潜流人工湿地处理城市污水氮和有机物的研究

廖 颉，刘迎云，陈小明

（南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳421000）

针对上述问题，采用的对策是通过水位调整来有效提高大气复氧。本试验以模拟垂直潜流人工湿地为研究对象，考察了水位大幅度和小幅度变化对DO浓度的影响，以提高氮和有机物去除效率。

1 材料和方法

1.1 试验装置与运行

采用2个规格为D32cm×45cm的PVC塑料桶，在装置1内，底部铺约10cm的珍珠沙（直径0.5～1cm），中部放上约15cm的碳渣，上部垫上15cm的土壤；在装置2内，底部铺约10cm的砾石（直径2～4cm），中部放上约15cm的蛭石（呈锯末状），上部垫约15cm的陶瓷环。污水进水从填料表层的布水装置均匀的自上而下流经填料，最后从底层布水小孔流出至出水软管，出水软管可以调整出水口位置。模拟垂直潜流人工湿地中的植物为菖蒲和美人焦，菖蒲2株，美人蕉2株，间距9cm，2个装置种植的植物种类和密度相同。

试验采用连续进水，进水流量8L/d，水力负荷10cm/d。

试验分为2个阶段，第1阶段是水位小幅度变化阶段，设置4个不同高度的出水口，先在满水位（40cm）处出水，再降低水位至30，20，10cm，后提升水位至20，30，40cm，分别在各个水位处连续运行5d再进行水位的调整；从2009年3月中旬开始正式运行，试验运行到4月中旬，污水调试后，平均水温22℃（如图1）。

第2阶段是水位大幅度变化阶段，水位只在满水位（40cm）和落空水位（0cm）之间不断的变化，也是5d变化一次水位；从2009年4月中旬开始正式运行，试验运行到5月中旬，污水调试后，平均水温27℃（如图2）。

1.2 试验污水水源

试验采用人工污水，污水由硝酸钾、葡萄糖、蛋白胨、磷酸氢二钾溶于自来水中静置而成。试验期间进水水质见表1。

表1 试验污水水质条件

1.3 测试项目和方法

采用 《水和废水监测方法》［6］，COD采用测定仪消解—滴定法，BOD5采用哈钠 BOD5仪测定，TN采用COD测定仪消解—紫外分光光度法，凯氏氮采用消解—蒸馏—滴定法，DO采用便携式溶氧仪测定，pH采用PHS－3C型精密pH计直接读数。

2 结果与分析

2.1 水位小幅度变化下运行试验

2.1.1 模拟人工湿地水位小幅度变化对DO浓度的影响水位变化直接影响DO的变化，如图3。

图3 水位变化与出水DO浓度的关系

每一次变换水位时，无论是水位上升还是下降，出水DO浓度都会有不同程度的上升，因为水位升降均属于流体紊动，而紊动复氧是大气复氧的重要过程［7］；在保持水位不变的情况下，出水DO浓度则有不同程度的降低，可能是静止水体中，氧分子扩散系数很小，可以忽略对水中溶解氧浓度的贡献［7～8］，此时复氧能力很小。在不同水位下，出水DO的含量也不同，水位较低时，DO含量则相对较高，主要是水面之上的填料通过空隙直接与氧气接触的原因。出水DO浓度主要在2～4mg/L之间变化，装置虽然没有曝气，但是出水DO浓度始终没有低于1.5mg/L，一直处于好氧状态。2个装置出水DO变化趋势一致，相对于装置1来说，装置2的出水DO含量稍高，主要是上层填料中陶瓷环比土壤的空隙率大，过水性能更好，使得复氧情况有所差别。

2.1.2 模拟人工湿地小幅度水位变化对COD、BOD5去除的影响

水位变化间接影响COD和BOD5的去除，如图4。2个装置去除COD和BOD5无明显差异，可能是因为有机物污染负荷较低，削弱了DO降解成为去除COD和BOD5的主要途径。两者去除率较高，COD去除率在85%～93%之间，BOD5去除率在91%～95%之间，这是良好的DO环境作用的结果。COD和BOD5都是在40cm处时去除率要高于其他水位的去除率，这是因为在水位增大到40cm时，此区域植物根系发达，生物膜生长旺盛，即加深了对不溶性有机物的过滤拦截作用，又促进了生物膜对可溶有机物的降解。

图4 水位变化与COD、BOD5去除率关系

2.1.3 模拟人工湿地小幅度水位变化对TN、TKN去除的影响

水位变化也间接影响TN和TKN的去除，如图5。进水TN在25～50mg/L、TKN在20～45mg/L时，2个装置中TN去除率主要在65%～75%之间，TKN去除率主要在75%～85%之间。TN包括TKN和氮氧化物，其中TKN包括有机氮和氨氮，氮氧化物包括硝酸氮和亚硝酸氮。模拟人工湿地中TN的去除率要比TKN要低，说明有机氮和氨氮去除率较高，氮氧化物去除率不高，可能浓度还有上升，因此氮氧化物的积累限制了TN的去除率。人工湿地微生物硝化、反硝化是主要的、长期有效的脱氮机制起主导作用［9～10］，显而易见，硝化反应占据优势，此装置TKN去除率的差异受到硝化菌和DO的限制，DO充足促进硝化菌的生长和繁殖，水位变化使得水面能够充分进行大气复氧，但装置没有提供反硝化的环境，脱氮还是不能彻底地进行。特别是在10cm处水位时，装置1和装置2TKN的去除率分别在79.5%和82.2%，而TN的去除率分别在69.2%和65.5%，在这一阶段，氮氧化物累积得最为严重。

图5 水位变化TN、TKN去除率的关系

在装置1和装置2中，随着水位的升高，TN去除率逐渐升高；TKN的去除率缓慢降低。这说明水位较高时，TN的去除不仅仅限于硝化反应，它还有反硝化作用的反应环境，因此在40cm时TN去除率最好。TKN的去除则依赖于有氧环境，变化趋势大致与出水DO浓度高低相关。相比较装置1，装置2中去除TKN效果好，经分析是因为装置2的陶瓷环是非常好的过滤材料，表面布满微小气孔，比装置1的任何一种填料的吸附能力更强一些，吸附时间也更久；装置2去除TN效果较差，因为底部出水DO均大于1.5mg/L，限制了反硝化反应的进行。

2.2 水位大幅度变化下运行试验

2.2.1 模拟人工湿地大幅度水位变化对DO浓度的影响

如图6，出水DO浓度浮动相对于第1阶段更大。出水DO浓度大部分在1～4mg/L之间，在0cm处和40cm处明显出现大幅度波动，因此落空水位下的大气复氧能力强。相对于装置2来说，装置1的出水DO浓度变化范围更大，经分析装置1的填料利于植物生长，它的叶片比装置2的长1倍，表层填料好养微生物繁殖更多。

图6 水位变化与出水DO浓度的关系

2.2.2 模拟人工湿地大幅度水位变化对COD、BOD5去除的影响

如图7，2个装置的COD和BOD5都是在40cm处时去除率较高，在0cm处去除率较低，与第1阶段比较，COD和BOD5去除率变化趋势一致，但是去除率普遍偏低，这是因为此时填料已经饱和。2个装置的COD去除率还是达到80%～88%，BOD5去除率达到85%～90%，装置去除BOD5、COD相对较稳定，表明装置已成熟运行，主要是微生物的降解COD和BOD5。

图7 水位变化与COD、BOD5去除率关系

2.2.3 模拟人工湿地大幅度水位变化对TN、TKN去除的影响

从图8可以看出。 进水TN在25～50mg/L、TKN在20～45mg/L时，2个装置中TN去除率主要在70%～80%之间，TKN去除率主要在80%～90%之间。与第1阶段比较，TN和TKN的去除率都有所提高，因为从0到40cm之间变化水位时，高差变化较大，大气复氧能力更强。在这两个水位之间出现好氧区和厌氧区，硝化反应得以顺利进行，反硝化反应也有充足的环境。

图8 水位变化TN、TKN去除率的关系

3 结语

（1）水位升降变化都有利于大气复氧，而且能提供良好的好氧环境；水位大幅度变化下大气复氧能力更强，这种运行方式利于好氧与厌氧的交替运行。

（2）良好的DO环境使COD和BOD5去除能力都得以提高，但是水位变化幅度对COD和BOD5去除的影响不大。

（3）良好的DO环境去除TKN能力较高，但是去除TN的能力相对偏低；水位大幅度变化时，TN和TKN的去除率相对较高。

（4）考虑到优化运行条件，大幅度水位变化更适合于处理有机物和氮。

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