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曝气气水比对人工湿地处理效果的影响 ＊ 钟秋爽 1 王世和 2 孙晓文 1 黄 娟 2 鄢 璐 2 1. 江苏省建设厅科技发展中心, 江苏 南京 210013; 2. 东南大学市政工程系, 江苏 南京 210096 摘要 从溶解氧角度出发, 考察了曝气气水比对人工湿地处理效果的影响。 选取气水比为 0、2、4、6、8、10、12 七种工艺 参数进行试验。 结果表明, 曝气可明显改善整个湿地的溶解氧水平及湿地的处理效果, 尤其是脱氮效果。 在气水比为 6 时, 人工湿地各污染物的去除率达到最大, COD 去除率为85 . 6, TP 去除率为 70. 9, TN 去除率为 83. 1, NH3-N 去 除率为 84. 2, 出水NO - 3-N 浓度最低, 为6 . 32 mg L。 关键词 人工湿地 曝气 气水比 溶解氧 处理效果 ＊国家自然科学基金项目 50278016 。 0 引言 人工湿地是一个复杂的多相系统, 作为一种生态 污水处理技术, 去除效率很大程度上受湿地中 DO 水 平的影响 [ 1-2] 。王宜明 [ 3] 认为 , 植物根系的泌氧是人 工湿地,尤其是潜流式湿地中污染物降解所需氧气量 的主要来源。但有些研究表明 ,根部的输氧作用对湿 地不起重要作用 , 大气的扩散也受湿地基质的阻滞。 实践和研究表明 ,从植物根部渗透的少量氧气相对于 城市污水在实际负荷所需要的氧气是微不足道的 [ 4] 。 张甲耀等 [ 5] 的研究结果也表明,潜流型人工湿地的充 氧能力较低。 1 材料与方法 1. 1 试验装置 本试验在水平流人工湿地上运行, 该人工湿地已 运行 3 年,其上栽种美人蕉 ,如图 1 所示 。 湿地为3. 3 m 1. 0 m 1. 0 m , 底面坡度为 1, 底部和四周为砖石结构砌筑, 并进行防渗处理 。湿地 分为配水区 、 处理区、集水区, 并以穿孔板分隔 ,防止 短流。采用 Z- 0025 6 型空气压缩机对人工湿地进行 曝气 ,曝气管管口设在湿地前端,沿湿地侧壁接出 ,以 软管连接曝气管和空气压缩机。曝气管管口距湿地 底层20 cm,距布水区后壁50 cm 。 图 1 人工湿地示意 1. 2 试验用水 原水采用南京某生活污水处理厂初沉池出水 ,水 质指标见表 1。 表 1 水质指标mg L COD BOD5 SS NH3-N TNNO- 3-N TP 150～ 350100 ～ 12080～ 26040～ 6845～ 907 . 5 ～ 12 . 5 3 . 1 ～ 6. 8 1. 3 试验方法 选取已处于稳定运行阶段的 3 块美人蕉湿地,试 验于2006年 79月进行,期间温度变化不大。其中 1 块不曝气,作为对照; 另外两块连续曝气, 分别在不同 工况下运行。3 块美人蕉湿地均保持5. 5 d的最佳水力 停留时间,进水量恒定,调节进气量的大小以调节气水 比。进气量用空气压缩机上的气体流量计控制。 参照一般城市污水处理厂曝气池运行参数,选取 2、 4、6、 8、10、12 六个气水比作为试验运行工况 ,每工 况运行30 d。 考察了不同工况下出水的 DO 、COD、 TN 、 NH3- N、 NO - 3-N、 TP 及各污染物的去除率。 2 结果与讨论 2. 1 气水比对出水 DO 的影响 图2 为在不同气水比下人工湿地出水 DO 浓度 的变化情况 。 由图2 可见 , 在无曝气时 气水比为 0 , 湿地出 水溶解氧质量浓度仅为0. 45 mg L ; 曝气后 ,出水溶解 氧质量浓度开始随气水比的升高而升高 ,当气水比 6 时, 溶解氧浓度曲线渐趋平缓 , 出水溶解氧质量浓 度基本维持在 0. 73～ 0. 8 mg L 。 分析认为 湿地内部整体处于缺氧状态, 随着曝 气量的增加 ,溶解氧开始在湿地内部出现积累现象, 导致出水溶解氧提高 ,但当湿地内溶解氧达到饱和状 42 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 图 2 气水比对出水 DO 的影响 态时 ,即使加大曝气量,溶解氧也不增加 ,出水溶解氧 也不再增加。这充分说明曝气强度过大不仅不能提 高处理效果,反而导致能源浪费 。同时也说明 ,曝气 很大程度上能够改善湿地内整体溶解氧水平 。 2. 2 气水比对 COD 及 TP 去除率的影响 COD及 TP 去除率随气水比的变化见图 3。 图 3 气水比对 COD 及 TP 去除率的影响 气水比影响到人工湿地 COD 及 TP 的去除率。 在气水比 6 时,COD 去除率随气水比的 增加反而降低。人工湿地进水中很大一部分溶解性 有机物首先被吸附于基质及可沉降颗粒表面而被截 留,进而被微生物降解。曝气时, 湿地内的微生物状 态开始发生改变 ,好氧微生物开始增多 , 而好氧微生 物降解有机物的速率较快 ,效率也较高 ,因此 COD 去 除率增幅较大 , 最大增长幅度达 15. 6。而较大的 曝气量虽然增加了湿地中的 DO, 但同时对湿地基质 产生一定的气液冲刷作用, 降低了基质的吸附量, 影 响了微生物对营养物质的利用, 所以出现 COD 去除 率降低。 由图 3可见,TP 去除率的变化规律同 COD 去除 率的变化规律相同, 在气水比 6 时 , 随气水比的增加而降低。 当曝气强度开始增加时, 湿地内氧环境开始发生变 化,局部区域逐渐由缺氧变为好氧, 此时聚磷菌对磷 的摄取量加大, 使得磷的过量积累得以完成 ,TP 去除 率也开始增加, 最大增长幅度达 14. 6; 但当曝气强 度过大时, 对湿地基质产生一定的冲刷作用 ,依靠物 理化学作用吸附于基质上的磷酸根沉淀开始出现离 解现象,使得湿地中的无机磷含量上升, 从而导致 TP 去除率出现下降 。 2. 3 气水比对氮类物质去除率的影响 植物吸收、氨挥发及氨氮硝化是湿地中氨氮去除 的途径,而植物吸收和自身挥发对氨氮去除的贡献较 小,硝化菌硝化是湿地氨氮去除的主要作用机理。 图4 为不同气水比时氨氮、总氮去除率和硝态氮浓度 变化的情况 。由图 4 可见, 氨氮、总氮去除率和硝态 氮浓度与气水比有较大关系, 随气水比增加 ,氨氮和 总氮去除率及硝态氮浓度均呈规律性变化。开始时, 氨氮去除率随气水比增加而增加, 在气水比 6 时, 氨氮去除率将不再升高, 而逐渐趋于稳定 ,基本维持 在83～ 84. 2。分析认为 ,随着曝气强度的增加, 湿地中溶解氧水平逐渐升高导致好氧硝化速率逐渐 加快, 从而有助于氨氮的去除; 当曝气强度继续加强 时,由图 2 中溶解氧变化曲线可以看出, 湿地中的溶 解氧浓度不会继续增加, 因此对硝化菌生物活性及数 量组成影响不大 ,而且过大的曝气量对湿地基质产生 了一定的冲刷, 所以在个别点氨氮去除率甚至出现降 低的现象。 图 4 气水比对氮类物质的影响 TN 的去除主要靠微生物的硝化、反硝化等作用 完成 。由图 4 可见,总氮去除率开始时随气水比的增 加而增加, 在气水比为 6时 ,总氮去除率达到最大 ,之 后开始降低 。与不曝气相比, 曝气湿地的总氮去除率 明显要高, 最大相差 17. 95。贺锋 [ 6] 等研究表明 ,沿 水流方向硝化菌数量和硝化作用强度明显降低,反硝 化菌数量和反硝化作用强度略有上升。由此可认为, 湿地前端以硝化为主 ,后端反硝化作用略占优势。湿 地前端曝气时, 由于进水中能源、碳源及无机盐含量 相当充分, 曝气使前端呈现好氧环境, 硝化菌所需的 营养物质和环境条件都具备, 因此前端硝化菌代谢更 加旺盛,硝化反应速率开始加快。反硝化菌作为兼性 厌氧菌 ,能利用氧或NO - 3作为最终电子受体, 此时湿 43 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 地中的氧和 NO - 3相当充分, 因此 ,反硝化也能顺畅进 行,反应速率也随之加快 。在硝化与反硝化都能快速 进行的条件下, 总氮去除率得以迅速提高。 在气水比继续加大后 ,湿地后部溶解氧浓度得以 升高, 后部逐渐由厌氧环境向好氧环境转变 ,充分的 好氧对反硝化不利, 反硝化反应过程受阻。在前端充 分硝化的基础上 ,硝态氮开始过量积累 ; 另一方面 ,过 大的曝气量易对湿地基质产生一定的冲刷,使已吸附 于基质上的氮类物质被重新释放回湿地 。而且曝气 量过大容易使整个湿地系统处于好氧状态,破坏了湿 地厌氧好氧交替进行的脱氮方式。因此总氮去除率 开始出现下降。由图 4 可见 ,总氮去除率此时降低幅 度达 13. 4,由此说明硝化和反硝化任一反应过程 受阻 ,湿地总氮去除率都会受到很大影响。 图4还反映了湿地出水硝态氮浓度随气水比的变 化规律。硝态氮浓度开始时随气水比的增加而降低 , 在气水比为 6 时降到最低点,之后随气水比的增加而 增加。呈现出与总氮去除率完全相反的变化规律。究 其原因,开始时 ,氨氮硝化进行顺利,而且反应速率很 快,硝酸盐浓度提高较快, 但反硝化同样进行顺利,从 图4中可见,总氮去除率变化曲线比氨氮去除率变化 曲线要陡,说明反硝化反应速率比硝化反应速率快,因 此硝化反应生成的硝态氮不会积累,而是很快参与到 反硝化反应中被去除。所以硝态氮质量浓度开始从 8. 1mg L降低到6. 32 mg L。在气水比继续增加的情况 下,反硝化反应过程由于厌氧环境被破坏而受阻,硝化 反应产生的硝态氮开始出现积累, 一部分随出水而被 带出,使出水中的硝态氮浓度开始升高 。 3 结论 1 曝气会影响人工湿地内整体的溶解氧水平, 在气水比6时 ,湿地出水溶解氧质量浓度基本维持 在0. 73～ 0. 8 mg L 。 2 在气水比为 6 时, 人工湿地各污染物的去除 率达到最大 , COD 去除率为 85. 6, TP 去除率为 70. 9, TN 去 除 率 为 83. 1, NH3- N 去 除 率 为 84. 2。出水 NO - 3- N 质量浓度最低, 为6. 32 mg L。 曝气能够很好地解决人工湿地脱氮效果不佳的问题。 3 曝气在一定程度上打破了人工湿地长期以来 无动力的运行模式, 使人工湿地处理效果具有明显的 改善 ,尤其是湿地的脱氮效果 。 参考文献 [ 1] Armstrong W, Cousins D. 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To seek the reason of clogging in the system, some ex - periments prove that clogging mostly results from the adsorption especially in surface layer, nevertheless microbial increment makes up 3. 7～ 5. 3 in total porosity. And so a beneficial exploration is carried out on system restoration after clogging. Which makes sure that a suitable wet- dry cycle is a good way to solve the problem. Keywords soil infiltration particle COD wastewater treatment adsorption clogging INFLUENCE OF AERATING GAS-WATER RATIO ON TREATING EFFECT OF CONSTRUCTED WETLANDZhong Qiushuang Wang Shihe Sun Xiaowen et al 42 Abstract The influence of different aerating gas -water ratio on treating effect of constructed wetland was discussed from dissolved oxygen. Seven kinds of gas-water ratios, 0, 2, 4, 6, 8, 10 and12, were selectedfor test operation condition. The result showed that aeration could make the level of DO and treating effect improve obviously, especially the removal rate of TN. Treating effect of wetlandswas bestwhen gas-water ratio was 6, and removal rate of COD, TP, TN and NH3-N was respectively up to 85. 6, 70. 9, 83. 1 and 84. 2, the concentration of NO - 3-N of the effluent was the lowest 6. 32 mg L . Keywords constructed wetland aeration gas -water ratio DO treating effect TREATMENT OF TOILET WASTEWATER FROM PARKS BY COIX CONSTRUCTED WETLAND Li Yan Zhang Jian Li Weijiang et al 45 Abstract Subsurface constructed wetland planted with Coix was used for the treatment of toilet wastewater from parks. The results showed that Coix grew well in constructed wetland. With a hydraulic loading rate of 8 cm d and a hydraulic retention time of 1. 5 d, the average removal efficiencies of COD, NH4-N, TN and TP for constructedwetlandwere 56. 4, 53. 3, 49. 8and 73. 0, respectively. While for the sys - temwithout Coix, the average removal efficiencies of COD, NH4-N , TN and TP were 46. 0, 50. 1, 49. 1 and 68. 1, respectively. Coix can be applied to constructedwetland due to its possibility of pollutants removal aswell as its higher economic benefit. Keywords Coix constructed wetland toilet wastewater NUMERICAL SIMULATION AND COAGULATION OF FLOW FIELD FOR FOLDED PLATE FLOC - CULATORZhang Bingbin YangKaiming Yang Xiaolin et al 47 Abstract FLUENT analytic software was used to numerically simulate the flow field of different angles for a foldedplate flocculator. Then it was compared the flow state of fluids in different folded plate flocculators, whose coagulation effectswere analyzed according to the design condi- tions. Finally some measures were proposed for improving and enhancing the efficiency of the flocculator, which could guide the practical engi- neering design. Keywords FLUENT folded plate flocculator numerical simulation PREPARATION OF Fe -Mg-Al COMPOSITE FLOCCULANT FOR PRETREATMENT OF LANDFILL LEACHATESang Yimin Gu Qingbao Sun Tichang et al 50 Abstract In order to get optimal preparation conditions of Fe -Mg -Al composite flocculant PFMASfor pretreatment of landfill leachate, COD removals of landfill leachate were optimaized by jar test from concentration of raw FeSO4,MgSO4and Al2 SO43, mole ratio of three salts, aging temperature, aging time and dosage. The experimental results of a landfill leachate indicated that the optimal preparation conditions of PF - MAS were as belownFeⅢ ∶ nMg Ⅱ ∶nAl Ⅲ5∶ 0. 35∶ 0. 5, aging temperature50 ℃ and aging time0. 5 h. After pretreatment by PFMAS, COD removal could reach over 60. PFMAS is a kind of inorganic macromolecular copolymer of Fe Ⅲ , MgⅡand AlⅢ , with long macromolecular chains and macrocosmic crystal structure. Keywords landfill leachate inorganic polymer flocculant copolymer of Fe Ⅲ MgⅡand Al Ⅲ COD removal rate preparation optimization THE STUDY ON THE INOCULA FOR BOD5DETERMINATION Cui Jiansheng Wang Fang Wei Fusheng 54 Abstract Three strains screened from the municipalwastewater were used to make the BOD5inocula for BOD5test. The best conditionsfor making the freeze dry power BOD5inoculawere studied. The characteristics of the BOD5inoculawere compared by test on soil leaching solution and commercial Polyseed of GGA s and the actualwastewater s BOD5determinition. The standard deviation of inocula, soil leaching solutionand polyseedwas 3. 60, 8 . 34 and 2. 87 mg L respectively in GGA s experiment, and 8. 5, 33. 2 and 6. 0 mg L in the test of actual wasterwater. Keywords Biochemical Oxygen Demand BOD5 inocula repeatability UATION AND IMPROVING ON THE S OF MONITORING COD IN SEDIMENT- LADEN RIVERHe Zhijuan Xiao Xiangqun Mao Yuxia et al 57 Abstract Based on the analysis of the characteristics of sediments in the Yellow River and the impacts of sediments on the water environ - ments, this paper analyzed the primary problem which existsinmonitoring COD in Yellow Riverwith the prevenient and current monitoring meth - ods. According to which, an improved of monitoring COD was put forward.In this , the concept of non -attenuation COD value of sediment was introduced and the computing ula of the value in lower reaches of the Yellow River was got by experimentation. The experiments 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008