冬季低温条件下潜流人工湿地强化脱氮技术研究

文_陈鸣 黄娟 朱小曼 周杨

1.南京市生态环境保护科学研究院 2.东南大学土木工程学院市政工程系

人工湿地除污效果受季节温度的影响较大，温度低于15℃时污染物去除率低于高温季节，特别是含氮污染物去除效果更差。近年来国内外学者开始关注人工湿地在冬季低温条件下的运行效果。Healy等认为潜流人工湿地在低温域设计时是首选。Iamchaturapatr等提出结合人工湿地的植物面积和质量来选择高效的耐寒植物。Solano等认为，低温条件下适当降低水力负荷一定程度上可以改善除污效果。

试验采取了一系列针对性的改善冬季低温条件下人工湿地运行效果的技术措施，并进行了研究对比。

1 试验设计

试验选择水平潜流人工湿地，沸石填料进行填充，种植植物为芦苇，连续进水。试验人工湿地装置尺寸为2.5m×0.8m×0.9m，湿地底面坡度为1%，分为布水区、反应区和集水区。湿地一端进水，布水区、集水区采用穿孔板，使得进出水更加均匀，连续进水。试验潜流人工湿地装置见图1。

潜流人工湿地试验进水水质见表1。

表1 潜流人工湿地进水水质

2 实验过程

本次研究分别采取多点进水，局部曝气和预曝气三种手段，分别考察低温条件下对人工湿地脱氮效果的改善情况。

2.1 多点布水

冬季收割植物地上茎叶后，进行表面覆膜。本研究再湿地沿程布设多个进水点，采用多点布水方式强化脱氮效果。

将潜流人工湿地反应区分为三段，进水流量配置上分别以 1：1：1、2：1：1、1：2：1、1：1：2 的配水比进水，考察平均温度为2～12℃、进水平均氧浓度为0.9mg/L时，湿地中各类污染物的去除率，并与普通的一端进水进行比较分析，结果如图2所示。

从图2 可以看出，综合COD、TN、NH4+-N和TP去除效果，最佳布水比为1：2：1。多点布水可以为潜流人工湿地后段适当补充碳源，但是硝化反应过程中，溶解氧才是限速因子。因此，多点布水虽然可以补充人工湿地的部分碳源，但冬季潜流人工湿地溶解氧整体处于一个较低的水平，从而导致潜流人工湿地脱氮效果的改善并不明显。

2.2 局部曝气

分别在潜流人工湿地中层前段、中段和末段处连续曝气，气水比4：1，不同曝气位置NH4+-N和TN去除率随运行时间的变化规律见图3、图4。

由图3可以看出，在湿地前段、中段和后段处曝气，湿地NH4+-N去除率均有不同程度的提升。初期整体差异较小，但是随着湿地的持续运行，前段曝气的NH4+-N去除率明显快速提升，去除效果最好，其次为中段曝气，末段曝气去除效果最差。分析其原因，潜流人工湿地前段氧消耗量较大，而前段曝气能够改善湿地前段溶解氧状况，有利于提高硝化菌活性，从而有利于促进硝化反应的进行。

由图4可以看出，与末段曝气相比，前段和中段曝气均能提高潜流人工湿地TN的去除效果。前段曝气湿地脱氮效果提升最为显著，随着湿地的持续运行，脱氮效果稳定升高。中段曝气TN去除率提升相对较少，后段曝气TN去除率无明显升高。

2.3 预曝气

采用两组人工湿地进行对比，相同生活污水进水，其中一组不曝气，另一组曝气，气水比为4：1，试验期间温度为3～12℃。预曝气、非曝气湿地NH4+-N、TN去除率随湿地运行时间的变化规律结果如图5、图6所示。

图5可以看出，预曝气潜流人工湿地NH4+-N去除率有明显提升，提升幅度为4.16%。分析认为在低温条件下，潜流人工湿地氧含量较低，远不能满足硝化反应的需求，因此非曝气潜流人工湿地NH4+-N去除率偏低，而预曝气潜流人工湿地溶解氧环境得到有效改善，故能够提高NH4+-N去除率。

图6可以看出，曝气潜流湿地对TN的去除率有明显提升，提升幅度为3.94%。预曝气改善潜流人工湿地内部氧环境，促进硝化反应的进行，从而产生较多的硝态氮，湿地后段反硝化速率迅速提升，因此湿地TN去除率得到有效提升。

3 结语

（1）从脱氮方面考虑，潜流人工湿地采用多点布水，可有效改善湿地溶解氧分布，TN去除率提高约3%～5%，但不利于湿地除磷。

（2）低温条件下，前段曝气对潜流人工湿地脱氮效果改善最为明显，能有效改善系统溶解氧环境，可使TN去除率提高15%左右。

（3）低温条件下，进水采用预曝气处理后，潜流人工湿地溶解氧浓度得到有效提升，促使湿地内部硝化、反硝化反应效率提高，因此湿地NH4+-N和TN去除效果明显提升。