温度对间歇式人工湿地处理效能影响研究

倪建航 徐云飞

摘要：针对连续流人工湿地自然复氧能力差，脱氮效率低，易堵塞等问题，提出间歇式人工湿地处理工艺,其运行方式为：进水-反应-出水-排空闲置。重点考察了温度对系统处理效能的影响。试验结果表明：两级串联间歇式反应器在春秋季、夏季和冬季，其出水COD浓度分别为51mg/L、41mg/L和58mg/L，平均去除率分别为83%、86%和81%，去除负荷分别可达42.8gCOD/m2•d、44.5COD/ m2•d和41.6gCOD/ m2•d。出水NH4+-N浓度分别为7mg/L、4mg/L和19mg/L，平均去除率分别为88%、93%和66%，去除负荷分别可达8.4gNH4+-N/m2•d、10.0gNH4+-N/m2•d和6.5gNH4+-N/m2•d。出水TN浓度分别为18mg/L、12mg/L和31mg/L，平均去除率分别为74%、82%和54%，去除负荷分别可达9.1gTN/m2•d、10.5gTN/m2•d和6.9gTN/m2•d。季节因素对NH4+-N和TN去除效能影响显著。

关键词： 人工湿地；间歇式； 温度； 脱氮

中图分类号：S791文献标识码： A

人工湿地处理污水技术具有投资省、能耗低、维护管理方便［1-2］等优点,但是,目前采用的人工湿地多为连续流,存在自然复氧能力差，脱氮效率低，易堵塞等问题［3-4］。针对上述问题，鄢璐［5］等采用鼓风机对人工湿地连续供氧，有机物及NH4+-N去除率可分别提高10%和15%左右；孙亚兵［6］等在人工湿地中增设竖向通风管，增强大气复氧作用，可使湿地内部DO保持在0.6mg/L以上；Michal Green［7］对人工湿地系统采用连续运行1~2d，排干闲置2~8d的运行工况,可使NH4+-N去除率

提高20%； 聂志丹［8］等采用进水6h和排水6h间歇进

出水方式，较连续进水方式，系统TN和 NH4+-N去除率分别提高了51.5%和30.5%； 尹军［9］等采用进水12h—反应4d—出水12h运行工况，可使 NH4+-N去除率达65%。本研究提出的间歇式人工湿地工艺（Sequencing Batch Constructed Wetland），采用进水-反应-出水-排空闲置的运行工况，通过排空闲置强化自然复氧，拟重点考察温度对系统处理效能的影响，为间歇式人工湿地的工程应用提供支持。

1 试验装置及方法

1.1试验装置

试验装置见图1。本研究采用二级反应器,单级湿地有效容积为0.33m3，L×B×H=100cm×55cm×60cm，内填充粒径为30 mm的砾石,填料层高50 cm，基质表面栽种水生美人蕉。

图1 试验装置图

Fig.1 Schematic of the experimental equipment

1.2试验水质

试验采用常规生活污水，水质见表1。

表1 试验水质

1.3试验方法

本试验试验装置为两级串联间歇式反应器，分别在春秋季，夏季和冬季进行平行对比试验，主要考察季节性温度变化对生态处理效能的影响。

间歇式反应器均投加装填度100%球形聚氨酯泡沫填料，填充比70%。每级反应器运行工况为进水0.25h—反应20h—排水0.25h—闲置4h。反应器运行负荷见表2。测试进出水的COD、NH4+-N、TN、NO3--N、PO43-、pH等指标。

2结果与讨论

2.1 温度对处理效能影响

试验结果见表2和图2~图6。

表2 生态反应器运行负荷

图1温度对反应器出水COD影响

Fig1 Effects of temperature on reactor effluent COD

图2温度对反应器出水NH4+-N影响

Fig 2 Effects of temperature on reactor effluent NH4+-N

图3温度对反应器出水TN影响

Fig3 Effects of temperature on reactor effluent TN

图4温度对各级反应器COD降解量分配影响

Fig 4 effects of temperature on removal distribution of COD to different stage reactor

图5温度对各级反应器NH4+-N降解量分配影响

Fig5 effects of temperature on removal distribution of

NH4+-N to different stage reactor

2.2 试验结果分析

由表2和图1、4可知，在COD承担负荷为51.6 gCOD/m2•d条件下，间歇式反应器在春秋季，夏季和冬季，其出水COD浓度分别为51mg/L、41mg/L和58mg/L，平均去除率分别为83%、86%和81%，去除负荷分别可达42.8gCOD/m2•d、44.5gCOD/m2•d和41.6gCOD/m2•d。

图6温度对各级反应器TN降解量分配影响

Fig 6 effects of temperature on removal distribution of TN to different stage reactor

其中，生态段1出水COD浓度分别为120mg/L、102mg/L和137mg/L，平均去除率分别为60%、66%和54%。温度因素对COD去除效能影响并不显著。

由表2和图2、5可知，在NH4+-N承担负荷为11.3 gNH4+-N/m2•d，TN承担负荷为13.4 g TN/m2•d条件下，生态段反应器在春秋季、夏季和冬季，出水NH4+-N浓度分别为7mg/L、4mg/L和19mg/L，平均去除率分别为88%、93%和66%，去除负荷分别可达8.4gNH4+-N/m2•d、10.0gNH4+-N/m2•d和6.5gNH4+-N/m2•d。其中，生态段1出水NH4+-N浓度分别为18mg/L、14mg/L和30mg/L，平均去除率分别为61%、71%和37%。出水TN浓度分别为18mg/L、12mg/L和31mg/L，平均去除率分别为74%、82%和54%，去除负荷分别可达9.1gTN/m2•d、10.5gTN/m2•d和6.9gTN/m2•d。其中，生态段1出水TN浓度分别为34mg/L、29mg/L和43mg/L，平均去除率分别为47%、59%和28%。温度因素对NH4+-N和TN去除效能影响较为显著。

在春秋季、夏季和冬季，生态段一级反应器出水COD均值分别为120mg/L、102 mg/L和137 mg/L，去除率分别为60%、66%和54%，降解量分别为180 mg/L、198 mg/L和163 mg/L，去除负荷分别为61.9gCOD/m2•d 、68.1gCOD/m2•d和56.0 g COD/m2•d，其去除负荷已高于传统人工湿地的2~3倍；生态段二级反应器出水COD均值分别为51mg/L、41mg/L和58 mg/L，去除率分别为58%、60%和58%，降解量分别为69 mg/L、61 mg/L和79 mg/L，去除负荷分别为23.7gCOD/m2•d 、21.0 g COD/m2•d和27.2gCOD/m2•d；生态段1COD降解量分别高出111 mg/L、137mg/L和84 mg/L。生态段1对COD的去除效能要远高于生态段2。分析认为，间歇式反应器存在排空闲置期，湿地系统可在排空闲置期继续对截留在系统内的有机物进行分解，且由于复氧作用，湿地床体处理效能得到充分恢复，使间歇式反应器在下一轮反应周期中，对污水中呈悬浮或胶体状态的有机物保持稳定的吸附截留能力，好氧微生物的活性也得到充分的恢复，可使湿地系统保持稳定的COD降解能力。生态段一级反应器进水COD浓度较高，有机底物的浓度高，内部的微生物量较大，因此表现出高于生态段二级反应器的COD去除效能。

生态段反应器对COD的去除效能比较稳定，其出水COD均可达标，随着温度的提升，系统COD去除效能有一定提升。 夏季COD去除率分别高于春秋季和冬季3%，5%；去除负荷分别高出1.7 g COD/m2•d，2.9 g COD/m2•d；降解量分别高出10 mg/L，17 mg/L。温度因素对系统去除效能具有一定影响。在两级间歇式反应器去除负荷分配上，随着温度的提升，COD去除更集中在生态段一级反应器。夏季生态段一级反应器去除负荷68.1gCOD/m2•d，高于生态段二级反应器47.1 g COD/m2•d；降解量198mg/L，高于生态段二级反应器137 mg/L。生态段一级反应器降解量占系统总降解量的76%。分析认为：温度提升，可增强微生物的活性，提高有机物降解能力。两级间歇式反应器由于增设了排空闲置期，强化大气复氧，强化了系统的COD去除效能。

由图2~3和图5~6可知，温度因素对两级间歇式反应器NH4+-N和TN去除具有较大影响。夏季系统NH4+-N去除率为93%，高出春秋季和冬季5%和27%；降解量52mg/L，高出春秋季和冬季3 mg/L 和15 mg/L ；系统NH4+-N去除负荷为10.0 gNH4+-N/m2•d， 高出春秋季和冬季1.6gNH4+-N/m2•d和3.5gNH4+-N/m2•d。夏季系统TN去除率82%，高出春秋季和冬季8%和28%；降解量56mg/L，高出春秋季和冬季6mg/L和19 mg/L ；TN去除负荷10.5gTN/m2•d，高出春秋季和冬季1.4 gTN/m2•d和3.6gTN/m2•d。春秋季和夏季出水NH4+-N和TN均可达到一级B排放标准；冬季出水NH4+-N和TN较差。分析认为：春秋季和夏季温度较高，硝化菌活性强，加之生态段反应器采用的运行方式均为“进水-反应-排水-排空闲置”，反应器在在排空闲置期内，可完成大气复氧，且由于系统内微环境的存在，表现出较好的同步硝化反硝化效能，因此具有较高的脱氮效能。而在冬季，由于温度较低，硝化菌活性受到抑制，且湿地运行负荷较高，湿地NH4+-N运行负荷11.3 gNH4+-N/m2•d，是常规人工湿地运行负荷的2~4倍，TN运行负荷13.4 gTN/m2•d，是常规人工湿地运行负荷的3~5倍。

随着温度提升，氮的去除更集中在生态段一级反应器。夏季生态段一级反应器NH4+-N去除负荷14.4gNH4+-N/m2•d，高于生态段二级反应器8.9gNH4+-N/m2•d，TN除负荷14.8gTN/m2•d，高于生态段二级反应器8.6 g TN/m2•d；生态段一级反应器NH4+-N降解量42mg/L，高于生态段二级反应器32mg/L，TN降解量39mg/L，高于生态段二级反应器22mg/L。生态段一级反应器NH4+-N降解量占系统总降解量的81%，TN降解量占系统总降解量的70%。分析认为：生态段1的生物膜量较高，微生物活性高，且进水NH4+-N的浓度也较高，反应的底物浓度大，硝化速率高，表现出较高的NH4+-N去除作用。在TN 去除方面，生态段1去除了76%的COD，其中一部分被截留吸附在床体内，可作为反硝化所需碳源，生态段1的反硝化效能高于生态段2，表现出较高的TN去除作用。

3 结论

提出了人工湿地间歇运行方式，通过设置排空闲置期，强化自然复氧，有效地提高了人工湿地处理效能。

生态段间歇式反应器在春秋季、夏季和冬季，其出水COD浓度分别为51mg/L、41mg/L和58mg/L，平均去除率分别为83%、86%和81%，去除负荷分别可达42.8gCOD/m2•d、44.5COD/m2•d和41.6gCOD/m2•d。出水NH4+-N浓度分别为7mg/L、4mg/L和19mg/L，平均去除率分别为88%、93%和66%，去除负荷分别可达8.4gNH4+-N/m2•d、10.0gNH4+-N/m2•d、6.5gNH4+-N/m2•d。出水TN浓度分别为18mg/L、12mg/L和31mg/L，平均去除率分别为74%、82%和54%，去除负荷分别可达9.1gTN/m2•d、10.5gTN/m2•d和6.9gTN/m2•d。温度因素对NH4+-N和TN去除效能影响较为显著。

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