冬季低溫條件下潛流人工濕地強(qiáng)化脫氮技術(shù)研究

文_陳鳴 黃娟 朱小曼 周楊

1.南京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院市政工程系

人工濕地除污效果受季節(jié)溫度的影響較大，溫度低于15℃時(shí)污染物去除率低于高溫季節(jié)，特別是含氮污染物去除效果更差。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注人工濕地在冬季低溫條件下的運(yùn)行效果。Healy等認(rèn)為潛流人工濕地在低溫域設(shè)計(jì)時(shí)是首選。Iamchaturapatr等提出結(jié)合人工濕地的植物面積和質(zhì)量來選擇高效的耐寒植物。Solano等認(rèn)為，低溫條件下適當(dāng)降低水力負(fù)荷一定程度上可以改善除污效果。

試驗(yàn)采取了一系列針對(duì)性的改善冬季低溫條件下人工濕地運(yùn)行效果的技術(shù)措施，并進(jìn)行了研究對(duì)比。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇水平潛流人工濕地，沸石填料進(jìn)行填充，種植植物為蘆葦，連續(xù)進(jìn)水。試驗(yàn)人工濕地裝置尺寸為2.5m×0.8m×0.9m，濕地底面坡度為1%，分為布水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和集水區(qū)。濕地一端進(jìn)水，布水區(qū)、集水區(qū)采用穿孔板，使得進(jìn)出水更加均勻，連續(xù)進(jìn)水。試驗(yàn)潛流人工濕地裝置見圖1。

潛流人工濕地試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 潛流人工濕地進(jìn)水水質(zhì)

2 實(shí)驗(yàn)過程

本次研究分別采取多點(diǎn)進(jìn)水，局部曝氣和預(yù)曝氣三種手段，分別考察低溫條件下對(duì)人工濕地脫氮效果的改善情況。

2.1 多點(diǎn)布水

冬季收割植物地上莖葉后，進(jìn)行表面覆膜。本研究再濕地沿程布設(shè)多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)，采用多點(diǎn)布水方式強(qiáng)化脫氮效果。

將潛流人工濕地反應(yīng)區(qū)分為三段，進(jìn)水流量配置上分別以 1：1：1、2：1：1、1：2：1、1：1：2 的配水比進(jìn)水，考察平均溫度為2～12℃、進(jìn)水平均氧濃度為0.9mg/L時(shí)，濕地中各類污染物的去除率，并與普通的一端進(jìn)水進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可以看出，綜合COD、TN、NH4+-N和TP去除效果，最佳布水比為1：2：1。多點(diǎn)布水可以為潛流人工濕地后段適當(dāng)補(bǔ)充碳源，但是硝化反應(yīng)過程中，溶解氧才是限速因子。因此，多點(diǎn)布水雖然可以補(bǔ)充人工濕地的部分碳源，但冬季潛流人工濕地溶解氧整體處于一個(gè)較低的水平，從而導(dǎo)致潛流人工濕地脫氮效果的改善并不明顯。

2.2 局部曝氣

分別在潛流人工濕地中層前段、中段和末段處連續(xù)曝氣，氣水比4：1，不同曝氣位置NH4+-N和TN去除率隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律見圖3、圖4。

由圖3可以看出，在濕地前段、中段和后段處曝氣，濕地NH4+-N去除率均有不同程度的提升。初期整體差異較小，但是隨著濕地的持續(xù)運(yùn)行，前段曝氣的NH4+-N去除率明顯快速提升，去除效果最好，其次為中段曝氣，末段曝氣去除效果最差。分析其原因，潛流人工濕地前段氧消耗量較大，而前段曝氣能夠改善濕地前段溶解氧狀況，有利于提高硝化菌活性，從而有利于促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

由圖4可以看出，與末段曝氣相比，前段和中段曝氣均能提高潛流人工濕地TN的去除效果。前段曝氣濕地脫氮效果提升最為顯著，隨著濕地的持續(xù)運(yùn)行，脫氮效果穩(wěn)定升高。中段曝氣TN去除率提升相對(duì)較少，后段曝氣TN去除率無明顯升高。

2.3 預(yù)曝氣

采用兩組人工濕地進(jìn)行對(duì)比，相同生活污水進(jìn)水，其中一組不曝氣，另一組曝氣，氣水比為4：1，試驗(yàn)期間溫度為3～12℃。預(yù)曝氣、非曝氣濕地NH4+-N、TN去除率隨濕地運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5可以看出，預(yù)曝氣潛流人工濕地NH4+-N去除率有明顯提升，提升幅度為4.16%。分析認(rèn)為在低溫條件下，潛流人工濕地氧含量較低，遠(yuǎn)不能滿足硝化反應(yīng)的需求，因此非曝氣潛流人工濕地NH4+-N去除率偏低，而預(yù)曝氣潛流人工濕地溶解氧環(huán)境得到有效改善，故能夠提高NH4+-N去除率。

圖6可以看出，曝氣潛流濕地對(duì)TN的去除率有明顯提升，提升幅度為3.94%。預(yù)曝氣改善潛流人工濕地內(nèi)部氧環(huán)境，促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而產(chǎn)生較多的硝態(tài)氮，濕地后段反硝化速率迅速提升，因此濕地TN去除率得到有效提升。

3 結(jié)語

（1）從脫氮方面考慮，潛流人工濕地采用多點(diǎn)布水，可有效改善濕地溶解氧分布，TN去除率提高約3%～5%，但不利于濕地除磷。

（2）低溫條件下，前段曝氣對(duì)潛流人工濕地脫氮效果改善最為明顯，能有效改善系統(tǒng)溶解氧環(huán)境，可使TN去除率提高15%左右。

（3）低溫條件下，進(jìn)水采用預(yù)曝氣處理后，潛流人工濕地溶解氧濃度得到有效提升，促使?jié)竦貎?nèi)部硝化、反硝化反應(yīng)效率提高，因此濕地NH4+-N和TN去除效果明顯提升。