不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)應(yīng)用于生活污水除氮效果研究

何興漾，劉云根，李衛(wèi)東

(1.云南智捷環(huán)保科技有限公司，云南 文山 663000；2.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，云南 昆明 650224)

人工濕地系統(tǒng)是20世紀(jì)50年代[1]以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種生態(tài)工程技術(shù)手段,現(xiàn)在已作為一種低投入、高效率、易維護(hù)的生態(tài)工程設(shè)施在世界各地廣泛應(yīng)用于日常生活污水、農(nóng)牧業(yè)廢水及富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的凈化處理。人工濕地系統(tǒng)中的厭氧沉淀塘、垂直潛流濕地、水平潛流濕地、表流濕地、生態(tài)景觀塘等單元對(duì)生活污水中氮素的去除起到不同的作用[2]。作為傳統(tǒng)的生活污水處理工段，厭氧沉淀池已廣泛應(yīng)用于污水處理的預(yù)處理工段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的初步沉淀[3]。隨著人工濕地技術(shù)的不斷發(fā)展，厭氧沉淀塘已逐步應(yīng)用于人工濕地污水處理過(guò)程[4]；表流濕地和潛流濕地已成為構(gòu)建人工濕地污水處理系統(tǒng)的主要單元[5-6]，其形成一個(gè)獨(dú)特的土壤—植物—微生物生態(tài)系統(tǒng), 具有良好的污染物去除效果[7]。濕地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)植物的營(yíng)養(yǎng)吸收[8]、氧氣的輸入[9]、土壤的吸附[10]、反應(yīng)沉淀[11]和微生物的硝化[12]、反硝化等作用[13]達(dá)到對(duì)污水中氮的去除目的。本研究通過(guò)構(gòu)建不同工藝組合的人工濕地系統(tǒng)，并應(yīng)用于生活污水氮素處理，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)生活污水氮素處理的強(qiáng)化人工濕地工藝組合。

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為比較不同工藝組合的人工濕地系統(tǒng)對(duì)農(nóng)村污水處理效果的差別，本研究以厭氧沉淀塘、不同潛流濕地、表流濕地、生態(tài)景觀塘為單元，設(shè)計(jì)了4種不同工藝組合的人工濕地模擬系統(tǒng)應(yīng)用到生活污水處理過(guò)程，具體結(jié)構(gòu)如圖1～圖4。其中：沉淀塘尺寸：2.5m×2m×1m；垂直潛流濕地尺寸：10m×3m×1.5m；水平潛流濕地尺寸：10m×3m×0.6m；表流濕地尺寸：8m×2m×0.3m；生態(tài)景觀塘尺寸：4m×3m×2m。垂直潛流濕地自下而上分別鋪設(shè)3～5cm粒徑的碎石(30cm厚度)，5～8cm粒徑的陶粒(40cm厚度)，5～10mm粒徑的粘土(40cm厚度)。水平潛流濕地自下而上鋪設(shè)3～5cm粒徑的碎石(20cm厚度)，5～10mm粒徑的粘土(20cm厚度)。表流濕地自下而上鋪設(shè)3～5cm粒徑的碎石(10cm厚度)，5～10mm粒徑的粘土(10cm厚度)。各濕地系統(tǒng)單元種植濕地植物為：厭氧沉淀塘種植鳳眼蓮；垂直潛流濕地、水平潛流濕地和表流濕地的前半段分別種植茭草，后半段分別種植菖蒲，種植密度為：20×20cm；生態(tài)景觀塘種植金魚(yú)藻和睡蓮。

1.2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

本模擬實(shí)驗(yàn)研究模型不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)位于西南林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，以西南林業(yè)大學(xué)生活污水作為實(shí)驗(yàn)研究原水，實(shí)驗(yàn)原水水質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)周期、頻率及因子

本實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始于2017年4月并持續(xù)到2018年3月，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期定期取樣測(cè)定進(jìn)、出水中的NH4-N 和TN濃度,同時(shí)監(jiān)測(cè)pH、溫度、溶解氧、BOD5、硝氮等指標(biāo)。NH4-N和TN的測(cè)定方法采用水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法中的鈉氏試劑分光光度法和堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[14]。

表1 人工濕地系統(tǒng)污水處理實(shí)驗(yàn)原水水質(zhì) (mg/L)

2 結(jié)果與討論

連續(xù)一年的試驗(yàn)研究反映了不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中氨氮和總氮的去除效率。由試驗(yàn)結(jié)果可知，各工藝組合人工濕地系統(tǒng)在經(jīng)歷試驗(yàn)運(yùn)行開(kāi)始階段的除氮效果較差后均呈現(xiàn)出較好的除氮效果和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)，不同季節(jié)的氣溫、光照強(qiáng)度等因素對(duì)各人工濕地系統(tǒng)除氮效果影響較大。詳見(jiàn)表2。

2.1 不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水除氮效果分析

圖5和圖6不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中氨氮和總氮去除效果及隨月份變化趨勢(shì)表明，不同工藝組合的人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中氨氮和總氮去除效果差異較大，總體呈現(xiàn)出對(duì)氨氮的去除效果好于總氮。各濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮和總氮的去除率隨月份變化趨勢(shì)基本一致，各人工濕地系統(tǒng)在植物生長(zhǎng)旺盛期和微生物繁殖適宜期的6—9月氨氮和總氮的去除效果較好；而從深秋到冬季的10月—次年2月，各人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮和總氮的去除效果均呈現(xiàn)出效果較差的水平；另外，在試驗(yàn)研究的初期，各人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮和總氮的去除效果均較差。

表2 不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中氮的去除效果

2.2 不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中除氮機(jī)理分析

濕地系統(tǒng)中氮的去除機(jī)理是多樣的,包括揮發(fā)、氨化、硝化/ 反硝化、植物攝取和基質(zhì)吸附等,其中,微生物的硝化/反硝化作用被認(rèn)為是濕地脫氮的主要途徑[15-16]。不同類(lèi)型的濕地其脫氮的機(jī)理有所側(cè)重，脫氮效率也相差較大。圖5和圖6所示一年中不同月份不同人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮和總氮的去除效果曲線(xiàn)表明，6—9月份的盛夏和初秋時(shí)節(jié)的氣候條件使?jié)竦刂参锏纳L(zhǎng)和濕地微生物的新陳代謝處于最好狀態(tài)，從而確保了濕地植物對(duì)污水中氨氮和總氮的吸收和濕地微生物對(duì)氨氮和總氮的氨化、硝化、反硝化，使除氮的功能作用明顯，最終使得各人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中氨氮和總氮的去除效果最好，分別為68.75%～82.46%和63.28%～88.46%。此外，此時(shí)期的高氣溫也對(duì)氨氮的揮發(fā)起到了促進(jìn)作用，從而有利于氮的去除。而進(jìn)入11月—次年2月份的深秋和冬季，由于氣溫較低，各種常見(jiàn)的濕地植物生長(zhǎng)處于枯萎、凋落和停止期，濕地微生物處于新陳代謝的緩慢期或冬眠期，從而使得污水處理過(guò)程中的濕地植物吸收和微生物氨化、硝化、反硝化等作用明顯減弱，使得各人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中氨氮和總氮的去除效果明顯降低，僅為33.46～57.23%和12.32～36.72%。

濕地植物生長(zhǎng)旺盛和微生物新陳代謝頻繁的時(shí)期，各人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮和總氮的去除效果好，而在濕地植物生長(zhǎng)的凋落、停止期和微生物新陳代謝緩慢、休眠期內(nèi)，各人工濕地對(duì)氨氮和總氮的去除效果差，這種規(guī)律說(shuō)明了人工濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮和總氮去除起主要作用的是濕地微生物的氨化、硝化、反硝化和濕地植物的吸收攝取。

2.3 不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中除氮效果差異分析

圖5和圖6曲線(xiàn)表明，不同工藝組合的人工濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水中氨氮和總氮的去除效果差別較大，總體呈現(xiàn)出氨氮去除效果CW4>CW1>CW2≈CW3,總氮去除效果CW4>CW3≈CW2>CW1。其中CW4對(duì)氨氮和總氮的去除效果分別為52.23%～82.46%和38.72%～88.46%，CW3對(duì)氨氮的去除效果為33.46%～67.42%，CW1對(duì)總氮的去除效果為12.32%～61.43%。垂直潛流+水平潛流的CW1系統(tǒng)的構(gòu)建為生活污水與人工濕地系統(tǒng)充分接觸與反應(yīng)提供了重要場(chǎng)所，能有效滿(mǎn)足濕地基質(zhì)對(duì)污水中有機(jī)顆粒氮的截留和攔截；同時(shí)濕地微生物在不同單元構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)中形成了好氧、厭氧和缺氧的不同人工濕地功能區(qū)，從而為微生物的氨化、硝化、反硝化等過(guò)程提供了棲息地，濕地微生物通過(guò)不同的生化過(guò)程完成對(duì)污水中各種形式的氮的轉(zhuǎn)化、吸收、揮發(fā)，以達(dá)到污水除氮的目的；另外，濕地植物對(duì)污水中氮的吸收攝取效果也較明顯。

2.4 不同季節(jié)對(duì)工藝組合人工濕地系統(tǒng)生活污水除氮效果影響

如圖7和圖8所示，不同人工濕地系統(tǒng)在不同季節(jié)內(nèi)對(duì)生活污水中氨氮和總氮的去除效果差別明顯。各人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中氨氮和總氮的去除效果夏季較好，秋季達(dá)到氨氮和總氮污染去除高峰，污染去除效果最好的為CW4系統(tǒng)，對(duì)氨氮和總氮去除率分別達(dá)到88.45%和76.87%；而進(jìn)入冬季，各人工濕地系統(tǒng)對(duì)污水中氨氮和總氮的去除效果最差，對(duì)氨氮去除效果最差的為CW1系統(tǒng)，去除率為19.28%，對(duì)總氮去除效果最差的為CW3系統(tǒng)，去除率為11.46%。

在夏季和秋季，特別是初秋季節(jié)，氣溫處于一年當(dāng)中的最高值，可達(dá)28～33℃，光照強(qiáng)度充足，整個(gè)氣候處于高溫、炎熱的狀態(tài)，這種客觀條件給濕地植物的生長(zhǎng)提供了最好的條件。在此期間，各濕地植物生長(zhǎng)較快，對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物的需求處于最高值，從而為實(shí)現(xiàn)濕地植物對(duì)污水中N的去除提供了實(shí)現(xiàn)條件和可行性；同時(shí)濕地微生物在此期間的新陳代謝和繁殖較快，各微生物的活性處于一年當(dāng)中最活躍時(shí)期，從而使不同濕地微生物得以有效進(jìn)行好氧和厭氧的氨化、硝化、反硝化等作用。進(jìn)入冬季后，由于氣溫較低，僅為2～8℃，光照強(qiáng)度較弱，從而導(dǎo)致此期間各濕地植物生長(zhǎng)處于停滯、凋落階段，植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求有限，最終反映為對(duì)污水中氨氮和總氮的去除效果極為有限；同時(shí)濕地微生物在此期間的活性較差，新陳代謝較為緩慢，部分微生物處于生長(zhǎng)的停滯和休眠狀態(tài)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中各種形式的氮的氨化、硝化、反硝化等作用，最終限制了濕地微生物對(duì)生活污水中氮的降解、轉(zhuǎn)化、去除作用。從各人工濕地系統(tǒng)在冬季的污水除氮效果僅為夏季和秋季的1/4～1/5的水平可以看出，濕地植物和濕地微生物對(duì)各人工濕地系統(tǒng)的污水除氮效果影響明顯。

3 結(jié)論

(1)在各工藝組合人工濕地系統(tǒng)建立初期，由于各系統(tǒng)運(yùn)行尚未正常，尤其是濕地植物的生長(zhǎng)處于適應(yīng)狀況，微生物新陳代謝并未完全形成，同時(shí)建立初期的人工濕地系統(tǒng)中由于基質(zhì)的選擇可能帶來(lái)部分氮素物質(zhì)或成分向水中釋放，從而導(dǎo)致各系統(tǒng)對(duì)生活污水氨氮和總氮去除效果均處于較差水平。

(2)各人工濕地系統(tǒng)連續(xù)一年的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，CW4對(duì)生活污水中氨氮去除效果最好，而CW2和CW3去除效果最差；CW4對(duì)生活污水中總氮去除效果最好，而CW1去除效果最差；總體呈現(xiàn)出CW4對(duì)污水中氮的去除效果最好。

(3)不同季節(jié)對(duì)各人工濕地系統(tǒng)的除氮效果影響較大，都呈現(xiàn)出秋季除氮效果較好，冬季效果較差，不同季節(jié)對(duì)各系統(tǒng)對(duì)污水總氮和氨氮去除效果影響程度基本一致。