微曝气强化人工湿地处理生活污水试验研究

翟俊，李岳

(重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045)

人工湿地作为一种高效、低成本的污水处理技术而备受关注，其主要通过湿地内植物、基质以及微生物的复杂物理、化学和生物过程来达到污水净化的效果[1-2]。研究表明，人工湿地对污水中的悬浮颗粒和有机物的去除率可达到80%以上[3-4]。

然而，由于传统人工湿地主要通过植物以及自然复氧，氧气传输速率极低，造成人工湿地对N、P营养元素的去除效率不高[5]，同时，占地面积也较大。研究表明，虽然目前垂直流人工湿地的氧气传输速率(17～25 g/m2d[6])与水平潜流湿地(氧气传输速率1～8 g/m2d[7-8])相比更高，但仍无法满足湿地系统中碳氧化和硝化等微生物过程对氧气的要求。Ye等[9]发现垂直流人工湿地对N等营养元素的去除率仍很低，仅30%～40%左右。研究表明，增设曝气系统提高人工湿地污染物去除率是一种可行的方法。马剑敏等[10]研究了曝气对垂直流和水平潜流人工湿地对污染物去除的影响，发现曝气显著提高了COD、TN、NH和NH3—N的去除效率。Fan等[11]在间歇曝气的条件下，发现潜流人工湿地可以高效去除污染物，其COD、NH3—N和TN去除率与未曝气相比分别提高了12%、71%和52%。然而，目前该方面研究通常仅探讨了曝气人工湿地处理污水的效能，并未详细考察污染物沿程的去除规律，且大部分研究将人工湿地作为污水处理厂的后处理或者在人工湿地系统前端外接预处理构筑物，而对实际高浓度生活污水的处理效果研究较少。

笔者在传统垂直流人工湿地中增加微曝气系统，研究了不同气水比和温度条件下人工湿地处理生活污水的效能及污染物沿程去除规律，以期为微曝气人工湿地的相关研究和设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 生活污水来源及水质特征

污水来源为重庆大学学生宿舍污水，该污水未经化粪池，只经过沉淀池沉淀后直接通过水泵进入人工湿地处理系统，污水水质见表1。

表1 人工湿地进水水质Table 1 The influent water quality of constructed wetland

1.2 试验装置

采用的曝气系统为微量曝气系统，曝气量较传统曝气减少约50%。图1为采用微曝气复合人工湿地系统，主要包括调节池、垂直流湿地主体、曝气系统、填料和植物。设立A、B两组系统，每组微曝气湿地由直径为1.3 m、高为1.5 m的3个加厚型塑料水桶串连组成，其有效水深为1 m。以普通碎石作为基质填料，粒径为1～2 cm，孔隙率为50%，每个塑料桶填充有1.1 m厚的砾石基质层。各桶均设取样口(A1～A9、B1～B9)，水管位于桶底呈“王”字型排布，通过控制相应阀门调整桶内流态为下进上出。仅在第2湿地系统添加曝气装置，曝气采用穿孔曝气管，距水面1 m呈“王”字型排布，管径DN25，曝气孔孔径2～4 mm，孔间距1 cm，试验装置实物图如图2所示。A、B两组系统湿地植物分别采用风车草(CyperusalternifoliusL.)和黄花鸢尾(IriswilsoniiC.H.Wright)，风车草取自于白市驿清河污水处理厂，黄花鸢尾购于花卉市场。

图1 微曝气人工湿地系统装置图Fig.1 The micro-aerated hybrid constructed wetland

图2 微曝气人工湿地系统实物图Fig.2 The physical map of micro-aerated hybrid constructed wetland

1.3 装置运行策略及水质分析方法

微曝气人工湿地采用连续流进水，装置水力停留时间4 d，进水流量21.08 L/h，曝气方式为连续曝气，不设置回流，每两天于8:00—10:00取水样进行分析测定DO、温度、pH、COD、TN、氨氮、亚硝氮、硝氮以及TP。测定方法均参考《水和废水监测分析方法》[12]。有机氮浓度由TN浓度与无机氮(氨氮、亚硝氮、硝氮)浓度相减所得。

2 结果与讨论

2.1 气水比对垂直流人工湿地去除污染物的影响

2.1.1 COD的去除 图3为湿地系统出水COD浓度以及去除率随曝气量增加的变化情况。曝气显著增加了人工湿地对有机物的去除效果，随着曝气量的增加，A、B两组COD去除率从未曝气条件下的76.5%(A组)和79.1%(B组)稳步增加到92.7%(A组)和93.6%(B组)。此外，黄花鸢尾组与风车草组的COD去除效率在各气水比条件下差异较小。一般来说，人工湿地对有机物的去除可通过基质过滤与截留、沉淀以及微生物降解等过程协同完成，但从动力学来看，微生物的降解速率远大于其他物理效应，因此，有机物在好氧条件下去除的速率更快。

图3 不同气水比对COD去除的影响Fig.3 The effects of different gas-water ratios on COD removal

许多研究也发现了曝气显著增强了人工湿地去除有机污染物的能力。Dong等[13]研究发现了垂直流人工湿地在连续曝气的条件下COD去除率较未曝气提高了约15%。Fan等[11]研究了表面流人工湿地在间歇曝气与不曝气条件下污染物的去除状况，与未曝气相比间歇曝气的策略使得湿地COD去除率提高了13%。

2.1.2 除磷 图4为不同气水比条件下系统TP的去除情况。与COD相似，黄花鸢尾组去除效率略优于风车草组，且TP去除率随着曝气量的增加而上升。在未曝气的情况下湿地TP出水浓度高达2 mg/L左右(A、B两组相应去除率为59.4%和61.6%)，而随着气水比的升高，出水浓度逐渐降低，当气水比升高到4∶1时，出水TP浓度降低至1.2 mg/L(A组)和1.1 mg/L(B组)，此时去除率为78.1%(A组)和80.0%(B组)。由于曝气直接增加了湿地的溶解氧浓度，曝气使系统除磷能力提高，使得聚磷菌在好氧条件下过量吸收磷，此外，也有研究表明，溶解氧也能促进磷对底物的吸附和沉淀。Wang等[6]研究发现，与没有曝气相比，添加了曝气系统的人工湿地对TP的去除率从3.5%提高到70%左右，且去除率在时间跨度上表现得更加稳定。

图4 不同气水比对TP去除的影响Fig.4 The effects of different gas-water ratios on TP removal

虽然曝气可以增强系统对磷的去除，但对于连续流反应器来说，其各断面TP浓度在水流方向逐渐减小，在浓度差异驱动下基质对磷的吸附会减弱。所以，这是传统连续流反应器TP去除率无法进一步提高的根本原因。普遍来看，传统连续流反应器对磷的去除效率维持在40%～80%之间[14]，主要随着反应器进水TP浓度波动。虽然TP去除率(60%～80%)处于较高水平，但从出水TP来看，即使气水比高达4∶1，其TP出水浓度(>1.0 mg/L)仍未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准(1.0 mg/L)。

2.1.3 脱氮 污水处理系统氮元素的去除主要包括微生物的氨化、硝化和反硝化及厌氧氨氧化和植物的吸收作用[14]。由于研究的规模较小且植物数量有限，因此，植物的吸收作用可以忽略。另外，由于曝气系统的存在，厌氧氨氧化细菌很难存活，研究中的湿地系统氮元素的去除主要以微生物的氨化、硝化和反硝化作用为主。

如图5所示，在系统未曝气时，由于各反应器均处于缺氧状态(DO<0.5 mg/L)，而缺少好氧/缺氧交替状态，体系硝化和反硝化效率偏低，此时人工湿地的TN去除率较低仅为46.1%(A组)和52.1%(B组)。随着曝气量的增加，系统TN的去除率显著提升，且在气水比为3∶1时达到最高，TN去除率分别为75.0%(A组)和75.3%(B组)。再继续增大曝气量，TN去除率呈现下降趋势。

图5 不同气水比对各氮素去除的影响Fig.5 The effects of different gas-water ratios on nitrogen removal

曝气能显著影响依赖好氧的硝化作用，随着气水比的升高，人工湿地出水氨氮浓度持续下降，当气水比为3∶1时，出水氨氮仅为1.85 mg/L(A组)和1.32 mg/L(B组)，而在未曝气时出水氨氮高达35.5 mg/L(A组)和29.2 mg/L(B组)。Ouellet-Planmondon等[15]研究发现，在对水平潜流人工湿地曝气后，曝气口处的可溶性氨氮较对照组(未曝气)少，湿地末端硝氮含量与对照组没有显著差异。这说明人工湿地在曝气的情况下通过提高硝化反应提升了系统的TN去除效率。

与Ouellet-Planmondon等的研究不同的是，笔者发现，过量的溶解氧会严重影响人工湿地后部反硝化过程的进行。由图5可见，随着曝气量的增加，反应器出水硝态氮以及亚硝态氮发生累积。未曝气时出水亚硝氮和硝氮浓度占总氮浓度的1%左右，气水比达4∶1时高达70%。传统污水生物处理中的氮素去除依赖厌氧条件下的反硝化过程。监测体系内部溶解氧显示，当气水比为4∶1时，第3湿地下部进水DO高达2.0 mg/L，严重破坏了其厌氧环境，从而抑制微生物反硝化的过程进行使得出水亚硝氮和硝氮的累积。

因此，合适的气水比是微曝气人工湿地保持高效率去除氮素污染物的基础，过低无法达到去除预期，而过高会影响系统的反硝化效率，笔者以气水比3∶1作为最优条件进行后续试验。

2.2 温度对垂直流人工湿地去除污染物的影响

前述研究表明，当气水比为3∶1时，湿地对污染物的去除效率最高。选取最佳气水比3∶1作后续研究条件。由于季节温度变化对人工湿地系统对污染物的净化影响较明显，监测比较了该人工湿地在6月(温度22～25 ℃)和12月(温度9～11 ℃)两月的运行情况，其结果如图6所示。

图6 温度对微曝气人工湿地的影响Fig.6 The effects of temperature on micro-aerated hybrid constructed wetland

由图6可以看出，温度对系统去除污染物效率影响较显著，尤其以脱氮除碳较为明显。与高温时候相比，低温出水COD和TN浓度分别升高了15 mg/L(A组COD)、23 mg/L(B组COD)和3.84 mg/L(A组TN)、5.54 mg/L(B组TN)，相应去除率下降了6.37%(A组COD)、9.99%(B组COD)和6.20%(A组TN)、8.99%(B组TN)，虽然低温TP出水浓度较高温升高了4.9 mg/L(A组)、4.5 mg/L(B组)但其去除率仅降低了1.75%(A组)和1.94%(B组)，表明温度对TP影响较小。温度影响微生物的生长速率，进而对污染物去除率产生影响。从低温和高温的出水氨氮浓度的差异以及硝氮浓度的相近可以看出，温度对总氮的去除主要影响硝化过程。对于不同植物来说，风车草组对温度的影响没有黄花鸢尾组明显，其对低温的适应能力更强一些，因此，部分低温地区的人工湿地可以多种植风车草。

2.3 最佳工况条件下微曝气垂直流人工湿地污染物沿程去除规律

为了探究最佳气水比条件下污染物的沿程去除规律，在最佳气水比(3∶1)的条件下监测了该湿地沿程的各污染物浓度。

图7(a)为湿地在最佳气水比下的沿程COD浓度变化。A1/B1至A3/B3取样点为第1湿地，A4/B4至A6/B6取样点为第2湿地，A7/B7至A9/B9取样点为第3湿地。由图可知，COD浓度沿程逐渐降低，COD浓度在第1与第2湿地的降解速率较快，6号取样点COD去除率已达到73.2%(A组)和79.6%(B组)，占总COD去除的80%以上，而第3湿地对总COD去除仅贡献了20%。焦义利等[16]比较了垂直流人工湿地采取起端曝气和不曝气的情况下对COD的去除情况，发现COD的去除集中发生在安置有曝气器的底部，且与未曝气相比，COD在反应器底部的去除率提升了17%。值得注意的是，试验中曝气系统安装于第2湿地，经测量DO处于1.5～3 mg/L之间，而第1湿地DO小于0.5 mg/L，处于缺氧状态，因此，有机污染物在第1湿地的去除主要以基质的拦截作用为主。而第2湿地由于曝气作用，溶解氧大于1.2 mg/L，此时，有机物在好氧细菌的作用下被快速分解。而当污水进入第3湿地时COD浓度已较低，去除效率不高。

湿地在最佳气水比条件下的TP沿程去除情况如图7(b)所示。可以看出，TP沿程浓度逐渐降低，且在第2湿地处下降最为明显，约40%～45%的TP均在第2湿地去除，而第1、3湿地对TP的去除作用较小。污水处理系统中磷元素的去除主要通过聚磷菌、植物和基质的吸收和吸附。Wang等[6]研究发现，TP去除速率随着水流方向呈现降低的趋势，其在曝气口附近TP的去除较其他部分效率高。由此可以看出，TP主要通过聚磷菌在第2湿地的好氧条件下过量吸磷而得到去除的，第1、3湿地由于缺乏溶解氧，TP主要通过植物和基质去除，去除效果较微生物作用低，仅占总体TP去除的20%左右。

图7 气水比3∶1时COD和TP的沿程变化Fig.7 The variation of COD and TP along the wetland in gas-water ratio of 3∶1

湿地氮元素的沿程分布及去除情况如图8所示。氮素去除过程较复杂，整体来看，TN浓度沿程逐渐降低。第1湿地中TN去除主要以基质吸附，植物吸收等作用为主，因此，TN去除效率较低，仅占总体的10%～14%，其随湿地植物不同而波动。第2湿地是持续曝气状态，池体DO处于1.5～3 mg/L之间，氨氮去除、硝氮累积明显，表明其中硝化反应占据主导地位。一般来说，DO会抑制反硝化细菌的生长，从而表现出较低的TN去除率，但在处于好氧条件下的第2湿地观察到了较高的TN去除率，其TN去除占总体去除的75%～83%，具体随植物不同而不同。有研究也发现了曝气提高了TN去除率[17-18]，使得系统TN明显减少。蒲帅等[17]研究发现，当曝气系统位于下层时，TN去除率比其位于中层和上层时的高。钱涌[18]发现，垂直流曝气人工湿地TN去除在底部20 cm处就已去除完毕。试验中的曝气系统就是位于下层，因此，推测可能在系统中发生了好氧反硝化过程。此外，由于人工湿地基质以及植物的存在，池体内部流态较为复杂，造成DO分布不均，可能出现部分缺氧区域发生反硝化反应，造成了TN的减少。第3湿地出水硝氮略有减少，虽然有反硝化过程，但由于COD和TN浓度仅42.0 mg/L(A组COD)、31.0 mg/L(B组COD)和14.9 mg/L(A组TN)、16.9 mg/L(B组TN)，系统处于碳源缺乏状态，导致反硝化效率偏低，其TN去除仅占总去除率的约7%～12%，随湿地植物不同而波动。

图8 气水比3∶1时氮素浓度的沿程变化Fig.8 The variation of nitrogen concentration along the wetland in gas-water ratio of 3∶1

3 结论

设计的微曝气系统能够有效提高人工湿地内的C、N和P的去除效果。合理的气水比是系统保持高效率去除污染物的基础，过度的曝气影响系统的反硝化过程，造成TN去除率的下降。在气水比为3∶1的优化条件下，湿地系统对COD、TN和TP的去除率分别为90.1%(A组)和91.0%(B组)、75.0%(A组)和75.3%(B组)、77.5%(A组)和80.3%(B组)。种植黄花鸢尾的湿地组在各气水比的条件下的污染物去除率均略优于风车草组。低温对COD和TN的去除率影响显著，而对TP的去除率影响相对较小。该人工湿地系统中COD、TP和TN的沿程去除特性具有相似规律，即在增设微曝气装置的第2湿地去除率最高。