微曝氣強化人工濕地處理生活污水試驗研究

翟俊，李岳

(重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045)

人工濕地作為一種高效、低成本的污水處理技術(shù)而備受關(guān)注，其主要通過濕地內(nèi)植物、基質(zhì)以及微生物的復(fù)雜物理、化學和生物過程來達到污水凈化的效果[1-2]。研究表明，人工濕地對污水中的懸浮顆粒和有機物的去除率可達到80%以上[3-4]。

然而，由于傳統(tǒng)人工濕地主要通過植物以及自然復(fù)氧，氧氣傳輸速率極低，造成人工濕地對N、P營養(yǎng)元素的去除效率不高[5]，同時，占地面積也較大。研究表明，雖然目前垂直流人工濕地的氧氣傳輸速率(17～25 g/m2d[6])與水平潛流濕地(氧氣傳輸速率1～8 g/m2d[7-8])相比更高，但仍無法滿足濕地系統(tǒng)中碳氧化和硝化等微生物過程對氧氣的要求。Ye等[9]發(fā)現(xiàn)垂直流人工濕地對N等營養(yǎng)元素的去除率仍很低，僅30%～40%左右。研究表明，增設(shè)曝氣系統(tǒng)提高人工濕地污染物去除率是一種可行的方法。馬劍敏等[10]研究了曝氣對垂直流和水平潛流人工濕地對污染物去除的影響，發(fā)現(xiàn)曝氣顯著提高了COD、TN、NH和NH3—N的去除效率。Fan等[11]在間歇曝氣的條件下，發(fā)現(xiàn)潛流人工濕地可以高效去除污染物，其COD、NH3—N和TN去除率與未曝氣相比分別提高了12%、71%和52%。然而，目前該方面研究通常僅探討了曝氣人工濕地處理污水的效能，并未詳細考察污染物沿程的去除規(guī)律，且大部分研究將人工濕地作為污水處理廠的后處理或者在人工濕地系統(tǒng)前端外接預(yù)處理構(gòu)筑物，而對實際高濃度生活污水的處理效果研究較少。

筆者在傳統(tǒng)垂直流人工濕地中增加微曝氣系統(tǒng)，研究了不同氣水比和溫度條件下人工濕地處理生活污水的效能及污染物沿程去除規(guī)律，以期為微曝氣人工濕地的相關(guān)研究和設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 生活污水來源及水質(zhì)特征

污水來源為重慶大學學生宿舍污水，該污水未經(jīng)化糞池，只經(jīng)過沉淀池沉淀后直接通過水泵進入人工濕地處理系統(tǒng)，污水水質(zhì)見表1。

表1 人工濕地進水水質(zhì)Table 1 The influent water quality of constructed wetland

1.2 試驗裝置

采用的曝氣系統(tǒng)為微量曝氣系統(tǒng)，曝氣量較傳統(tǒng)曝氣減少約50%。圖1為采用微曝氣復(fù)合人工濕地系統(tǒng)，主要包括調(diào)節(jié)池、垂直流濕地主體、曝氣系統(tǒng)、填料和植物。設(shè)立A、B兩組系統(tǒng)，每組微曝氣濕地由直徑為1.3 m、高為1.5 m的3個加厚型塑料水桶串連組成，其有效水深為1 m。以普通碎石作為基質(zhì)填料，粒徑為1～2 cm，孔隙率為50%，每個塑料桶填充有1.1 m厚的礫石基質(zhì)層。各桶均設(shè)取樣口(A1～A9、B1～B9)，水管位于桶底呈“王”字型排布，通過控制相應(yīng)閥門調(diào)整桶內(nèi)流態(tài)為下進上出。僅在第2濕地系統(tǒng)添加曝氣裝置，曝氣采用穿孔曝氣管，距水面1 m呈“王”字型排布，管徑DN25，曝氣孔孔徑2～4 mm，孔間距1 cm，試驗裝置實物圖如圖2所示。A、B兩組系統(tǒng)濕地植物分別采用風車草(CyperusalternifoliusL.)和黃花鳶尾(IriswilsoniiC.H.Wright)，風車草取自于白市驛清河污水處理廠，黃花鳶尾購于花卉市場。

圖1 微曝氣人工濕地系統(tǒng)裝置圖Fig.1 The micro-aerated hybrid constructed wetland

圖2 微曝氣人工濕地系統(tǒng)實物圖Fig.2 The physical map of micro-aerated hybrid constructed wetland

1.3 裝置運行策略及水質(zhì)分析方法

微曝氣人工濕地采用連續(xù)流進水，裝置水力停留時間4 d，進水流量21.08 L/h，曝氣方式為連續(xù)曝氣，不設(shè)置回流，每兩天于8:00—10:00取水樣進行分析測定DO、溫度、pH、COD、TN、氨氮、亞硝氮、硝氮以及TP。測定方法均參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[12]。有機氮濃度由TN濃度與無機氮(氨氮、亞硝氮、硝氮)濃度相減所得。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣水比對垂直流人工濕地去除污染物的影響

2.1.1 COD的去除 圖3為濕地系統(tǒng)出水COD濃度以及去除率隨曝氣量增加的變化情況。曝氣顯著增加了人工濕地對有機物的去除效果，隨著曝氣量的增加，A、B兩組COD去除率從未曝氣條件下的76.5%(A組)和79.1%(B組)穩(wěn)步增加到92.7%(A組)和93.6%(B組)。此外，黃花鳶尾組與風車草組的COD去除效率在各氣水比條件下差異較小。一般來說，人工濕地對有機物的去除可通過基質(zhì)過濾與截留、沉淀以及微生物降解等過程協(xié)同完成，但從動力學來看，微生物的降解速率遠大于其他物理效應(yīng)，因此，有機物在好氧條件下去除的速率更快。

圖3 不同氣水比對COD去除的影響Fig.3 The effects of different gas-water ratios on COD removal

許多研究也發(fā)現(xiàn)了曝氣顯著增強了人工濕地去除有機污染物的能力。Dong等[13]研究發(fā)現(xiàn)了垂直流人工濕地在連續(xù)曝氣的條件下COD去除率較未曝氣提高了約15%。Fan等[11]研究了表面流人工濕地在間歇曝氣與不曝氣條件下污染物的去除狀況，與未曝氣相比間歇曝氣的策略使得濕地COD去除率提高了13%。

2.1.2 除磷 圖4為不同氣水比條件下系統(tǒng)TP的去除情況。與COD相似，黃花鳶尾組去除效率略優(yōu)于風車草組，且TP去除率隨著曝氣量的增加而上升。在未曝氣的情況下濕地TP出水濃度高達2 mg/L左右(A、B兩組相應(yīng)去除率為59.4%和61.6%)，而隨著氣水比的升高，出水濃度逐漸降低，當氣水比升高到4∶1時，出水TP濃度降低至1.2 mg/L(A組)和1.1 mg/L(B組)，此時去除率為78.1%(A組)和80.0%(B組)。由于曝氣直接增加了濕地的溶解氧濃度，曝氣使系統(tǒng)除磷能力提高，使得聚磷菌在好氧條件下過量吸收磷，此外，也有研究表明，溶解氧也能促進磷對底物的吸附和沉淀。Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與沒有曝氣相比，添加了曝氣系統(tǒng)的人工濕地對TP的去除率從3.5%提高到70%左右，且去除率在時間跨度上表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。

圖4 不同氣水比對TP去除的影響Fig.4 The effects of different gas-water ratios on TP removal

雖然曝氣可以增強系統(tǒng)對磷的去除，但對于連續(xù)流反應(yīng)器來說，其各斷面TP濃度在水流方向逐漸減小，在濃度差異驅(qū)動下基質(zhì)對磷的吸附會減弱。所以，這是傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器TP去除率無法進一步提高的根本原因。普遍來看，傳統(tǒng)連續(xù)流反應(yīng)器對磷的去除效率維持在40%～80%之間[14]，主要隨著反應(yīng)器進水TP濃度波動。雖然TP去除率(60%～80%)處于較高水平，但從出水TP來看，即使氣水比高達4∶1，其TP出水濃度(>1.0 mg/L)仍未達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準(1.0 mg/L)。

2.1.3 脫氮 污水處理系統(tǒng)氮元素的去除主要包括微生物的氨化、硝化和反硝化及厭氧氨氧化和植物的吸收作用[14]。由于研究的規(guī)模較小且植物數(shù)量有限，因此，植物的吸收作用可以忽略。另外，由于曝氣系統(tǒng)的存在，厭氧氨氧化細菌很難存活，研究中的濕地系統(tǒng)氮元素的去除主要以微生物的氨化、硝化和反硝化作用為主。

如圖5所示，在系統(tǒng)未曝氣時，由于各反應(yīng)器均處于缺氧狀態(tài)(DO<0.5 mg/L)，而缺少好氧/缺氧交替狀態(tài)，體系硝化和反硝化效率偏低，此時人工濕地的TN去除率較低僅為46.1%(A組)和52.1%(B組)。隨著曝氣量的增加，系統(tǒng)TN的去除率顯著提升，且在氣水比為3∶1時達到最高，TN去除率分別為75.0%(A組)和75.3%(B組)。再繼續(xù)增大曝氣量，TN去除率呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5 不同氣水比對各氮素去除的影響Fig.5 The effects of different gas-water ratios on nitrogen removal

曝氣能顯著影響依賴好氧的硝化作用，隨著氣水比的升高，人工濕地出水氨氮濃度持續(xù)下降，當氣水比為3∶1時，出水氨氮僅為1.85 mg/L(A組)和1.32 mg/L(B組)，而在未曝氣時出水氨氮高達35.5 mg/L(A組)和29.2 mg/L(B組)。Ouellet-Planmondon等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在對水平潛流人工濕地曝氣后，曝氣口處的可溶性氨氮較對照組(未曝氣)少，濕地末端硝氮含量與對照組沒有顯著差異。這說明人工濕地在曝氣的情況下通過提高硝化反應(yīng)提升了系統(tǒng)的TN去除效率。

與Ouellet-Planmondon等的研究不同的是，筆者發(fā)現(xiàn)，過量的溶解氧會嚴重影響人工濕地后部反硝化過程的進行。由圖5可見，隨著曝氣量的增加，反應(yīng)器出水硝態(tài)氮以及亞硝態(tài)氮發(fā)生累積。未曝氣時出水亞硝氮和硝氮濃度占總氮濃度的1%左右，氣水比達4∶1時高達70%。傳統(tǒng)污水生物處理中的氮素去除依賴厭氧條件下的反硝化過程。監(jiān)測體系內(nèi)部溶解氧顯示，當氣水比為4∶1時，第3濕地下部進水DO高達2.0 mg/L，嚴重破壞了其厭氧環(huán)境，從而抑制微生物反硝化的過程進行使得出水亞硝氮和硝氮的累積。

因此，合適的氣水比是微曝氣人工濕地保持高效率去除氮素污染物的基礎(chǔ)，過低無法達到去除預(yù)期，而過高會影響系統(tǒng)的反硝化效率，筆者以氣水比3∶1作為最優(yōu)條件進行后續(xù)試驗。

2.2 溫度對垂直流人工濕地去除污染物的影響

前述研究表明，當氣水比為3∶1時，濕地對污染物的去除效率最高。選取最佳氣水比3∶1作后續(xù)研究條件。由于季節(jié)溫度變化對人工濕地系統(tǒng)對污染物的凈化影響較明顯，監(jiān)測比較了該人工濕地在6月(溫度22～25 ℃)和12月(溫度9～11 ℃)兩月的運行情況，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度對微曝氣人工濕地的影響Fig.6 The effects of temperature on micro-aerated hybrid constructed wetland

由圖6可以看出，溫度對系統(tǒng)去除污染物效率影響較顯著，尤其以脫氮除碳較為明顯。與高溫時候相比，低溫出水COD和TN濃度分別升高了15 mg/L(A組COD)、23 mg/L(B組COD)和3.84 mg/L(A組TN)、5.54 mg/L(B組TN)，相應(yīng)去除率下降了6.37%(A組COD)、9.99%(B組COD)和6.20%(A組TN)、8.99%(B組TN)，雖然低溫TP出水濃度較高溫升高了4.9 mg/L(A組)、4.5 mg/L(B組)但其去除率僅降低了1.75%(A組)和1.94%(B組)，表明溫度對TP影響較小。溫度影響微生物的生長速率，進而對污染物去除率產(chǎn)生影響。從低溫和高溫的出水氨氮濃度的差異以及硝氮濃度的相近可以看出，溫度對總氮的去除主要影響硝化過程。對于不同植物來說，風車草組對溫度的影響沒有黃花鳶尾組明顯，其對低溫的適應(yīng)能力更強一些，因此，部分低溫地區(qū)的人工濕地可以多種植風車草。

2.3 最佳工況條件下微曝氣垂直流人工濕地污染物沿程去除規(guī)律

為了探究最佳氣水比條件下污染物的沿程去除規(guī)律，在最佳氣水比(3∶1)的條件下監(jiān)測了該濕地沿程的各污染物濃度。

圖7(a)為濕地在最佳氣水比下的沿程COD濃度變化。A1/B1至A3/B3取樣點為第1濕地，A4/B4至A6/B6取樣點為第2濕地，A7/B7至A9/B9取樣點為第3濕地。由圖可知，COD濃度沿程逐漸降低，COD濃度在第1與第2濕地的降解速率較快，6號取樣點COD去除率已達到73.2%(A組)和79.6%(B組)，占總COD去除的80%以上，而第3濕地對總COD去除僅貢獻了20%。焦義利等[16]比較了垂直流人工濕地采取起端曝氣和不曝氣的情況下對COD的去除情況，發(fā)現(xiàn)COD的去除集中發(fā)生在安置有曝氣器的底部，且與未曝氣相比，COD在反應(yīng)器底部的去除率提升了17%。值得注意的是，試驗中曝氣系統(tǒng)安裝于第2濕地，經(jīng)測量DO處于1.5～3 mg/L之間，而第1濕地DO小于0.5 mg/L，處于缺氧狀態(tài)，因此，有機污染物在第1濕地的去除主要以基質(zhì)的攔截作用為主。而第2濕地由于曝氣作用，溶解氧大于1.2 mg/L，此時，有機物在好氧細菌的作用下被快速分解。而當污水進入第3濕地時COD濃度已較低，去除效率不高。

濕地在最佳氣水比條件下的TP沿程去除情況如圖7(b)所示。可以看出，TP沿程濃度逐漸降低，且在第2濕地處下降最為明顯，約40%～45%的TP均在第2濕地去除，而第1、3濕地對TP的去除作用較小。污水處理系統(tǒng)中磷元素的去除主要通過聚磷菌、植物和基質(zhì)的吸收和吸附。Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)，TP去除速率隨著水流方向呈現(xiàn)降低的趨勢，其在曝氣口附近TP的去除較其他部分效率高。由此可以看出，TP主要通過聚磷菌在第2濕地的好氧條件下過量吸磷而得到去除的，第1、3濕地由于缺乏溶解氧，TP主要通過植物和基質(zhì)去除，去除效果較微生物作用低，僅占總體TP去除的20%左右。

圖7 氣水比3∶1時COD和TP的沿程變化Fig.7 The variation of COD and TP along the wetland in gas-water ratio of 3∶1

濕地氮元素的沿程分布及去除情況如圖8所示。氮素去除過程較復(fù)雜，整體來看，TN濃度沿程逐漸降低。第1濕地中TN去除主要以基質(zhì)吸附，植物吸收等作用為主，因此，TN去除效率較低，僅占總體的10%～14%，其隨濕地植物不同而波動。第2濕地是持續(xù)曝氣狀態(tài)，池體DO處于1.5～3 mg/L之間，氨氮去除、硝氮累積明顯，表明其中硝化反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。一般來說，DO會抑制反硝化細菌的生長，從而表現(xiàn)出較低的TN去除率，但在處于好氧條件下的第2濕地觀察到了較高的TN去除率，其TN去除占總體去除的75%～83%，具體隨植物不同而不同。有研究也發(fā)現(xiàn)了曝氣提高了TN去除率[17-18]，使得系統(tǒng)TN明顯減少。蒲帥等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當曝氣系統(tǒng)位于下層時，TN去除率比其位于中層和上層時的高。錢涌[18]發(fā)現(xiàn)，垂直流曝氣人工濕地TN去除在底部20 cm處就已去除完畢。試驗中的曝氣系統(tǒng)就是位于下層，因此，推測可能在系統(tǒng)中發(fā)生了好氧反硝化過程。此外，由于人工濕地基質(zhì)以及植物的存在，池體內(nèi)部流態(tài)較為復(fù)雜，造成DO分布不均，可能出現(xiàn)部分缺氧區(qū)域發(fā)生反硝化反應(yīng)，造成了TN的減少。第3濕地出水硝氮略有減少，雖然有反硝化過程，但由于COD和TN濃度僅42.0 mg/L(A組COD)、31.0 mg/L(B組COD)和14.9 mg/L(A組TN)、16.9 mg/L(B組TN)，系統(tǒng)處于碳源缺乏狀態(tài)，導(dǎo)致反硝化效率偏低，其TN去除僅占總?cè)コ实募s7%～12%，隨濕地植物不同而波動。

圖8 氣水比3∶1時氮素濃度的沿程變化Fig.8 The variation of nitrogen concentration along the wetland in gas-water ratio of 3∶1

3 結(jié)論

設(shè)計的微曝氣系統(tǒng)能夠有效提高人工濕地內(nèi)的C、N和P的去除效果。合理的氣水比是系統(tǒng)保持高效率去除污染物的基礎(chǔ)，過度的曝氣影響系統(tǒng)的反硝化過程，造成TN去除率的下降。在氣水比為3∶1的優(yōu)化條件下，濕地系統(tǒng)對COD、TN和TP的去除率分別為90.1%(A組)和91.0%(B組)、75.0%(A組)和75.3%(B組)、77.5%(A組)和80.3%(B組)。種植黃花鳶尾的濕地組在各氣水比的條件下的污染物去除率均略優(yōu)于風車草組。低溫對COD和TN的去除率影響顯著，而對TP的去除率影響相對較小。該人工濕地系統(tǒng)中COD、TP和TN的沿程去除特性具有相似規(guī)律，即在增設(shè)微曝氣裝置的第2濕地去除率最高。