强化供氧对低温域人工湿地脱氮及微环境的影响

黄 娟 杨思思 郭 杨,2 钟秋爽 王世和 刘 洋

(1东南大学土木学院,南京 210096)(2江苏省住房和城乡建设厅城市节约用水办公室,南京 210036)

针对改善湿地低温域(T<15 ℃)运行效果,国内外学者采用植物收割、降低水力负荷、序批式间歇运行、植物覆盖、PVC膜保温等一系列强化措施[13-15],也有通过在湿地前增加化粪池、厌氧消化池、浮游生物床等预处理构筑物[16-17],或在湿地后增加稳定塘[18]作为深度处理,来改善低温除污效果.

人工湿地低温域脱氮效果差的问题已得到普遍关注,如何强化低温脱氮效果逐渐成为热点.笔者前期研究发现[19],潜流人工湿地反硝化速率明显高于硝化速率,硝化作用是脱氮的限制措施.湿地溶解氧水平在很大程度上影响着湿地脱氮效果[20].然而国内外对人工湿地氧浓度提高措施的实际运行研究还较少.因此,本文研究了在低温域(T<15 ℃)收割植物地上茎叶并覆膜后,强化供氧对人工湿地氧环境及除污效果的影响,以期为人工湿地低温脱氮差的技术瓶颈提供可行的解决措施,为该技术的进一步推广应用奠定基础.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验装置为7组潜流人工湿地,其中6组水平流,1组垂直流.本试验在各组水平流湿地中运行,其结构如图1(a)所示.首先在3组水平流湿地中分别于不同位置曝气,确定最佳曝气位置;然后在6组湿地的最佳曝气位置以不同气水比曝气,并与曝气前比较;最后在最佳曝气条件下,考察稳定运行下的水平流湿地中溶解氧、微生物等指标的分布特征.

图1 人工湿地结构及采样口分布

各湿地尺寸为3.0 m×1.0 m×1.0 m,底面坡度为1%,处理区填料由0.85 m厚的4层组成,分别为:底层0.2 m厚粗糙砾石(粒径40～60 mm),中层0.3 m厚中等砾石(粒径20～40 mm),上层0.15 m厚细小砾石(粒径10～30 mm),表层覆土0.2 m.污水在湿地中沿水平方向流动,流经布水区、床体和集水区.本试验中,湿地植物为芦苇(Phragmites communis trin.)和美人蕉(Canna generalis).在冬季低温条件下,收割芦苇和美人蕉的植物地上部分,保留植物根系.

如图1(b)所示,在湿地下层高0.2 m、中层高0.4 m、上层高0.6 m,沿程0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m处,共设置15根充氧管,充氧管横跨整个湿地,沿侧壁接出,以软管与空气压缩机连接,同时可用作沿程采样管.

1.2 进水水质

湿地进水为污水厂初沉池出水,水质条件见表1.各水质指标的测定均采用《水和废水监测分析方法》(第4版)中的标准方法进行测定.

表1 人工湿地进水水质 mg/L

2 结果与讨论

2.1 曝气运行参数

最高气温低于15 ℃时,湿地植物地上部分已收割并覆盖PVC薄膜保温.湿地连续运行,控制HRT为4～6 d,水位运行保持在60 cm位置.分别在湿地S6,S8,S10充氧管中曝气,比较曝气位置对脱氮效果的影响.此外考察不同强度下(曝气强度采用气水比表示)连续曝气对DO分布及除污效果的影响.

2.1.1 不同曝气位置对脱氮效果的影响

图2 不同供氧位置时去除效果

2.1.2 不同曝气强度对脱氮效果的影响

图3 不同气水比出水氧浓度和净化效果

由图3可见,由于植物收割后丧失了向系统输氧的能力,覆膜使湿地表面与大气隔绝,丧失了大气复氧能力,因此在无曝气的情况下,出水DO浓度接近于零,甚至低于检测低限.随着气水比增大,出水DO浓度上升.当气水比小于2时,出水氧浓度变化不大,说明供氧量仍无法满足系统需氧量.气水比升至2～5时,出水DO显著上升,最高达0.6 mg/L,说明充氧对湿地氧环境有了明显改善.当气水比大于5后，出水DO上升渐趋平缓.

COD去除率随曝气强度的增大呈先上升后下降的趋势.在气水比为3～4时,COD去除率达77%;气水比大于4后,去除率反而有所降低.这是由于曝气量过大,气体对湿地基质的冲刷影响到基质对有机物的吸附,降低了微生物对营养物质的利用.

综合考虑不同气水比对潜流湿地溶解氧浓度的提高及对各类污染物去除率的影响,并考虑经济因素,确定低温条件下植物收割覆膜后,强化曝气的最佳气水比为4∶1.

2.2 最佳曝气条件下湿地微环境与除污特性

低温条件下,对收割植物地上部分并覆膜后,于湿地前段S6以气水比为4∶1曝气,考察人工湿地中溶解氧的空间分布、脱氮菌数量及污染物去除率的沿程变化.

2.2.1 溶解氧分布

图4反应了无曝气和最佳曝气条件下,潜流湿地内溶解氧沿程分布规律.可见,湿地前段曝气可有效提高湿地全程氧浓度,改善氧分布状况.无曝气条件下,由于植物收割和表面覆膜使湿地氧源受限,系统氧环境极为恶劣,进水DO大于0.8 mg/L,而湿地内氧浓度普遍低于0.2 mg/L,湿地中、后段氧浓度接近于零,对微生物脱氮极为不利.在湿地前段以4∶1气水比曝气后,前段氧浓度迅速上升至1.2 mg/L,之后由于污染物好氧降解和微生物好氧呼吸,溶解氧浓度缓慢下降.

图4 曝气对DO沿程分布的影响

沿湿地深度方向,无曝气湿地沿程氧浓度分层现象不明显.在曝气的湿地中,湿地中层氧浓度普遍高于下层,上层氧浓度最低.这是由于曝气点位于湿地中层,中层氧浓度改善显著,氧的扩散作用使湿地上层和下层氧浓度也相应上升.而湿地上层微生物分布数量最多,污染物好氧降解作用集中,导致上层耗氧量明显高于下层,故曝气湿地上层的氧浓度略低于中、下层.

2.2.2 脱氮菌及硝化反硝化作用强度分布特征

在无曝气和最佳曝气条件下,分别于湿地沿程0.5,1.5,2.5 m,土壤表层以下15～20 cm处采集土样,MPN法分别测定脱氮菌数量,如表2所示.

低温域湿地硝化菌数量级在103～104之间,湿地前段硝化菌数量高于中后段.曝气后,湿地硝化菌数量比曝气前提高1个数量级,说明供氧使湿地前段氧环境改善显著,硝化菌繁殖加快,数量增长.低温域湿地曝气前反硝化菌数量级在104,湿地中后段数量高于前段.供氧后,湿地中后段反硝化菌提高了1个数量级,前段相差不明显.分析认为在湿地中后段仍以厌氧环境为主,反硝化菌优先选择硝酸根作为最终电子受体,因此在前端硝化充分的基础上,反硝化菌数量也随之增加.

表2 湿地中硝化/反硝化菌的数量 MPN/g

2.2.3 湿地除污特性

图5 曝气对去除效果的影响

3 结论

2) 就湿地脱氮效果而言,湿地前段是强化曝气的最佳位置;结合湿地对有机物和含氮污染物的去除效果及经济因素,确定湿地强化曝气的最佳气水比为4∶1.

3) 在最佳曝气条件下,湿地全程溶解氧分布明显改善,前段达1.2 mg/L,整体高于0.4 mg/L,上层氧消耗量最大;湿地土壤层硝化、反硝化菌数量均有所提高,前段硝化菌数量提高1个数量级,后中段反硝化菌数量提高1个数量级;对有机物及氮类污染物降解提高显著,脱氮率提高15%～20%.

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