2·d）時(shí)，平均去除率為67.60%，水力負(fù)荷為0.6m3/（m2·d）時(shí)，平均去除率為70.16%。含緩釋碳源和不含緩釋碳源垂直流濕地去除率和出水CODcr差不并不明顯，可以說明運(yùn)行期間碳源緩釋釋放碳源并不劇烈，對出水CODcr的影響并不大。從圖2中可以看出容積負(fù)荷為0.6m3/（m2·d）時(shí)的去除率略高于0.8m3/（m2·d）時(shí)的去除率，說明降低水力負(fù)荷對有利于提高COD的去除率，但提高效果不明顯，提高了約3個(gè)百分點(diǎn)左右。

圖3顯示了垂直潛流濕地對農(nóng)村生活污水中NH3-N的去除效果，整個(gè)運(yùn)行期間進(jìn)水NH3-N的最大濃度是29.0mg/L，平均濃度是21.2mg/L。從圖3中可以看出，含緩釋碳源和不含緩釋碳源的垂直流濕地對的NH3-N去除效果并沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，無論是出水NH3-N濃度還是NH3-N去除率，各有高低。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，垂直流濕地對NH3-N的去除率平均為62.48%，最高為73.93%，最低為47.86%，出水NH3-N濃度最高為12.1mg/L，最低為5.1mg/L，平均為7.9mg/L。從水力負(fù)荷的角度分析，4月23號以后水力負(fù)荷由0.8m3/（m2·d）降為0.6m3/（m2·d），出水NH3-N多日平均濃度由8.9mg/L降低到7.0mg/L，多日平均去除率由58.38%提高到65.92%，說明降低水力負(fù)荷，有利于提高對NH3-N的去除效果，并且提高效果比較明顯。

圖4顯示了垂直潛流濕地對農(nóng)村生活污水中TN的去除效果，整個(gè)運(yùn)行期間進(jìn)水TN的最大濃度是40.0mg/L，平均濃度是30.6mg/L。從圖4中可以看出，含緩釋碳源和不含緩釋碳源的垂直流濕地對的TN去除效果并無明顯差別，無論是出水TN濃度還是TN去除率，都較為接近。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：水力負(fù)荷0.8m3/（m2·d）時(shí)，含緩釋碳源的垂直流濕地對TN的平均去除率為46.47%，出水TN平均濃度為16.97mg/L，不含緩釋碳源的垂直流濕地對TN的平均去除率為43.55%，出水TN平均濃度為17.99mg/L;水力負(fù)荷0.6m3/（m2·d）時(shí)，含緩釋碳源的垂直流濕地對TN的平均去除率為50.54%，出水TN平均濃度為14.67mg/L，不含緩釋碳源的垂直流濕地對TN的平均去除率為48.01%，出水TN平均濃度為15.55mg/L。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出：針對農(nóng)村生活污水，增加緩釋碳源，并不能顯著提高TN去除效率，降低水力負(fù)荷，有利于提高對TN的去除效果，但是提高效果并不明顯。分析增加緩釋碳源并沒有顯示提高農(nóng)村生活污水TN去除效果的原因是：影響TN去除效果的因素較多，外加緩釋碳源并沒有顯著提高生活污水中C/N比值。

處理農(nóng)村生活污水時(shí)，在濕地中增加椰殼纖維素和花生殼作為緩釋碳源并沒有顯著增加TN的去除效果;降低水力負(fù)荷，有利于提高對TN的去除效果，但是提高效果有限?？蓢L試通過其他手段增強(qiáng)TN去除效果，比如出水回流，有研究表明：與不回流相比，在出水回流條件下水平折流潛流人工濕地對氨氮和總氮的去除效果都有顯著提升（p<0.01）。當(dāng)回流比150%時(shí)，總氮的平均去除率約為64%，比不回流條件下總氮去除率高11%[6]。

2.2 濕地處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠一級B排水強(qiáng)化去除TN性能研究

試驗(yàn)2運(yùn)行的主要控制參數(shù)詳細(xì)見表4。

試驗(yàn)2進(jìn)水取自東方市污水處理廠二沉池出水，并根據(jù)實(shí)際情況人為增加了硝酸鈉以增加進(jìn)水TN濃度，模擬鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的一級B出水。原水部分進(jìn)入含有緩釋碳源下行垂直潛流濕地，部分進(jìn)入不含緩釋碳源的下行垂直潛流濕地。4月4日至5月16日整個(gè)運(yùn)行期間，垂直潛流濕地水力負(fù)荷均控制在0.6m3/（m2·d），TN平均進(jìn)水濃度為18.83mg/L，最高濃度為20.3mg/L。

圖5反應(yīng)了垂直潛流濕地處理污水處理廠一級B出水時(shí)對TN 的去除效果，從圖中可以看出無論是出水TN濃度還是TN的去除率，含碳源緩釋劑的垂直潛流濕地比不含緩釋碳源的垂直潛流濕地都要好，且呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。.運(yùn)行期間，含有緩釋碳源的出水TN維持在12.6～15.2mg/L，基礎(chǔ)滿足一級A出水要求，TN平均去除率為24.44%。不含緩釋碳源的出水TN在13.5～16.6mg/L之間波動(dòng)，平均去除率為19.53%，其中有40.1%的天數(shù)超過了15mg/L。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出，垂直潛流濕地處理污水處理廠一級B出水時(shí)，在基質(zhì)中增加緩釋碳源，TN的去除效果提升了25.14%。分析原因，主要是因?yàn)橐患塀出水中可利用的有機(jī)物較少，對反硝化作用有明顯抑制，在基質(zhì)中增加緩釋碳源，可以在一定程度上提高C/N比值，減輕可利用有機(jī)物不足對反硝化反應(yīng)的嚴(yán)重制。

3 結(jié)論

（1）垂直潛流人工濕地處理農(nóng)村生活污水時(shí)，在基質(zhì)中增加一定比例的椰殼纖維素和花生殼作為緩釋碳源，并沒有顯著改善對TN的去除效果，降低水力負(fù)荷，有利于提高對TN的去除效果，但是提高效果有限。

（2）垂直潛流人工濕地處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠一級B排水時(shí)，在基質(zhì)中增加一定比例的椰殼纖維素和花生殼作為緩釋碳源，可以顯著的改善對TN的去除效果，TN的去除效果提升了25.14%，此時(shí)濕地出水TN濃度可以達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）以椰殼纖維素和花生殼作為緩釋碳源，添加比例為全部基質(zhì)總重量的2%左右時(shí)，釋放碳源并不劇烈，對出水CODcr的影響不大。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-05-25

作者簡介：劉圣（1984-），男，漢族，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗廴究刂评碚撆c技術(shù)。