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复合垂直流人工湿地的脱氮机理及影响因素分析 ＊ 张迎颖 1 丁为民 1 陈秀娟 2 李新宇 3 刘 静 1 1.南京农业大学工学院, 南京 210031; 2.常州市排水管理处, 江苏 常州 213002; 3.无锡市城北污水处理厂, 江苏 无锡 214002 摘要 采用沸石和砾石作为填料, 研究复合垂直流人工湿地处理农村生活污水的脱氮机理。 试验结果表明 复合垂直 流人工湿地对污水中氮的去除主要发生在下行流填料柱中, 其去除机理主要是微生物对溶解态氮的硝化和反硝化作 用; 悬浮态氮沉积在填料孔隙中, 会出现“氮释放”现象; 水温、气水比、碳氮比 、氮源形式等因素对湿地系统的脱氮效率 有显著影响。 关键词 复合垂直流人工湿地; 农村生活污水; 脱氮机理; 影响因素 ANALYSIS OF NITROGEN REMOVAL MECHANISM AND INFLUENCE FACTORS IN INTEGRATED VERTICAL FLOW CONSTRUCTED WETLAND Zhang Yingying1 Ding Weimin1 Chen Xiujuan2 Li Xinyu3Liu Jing1 1. College of Engineering , Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China; 2.Changzhou Drainage Management Office, Changzhou 213002, China; 3.Wuxi Chengbei Sewage Treatment Plant, Wuxi 214002, China Abstract The nitrogen removal mechanismwas investigated in the integrated vertical flow constructedwetlandwhich took zeolite and gravel as fillers to treat rural domestic sewage. Based on the experiments, the results showed that nitrogenwasmostly removed in the down -flow column and the major dissolved nitrogen was removed by nitrification and denitrification of microogranism.Suspended- nitrogenwhich sedimentated in filler pore could cause nitrogen -releasing phenomenon. The factors including temperature, gas -flow ratio, C N ratio and nitrogen -source s had significant influence on nitrogen removal efficency . Keywords integrated vertical flow constructed wetland; rural domestic sewage; nitrogen removel mechanism; influence factors ＊江苏省 2008 年度普通高校研究生科研创新计划 CX08B -135Z 。 0 引言 复合垂直流人工湿地是一种新兴的污水生态处 理技术,由植物 、 填料和微生物组成 ,利用三者之间的 物理、化学和生物作用来实现对污水的净化 ,具有效 率高 、 投资和运转费用低 、 维护管理简单等优点,适合 于处理氮 、 磷含量高 ,相对分散的农村生活污水。 农村生活污水中的氮素存在形式多样,包括有机 氮、 氨态氮、亚硝态氮和硝态氮 , 使得污水处理过程 中,氮素去除机理和反应机制非常复杂 。湿地系统对 氮的去除机理主要包括氨的挥发 , 植物的吸收 ,填料 的吸附 、 过滤、 沉淀和微生物的硝化与反硝化作用 [ 1] , 其中微生物的作用占主导地位 。研究表明,湿地系统 去除的氮素化合物中近 90是依靠植物根系和填料 表面微生物的作用 [ 2] 。因此 ,改善人工湿地氮素去除 效果的关键举措是强化湿地系统的硝化和反硝化 能力 。 本研究针对农村生活污水的水质特点,忽略植物 吸收作用的影响 ,采用以沸石和砾石为填料的复合垂 直流人工湿地小试装置进行净水试验,分析人工湿地 处理农村生活污水的脱氮过程和机理,同时就影响脱 氮效果的主要因素 , 包括温度 T 、气水比 、碳氮比 C N 、氮源形式 ,开展相关试验, 探讨总氮去除效果 与各因素之间的关系 ,以期为实际工程中提高脱氮效 果提供依据与参考。 1 试验装置与方法 1. 1 试验装置 复合垂直流人工湿地系统选用砾石和沸石作为 36 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 填料 ,其中沸石粒径 5～ 10 mm ,砾石粒径 20～ 30 mm。 湿地系统由蓄水池 、 配水箱 、 下行流填料柱和上行流 填料柱等组成。系统运行时, 蓄水池盛放污水 ,由潜 水泵将水泵入配水箱 ,再由进水管道流入填料柱内, 可通过阀门控制进水流量 。进水管道下端设有喷头, 保证在下行柱填料表面均匀布水, 污水依次经过下行 柱、 上行柱后,从上行柱一侧的出水管流出系统。 填料柱由底座 、穿孔板与 PVC 圆管连接而成。 穿孔板用于支撑填料 ,并保证污水流通 。PVC 圆管高 100 cm ,内径11 cm 。下行柱自下而上填充10 cm砾石, 80 cm沸石, 上行柱自下而上填充10 cm砾石, 70 cm沸 石。两柱之间10 cm的填料高度差, 可以使污水自行 流动。沿着湿地水流方向 , 以下行柱填料表面为起 点,在柱体内设置 7个取样口,具体位置见图 1。2008 年8 月 ,将填料以自来水多次冲洗后 ,装入系统,试运 行1 个月后 ,开始后续试验 。 图 1 复合垂直流人工湿地系统试验装置 1. 2 试验方法 复合垂直流人工湿地对农村生活污水脱氮效果 试验 将南京市汤泉镇农村生活污水置于容量为 300 L的蓄水池 , 运行方式为间歇流 ,每天运行8 h,控 制进水流量为 3. 6 ～ 5. 0 L h。从 10 月 1016日 ,湿地 进水为农村生活污水 ,其水质见表 1,每天沿水流方向 在取样口取水样测 T 、 DO、 COD、 TN、 TP 等水质指标。 表 1 农村生活污水及模拟生活污水中污染物浓度mg L 进水类型ρ CODρ TNρ TP 农村生活污水32 . 13～ 51. 9716. 71～ 30. 931. 13～ 2 . 08 模拟生活污水40. 0015 . 00; 20. 00; 30 . 002 . 00 复合垂直流人工湿地对模拟生活污水脱氮效果 试验 为了研究湿地系统对农村污水中 TN 的去除机 理,同时便于控制污水中各组分的浓度与配比, 采用 人工配置的模拟污水进行试验 , 碳源采用葡萄糖, 氮 源采用氯化氨与硝酸钾的混合物,磷源采用磷酸二氢 钾,配水水质见表1 。从 10月 1925 日 ,湿地进水为 模拟污水, 其他运行条件同前, 每天沿水流方向在取 样口取水样测 T 、 DO 、 COD、 TN、 TP 等水质指标 。 复合垂直流人工湿地脱氮效果的影响因素分析试 验系统运行时, 进水流量保持恒定, 每天运行8 h , 3. 6 L h,故不考虑水力停留时间对脱氮效果的影响 。 如表 2所示, 设置各因素的变化范围 水温 5～ 28 ℃; 气水比0～ 12; 碳氮比 2. 0～ 14. 0; 氨氮 总氮 0. 0～ 1. 0; 硝氮 总氮0. 0～ 1. 0。分别测定进水与出水的总氮值 , 考察各因素与总氮面积负荷去除率之间的关系。 表 2 各影响因素的变化值 影响因素变化值 水温 ℃5121618232528 气水比024681012 碳氮比2 . 04 . 06. 08. 010 . 012. 014 . 0 氨氮 总氮0 . 00 . 10. 30. 50. 70. 91. 0 硝氮 总氮0 . 00 . 10. 30. 50. 70. 91. 0 1. 3 性能评估指标 [ 3] 总氮的去除率 η100 c0-ce c0 1 总氮的面积负荷去除率 ξ c0-ce Q A 2 其中 c0为进水中总氮的质量浓度 ,mg L; ce为出水 中总氮的质量浓度,mg L ; Q 为进水与出水流量 ,L h; A 为湿地的过流断面面积, cm 2 。 2 试验结果与分析 2. 1 对农村生活污水的脱氮效果与机理分析 未经过滤的农村生活污水含有悬浮颗粒 ,使得水 中的氮素既有溶解态氮, 也有悬浮态氮。由试验数据 分析 ,复合垂直流人工湿地对农村生活污水中总氮的 去除率维持在 45左右 ,下行流的去除效果明显优 于上行流。图 2和图3 为 10 月 11,13,15 日的试验结 果,并依据这三组数据分析总氮的沿程去除规律。 根据图 2 和图3 可知,复合垂直流人工湿地系统 对农村生活污水中 TN 的去除率为 34～ 58,其中 下行柱 1 、 2 、 3 的去除率约为总去除率的 75, 而上行柱 4 、5 、6 的去除率约为总去除率的 25。由此可见,整个湿地系统中 ,下行柱对 TN 的去 除贡献较大 ,而上行柱对 TN 的去除贡献较小。 37 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 图 2 农村生活污水中总氮的沿程去除效果 图 3 各填料柱对总氮去除率与总去除率的比值 复合垂直流人工湿地的结构以及下行流和上行 流的水流方式形成了填料柱内好氧 -缺氧 -厌氧的 溶解氧状态变化 ,从而保证了硝化作用 - 反硝化作用 的充分进行 ,有利于污水的高效脱氮 [ 4] 。试验中的下 行柱表面氧气充足 ,有利硝化细菌的生长 ,使得硝化 作用显著 ,同时 ,下行柱底部氧气缺乏, 有利反硝化细 菌的生存, 进一步通过反硝化作用去除溶解态氮, 另 外填料对悬浮态氮具有过滤、截留作用 ,因此 ,下行柱 内总氮的浓度有大幅下降 。在上行柱内 ,水流中溶解 氧不足 ,脱氮过程以反硝化作用为主, 但由于碳源的 消耗, 制约了微生物的脱氮效果, 使得上行流对总氮 的去除率相对较低。 2. 2 对模拟生活污水的脱氮效果与机理分析 模拟生活污水为人工配置 ,其中氮素均为溶解态 氮。由试验数据可知 ,复合垂直流人工湿地对模拟生 活污水中总氮的去除率维持在 55左右, 下行流的 去除效果优于上行流。图4 为10月 20,22,24 日的试 验结果,依据这三组数据分析总氮的沿程去除规律 。 由图 4 可知 ,复合垂直流人工湿地系统对模拟生 活污水中 TN 的平均去除率达到 42～ 65, 其中下 行柱 1 、 2 、 3 的去除率约为总去除率的 66, 而 上行柱 4 、 5 、 6 的去除率约为总去除率的 34。 与农村生活污水的总氮去除规律相似, 下行柱的贡献 图 4 对模拟生活污水中总氮的沿程去除效果 较大 。由图 5 可以发现 ,湿地系统对模拟生活污水中 总氮的去除效果优于农村生活污水 ,究其原因, 可能 是农村生活污水中含有悬浮态氮,虽然通过填料的过 滤、 截留作用暂时得到去除 ,但随着水中溶解态氮的 降解减少, 系统又会释放出部分的氮素 [ 5] , 而模拟生 活污水中全部是溶解态氮, 在微生物作用下 ,直接转 化为氮气, 释放到空气中 ,从湿地系统永久去除。 ◎10 -11 农村生活污水; ◆10 -22 模拟生活污水。 图 5 生活污水和模拟污水中总氮的沿程浓度变化 2. 3 影响脱氮效果的主要因素分析 2. 3. 1 水温对 TN 负荷去除率的影响 本试验使用农村生活污水作为系统进水 。图 6 为水温与总氮面积去除率之间的关系 。试验结果表 明 随着水温的升高, TN 的面积去除率呈指数增加, 其关系式为 y 0. 0224e 0. 1011x R2 0. 9691 。在生物 处理系统中 ,硝化细菌对温度的变化非常敏感, 适宜 温度为 25～ 35℃ [ 6] 。反硝化细菌对温度变化虽不如 硝化细菌敏感, 但也会受到影响 。因此 , 控制合适的 水温, 使之有利于微生物的生长和反应 , 可有效提高 复合垂直流人工湿地的脱氮效率。 2. 3. 2 溶解氧对TN 负荷去除率的影响 采用强化供氧的方式来改善人工湿地内部溶解 氧不足的状况, 其中气水比是一个重要的控制因 素 [ 7] 。气水比太小 ,无法提供足够的氧气, 不能满足 38 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 y 0 . 0224e0. 101x; R20. 9691。 图 6 水温与总氮面积负荷去除率之间的关系 微生物硝化作用的需要; 气水比太大, 破坏了湿地中 好氧厌氧的交替状态, 使得微生物自身氧化速度过 快,进而影响脱氮效果 [ 8] 。使用农村生活污水作为系 统进水 ,参照城市生活污水处理厂曝气池的运行参 数,设置了 6 组气水比作为试验运行工况, 采用软管 连接空气压缩机和曝气管 ,对湿地系统下行柱体中部 充氧。试验结果表明 气水比 8 时, 去 除率有所降低 图 7 。因此 ,就本试验的脱氮效果而 言,最佳气水比约为 8。 y - 0. 0037x20. 0471x 0. 332; R2 0. 8051。 图 7 气水比与总氮面积负荷去除率之间的关系 2. 3. 3 碳氮比对TN 负荷去除率的影响 在人工湿地中, 氮的最终去除是依靠微生物的反 硝化作用使其转化为气体逸出系统。反硝化菌是兼 性厌氧化菌, 有机碳源不足是抑制其作用的关键因 素,在进水总氮浓度一致的情况下, 进水有机物浓度 的增加有利于反硝化过程的顺利进行 [ 9 -10] 。本试验 使用模拟生活污水作为试验进水 , 碳源采用葡萄糖, 氮源采用硝酸钾 ,进水 TN 浓度设为20 mg L 。试验结 果如图 8 所示, 随着碳氮比的增加 ,湿地对总氮的面 积负荷去除率相应提高。当 C N 由 2. 0 增加到 6. 0, 总氮的面积负荷去除率增幅为0. 21 mg cm 2 h ; 由 6. 0 增加到 14. 0,其增幅仅为0. 09 mg cm 2 h 。这表 示在较低C N 的条件下 ,有机碳源的缺乏会表现为反 硝化速率较低, 此时湿地脱氮效率会随着有机物浓度 的增加而明显提高, 而在较高 C N 的条件下 ,有机物 浓度过剩, 使得系统中不以硝态氮为电子受体的异养 菌与反硝化菌竞争生存空间, 此时, 湿地脱氮效率不 会随着有机物浓度的增加而明显提高。 y 0 . 1076x0. 5765; R20. 9476。 图 8 碳氮比与总氮面积负荷去除率之间的关系 2. 3. 4 氮源形式对 TN 负荷去除率的影响 本试验使用模拟生活污水作为系统进水 ,C N 比 设为6. 0,氮源采用氯化氨和硝酸钾的混合物 ,得出在 不同进水 NH 4- N TN、 NO - 3- N TN 条件下,复合垂直流 人工湿地对总氮的去除效率变化规律。由图 9、图 10 可见,复合流人工湿地对总氮的面积负荷去除率随着 NH 4-N TN 的增加而线性减小,而随着NO - 3- N TN 的增 加而线性增加。从数据拟合的线性关系看,氮源全部 为氨氮时,总氮的面积负荷去除率为0. 24 mg cm 2 h ; 氮源全部为硝氮时, 其去除率为0. 48 mg cm 2h 。因 此,进水中氮源形式对湿地系统脱氮效率的影响显著 , 当进水中的氮源为氨氮和有机氮 ,脱氮效率较低,当进 水中的氮源为硝氮时 ,脱氮效率较高。这是因为硝氮 的去除,主要依赖反硝化作用 ,只要碳源充足 ,即可完 成反应; 但是氨氮的去除不仅受反硝化作用的影响,还 受到氮素形态上转变的制约 [ 5,10] 。 y - 0. 2055x 0 . 4297; R20. 9228。 图 9 氨氮 总氮与总氮面积负荷去除率之间的关系 39 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 y20. 2181x 0. 2569; R20. 9442 图 10 硝氮 总氮与总氮面积负荷去除率之间的关系 3 结论 1 复合垂直流人工湿地系统具有独特的结构和水 流方式,能够给微生物提供好氧 -缺氧 -厌氧的生活 环境,有利于湿地系统的脱氮作用。硝化和反硝化作 用是人工湿地脱氮的主要途径。农村生活污水进入湿 地系统,先通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮, 接着在 反硝化作用下转化为氮气 ,从系统中永久去除。 2 复合垂直流人工湿地对农村生活污水中氮素 的去除作用主要发生在下行柱 ,因为下行流表面氧气 充足 ,下部氧气不足 ,有助于硝化反硝化作用的发生, 具有良好的脱氮效率 ; 而上行柱中溶解氧低限制了硝 化作用 ,碳源的相对不足限制了反硝化作用 ,使得上 行柱的脱氮效率相对较低 。湿地对模拟生活污水氮 素的去除效果优于农村生活污水, 分析原因是实际污 水中含有悬浮态氮 ,被填料截留后, 在微生物的作用 下分解为溶解态氮, 出现“氮释放”的现象 ,影响氮素 的去除效果。 3 水温 、 气水比、碳氮比 、 氮源形式等因素对复合 垂直流人工湿地系统的脱氮效率有显著影响。就本 试验的脱氮效果而言 ,最佳气水比约为 8; 水温与总 氮面积负荷率之间呈指数关系 ; 碳氮比与总氮面积负 荷率之间呈幂函数关系 ; 氨氮 总氮、硝氮 总氮与总 氮面积负荷率之间呈线形关系 。 参考文献 [ 1] 卢少勇, 金相灿, 余刚. 人工湿地的氮去除机理[ J] . 生态学 报, 2006, 26 8 2670 -2677. 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