人工濕地處理低污染水中硝氮的影響因素研究

代碧瑩，張丹，高俊，蘭書煥，李旭東，謝翼飛，王臣

(1.中國科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.四川省環(huán)境微生物重點實驗室，四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

氮素的大量排放，是誘導(dǎo)水體富營養(yǎng)化的主要原因之一[1]。根據(jù)氮形態(tài)學(xué)分析[2-3]，低污染水體中硝氮含量至少占無機(jī)氮總量的43.8%以上。因此，硝氮的去除也就成為了控制低污染水體中氮素的瓶頸。人工濕地處理技術(shù)具有成本低、處理效率高等優(yōu)點，在低污染水處理中得到廣泛關(guān)注[4-6]。但大多數(shù)研究者僅注重單一溫度下人工濕地運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化及效果的考察[7-8]，而針對不同溫度下最佳運(yùn)行參數(shù)的研究還比較少。因此，本文以污水處理廠尾水為研究對象，構(gòu)建水平潛流人工濕地，研究其脫氮性能，獲得人工濕地在常溫、低溫下最佳脫氮運(yùn)行參數(shù)，為后期工程應(yīng)用提供參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)計

本實驗選用水平潛流人工濕地(圖1)，人工濕地的長、寬、高分別為2 300,600,1 000 mm，其中布水區(qū)和集水區(qū)的長、寬、高均分別為600,400,1 000 mm，填料區(qū)長、寬、高分別為1 500,600,1 000 mm，填料區(qū)基質(zhì)從下往上依次是390 mm厚的火山石層、250 mm厚的鵝卵石層、50 mm厚的粗砂層、150 mm厚的種植土層，運(yùn)行水深650 mm。種植層上種植可以凈化水質(zhì)的蘆葦和菖蒲，其中蘆葦每平方米人工濕地種植13株、菖蒲每平方米人工濕地種植20株。

1.2 實驗方法

本實驗選擇四川省成都市某城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池出水作為處理對象，該污水處理廠執(zhí)行《岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 51/2311—2016)，其出水要求化學(xué)需氧量(CODCr)濃度<30 mg/L，氨氮濃度<1.5 mg/L，總氮濃度<10 mg/L。經(jīng)實際檢測，該二沉池實驗期間出水CODCr濃度為13.72 mg/L，氨氮平均濃度為0.71 mg/L，硝氮平均濃度為6.67 mg/L，總氮平均濃度為7.72 mg/L，碳氮比為1.78。硝氮濃度檢測采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)。

1.2.1 不同CODCr添加量對硝氮去除效果的影響 采用1.1節(jié)中所述實驗裝置，在水力負(fù)荷為0.51 m3/(m2·d)、平均水溫26.4 ℃的條件下，通過蠕動泵向人工濕地內(nèi)流加碳源(無水乙酸鈉)溶液。當(dāng)人工濕地進(jìn)入1 L待處理的水，就分別向4個人工濕地內(nèi)分別添加與15，30，45，60 mg CODCr當(dāng)量的無水乙酸鈉溶液，并以不添加碳源(0 mg/L CODCr)作為對照組。分別監(jiān)測進(jìn)水與出水中硝氮的濃度。

1.2.2 不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果的影響 采用1.1節(jié)中所述實驗裝置，在平均水溫21.9 ℃、1.2.1節(jié)中最佳CODCr添加量的條件下，調(diào)節(jié)每個人工濕地的進(jìn)水量，使其水力負(fù)荷分別達(dá)到0.51，0.77，1.03，1.28 m3/(m2·d)，并分別監(jiān)測進(jìn)水與出水中硝氮的濃度。

1.2.3 低溫下不同掛膜方式對硝氮去除效果的影響 本節(jié)采用350 L調(diào)節(jié)池串聯(lián)1.1節(jié)中所述實驗裝置開展實驗。首先，將120個直徑為100 mm的懸浮球填料置于350 L的調(diào)節(jié)池內(nèi)，一種是通過添加反硝化菌劑讓其在懸浮球上形成反硝化生物膜，稱之為人工掛膜；另一種是不添加任何菌劑讓其自然形成反硝化生物膜，稱之為自然掛膜。掛膜后將其與人工濕地串聯(lián)共同處理水體中的硝氮。兩裝置串聯(lián)后，在平均水溫6.6 ℃、水力負(fù)荷為0.77 m3/(m2·d)，1.2.1節(jié)中最佳CODCr添加量的條件進(jìn)行實驗，并分別監(jiān)測進(jìn)水與出水中硝氮的濃度。

1.2.4 低溫下不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果的影響 同1.2.3節(jié)，此次將反硝化菌劑投加到1.1節(jié)所述人工濕地內(nèi)進(jìn)行人工掛膜后，分別考察其在低溫下不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果的影響。其實驗條件為：平均水溫6.5 ℃、1.2.1節(jié)中最佳CODCr添加量的條件下進(jìn)行，其中人工濕地運(yùn)行至41～46 d時水溫為3～5 ℃。此階段設(shè)置0.77 m3/(m2·d)和1.28 m3/(m2·d)兩個水力負(fù)荷條件，并分別監(jiān)測進(jìn)出水中硝氮的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同CODCr添加量對硝氮去除效果的影響

以污水處理廠尾水、農(nóng)田退水等為代表的低污染水中碳氮比較低、可生化性差，這將會限制反硝化作用主要因素，如本實驗用水碳氮比僅為1.78。研究表明水體中碳氮比大于6時，則認(rèn)為反硝化碳源充足，否則需要額外補(bǔ)充碳源[6,9]。由圖2a可知，進(jìn)水中硝氮濃度在6～7 mg/L之間，在僅考慮硝氮去除的情況下至少需要消耗36～42 mg/L的CODCr。也就是說在進(jìn)水CODCr為13.72 mg/L的條件下，至少需要額外補(bǔ)充22～28 mg/L的CODCr才能滿足反硝化的需求。由圖2b可知，在僅通過人工濕地處理(0 mg/L CODCr)時，硝氮去除率在10.49%～36.60%之間。當(dāng)通過向人工濕地布水區(qū)滴加碳源溶液時，硝氮去除率隨著CODCr添加量的增加而增加。當(dāng)CODCr添加量為15 mg/L時，硝氮去除率在37.86%～83.18%；當(dāng)CODCr添加量為30，45，60 mg/L時，出水中硝氮均可被完全去除，去除率達(dá)到100%?？紤]到碳源添加量越多所需成本就越高，因此以硝氮剛好被完全去除為篩選條件，選擇30 mg/L CODCr作為最佳碳源添加量。

2.2 不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果的影響

水力負(fù)荷的大小也是影響人工濕地脫氮的因素之一，其主要是通過影響濕地內(nèi)基質(zhì)、植物、微生物對水體中污染物的吸附效率及作用時間，從而影響到人工濕地對污染物的去除效果[10]。圖3為不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果的影響。

由圖3可知，當(dāng)進(jìn)水中硝氮濃度為3～8 mg/L，CODCr添加量為30 mg/L時，在水力負(fù)荷為0.51 m3/(m2·d) 的條件下，前期由于池內(nèi)換水速率較慢，導(dǎo)致出水硝氮濃度較高。但隨著反硝化作用的進(jìn)行尾水中的硝氮逐漸被去除，在第4 d時硝氮去除率可高達(dá)99.39%，在連續(xù)運(yùn)行18 d后尾水中硝氮可完全被穩(wěn)定去除。同樣的水力負(fù)荷為0.77，1.03，1.28 m3/(m2·d)的條件下，連續(xù)運(yùn)行18 d后，人工濕地達(dá)到穩(wěn)定，尾水中硝氮也被完全去除。這就證明在投加30 mg/L CODCr的條件下，0.51～1.28 m3/(m2·d)之間的水力負(fù)荷變化對該人工濕地系統(tǒng)去除硝氮的效果影響不大。

2.3 低溫下不同掛膜方式對硝氮去除效果的影響

溫度是影響人工濕地脫氮的另一主要因素，其不僅可以降低基質(zhì)的水力傳遞效率，同時也會降低人工濕地內(nèi)植物及微生物細(xì)胞的膜滲透性、減弱細(xì)胞對氮素等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝速率，從而限制人工濕地對污染物的降解效率[11-12]。圖4為不同掛膜方式對低溫(平均水溫6.6 ℃)下硝氮去除效果的影響。

由圖4a可知，當(dāng)進(jìn)水硝氮濃度為5.53～8.51 mg/L 時，在低溫條件(自然掛膜)下，人工濕地對硝氮有一定的去除，但效果不穩(wěn)定，出水中硝氮濃度在0～1.17 mg/L之間波動，其硝氮去除效果要明顯差于相同水力負(fù)荷下常溫時硝氮的去除效果。有研究表明，通過向濕地系統(tǒng)內(nèi)投加微生物菌劑可以提高濕地內(nèi)功能微生物的數(shù)量、優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化濕地系統(tǒng)的抗負(fù)荷沖擊能力及穩(wěn)定性[13]。由圖4b可知，通過人工掛膜后，人工濕地對硝氮的去除率均在98%以上，硝氮出水濃度在0.1 mg/L 以下，硝氮去除效果較為穩(wěn)定。由此可證明，人工掛膜系統(tǒng)較自然掛膜系統(tǒng)更能適應(yīng)低溫環(huán)境，人工掛膜有助于提高濕地系統(tǒng)在低溫下對硝氮的去除。

2.4 低溫下不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果的影響

鑒于人工掛膜有助于提高人工濕地在低溫下對硝氮的去除效果，因此本節(jié)利用經(jīng)過人工掛膜后的人工濕地系統(tǒng)，考察低溫(平均水溫6.5 ℃)下不同水力負(fù)荷對人工濕地硝氮去除效果的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，當(dāng)進(jìn)水硝氮濃度5.53～10.09 mg/L 時，在水力負(fù)荷為0.77 m3/(m2·d)的條件下，該人工系統(tǒng)經(jīng)過短暫的適應(yīng)后，可一直將出水中硝氮保持較低的濃度(<0.1 mg/L)，硝氮去除率穩(wěn)定在96.59 %以上。而當(dāng)水力負(fù)荷提高至1.28 m3/(m2·d)時，出水硝氮濃度開始略有波動，硝氮去除率在58.54～99.35%之間；在第41～46 d時，由于水溫進(jìn)一步降低(3～5 ℃)，硝氮去除效果受到顯著影響，如在44 d時硝氮去除率僅有6.57%，這與低溫將會抑制微生物的活性，當(dāng)溫度低于5 ℃時，反硝化速度非常小相關(guān)[9]。但在46 d之后，隨著水溫的升高，硝氮出水濃度逐漸降低，硝氮去除率逐漸升高。

3 結(jié)論

(1)通過對碳源添加量的優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)添加碳源可有助于強(qiáng)化人工濕地對硝氮的去除。本實驗進(jìn)水硝氮平均濃度為6.67 mg/L，當(dāng)碳源添加量在0～30 mg/L CODcr時，硝氮去除率隨著碳源添加量的增加，在投加30 mg/L CODcr時硝氮去除率達(dá)到100%。

(2)本實驗通過投加反硝化菌劑對濕地進(jìn)行人工掛膜，研究表明其相對于自然掛膜組能較快適應(yīng)低溫環(huán)境，并具有較好且穩(wěn)定的硝氮出水效果。

(3)在添加30 mg/L CODcr的條件下，研究了常溫(15～30 ℃)和低溫(<15 ℃)時不同水力負(fù)荷對硝氮去除效果影響。研究表明該人工濕地系統(tǒng)在常溫條件下，0.51～1.28 m3/(m2·d)之間的水力負(fù)荷變化對硝氮去除效果影響不顯著，運(yùn)行穩(wěn)定后硝氮去除率均能達(dá)到100%；而在低溫條件下，人工掛膜后的濕地系統(tǒng)最大水力負(fù)荷為0.77 m3/(m2·d)，當(dāng)水力負(fù)荷為1.28 m3/(m2·d)時硝氮出水效果不穩(wěn)定，并且隨著溫度的進(jìn)一步驟降，硝氮去除率也顯著降低。

綜上所述，在常溫下本文所述人工濕地系統(tǒng)處理含6.67 mg/L左右硝氮的低污染水體時，其最佳CODCr添加量為30 mg/L，污水水力負(fù)荷可達(dá)1.28 m3/(m2·d)；而低溫條件下，可通過人工掛膜

的方式提高濕地系統(tǒng)的抗沖擊能力及穩(wěn)定性，此時系統(tǒng)最大水力負(fù)荷為0.77 m3/(m2·d)。由此獲得該水平潛流人工濕地在常溫、低溫下處理硝氮的影響因素及運(yùn)行參數(shù)，為實現(xiàn)該濕地系統(tǒng)處理低污染水體中硝氮的工程應(yīng)用提供參考價值。