微气泡处理高负荷人工湿地生态系统的脱氮影响

龙伦明 吴鹏 顾雪锋 陈鲁海 杨林鹏

1.北控（杭州）生态环境投资有限公司，中国·浙江 杭州 311100

2.上海金相环境科技有限公司，中国·上海 200062

1 引言

人工湿地作为一种运行操作简便，运营费用低，生态效益佳的水质净化工艺，在中国污水处理厂尾水深度处理已得到广泛的应用。但随着土地资源日益紧张，人工湿地水力停留时间长，占地面积大的缺点逐渐凸显[1]。提高人工湿地脱氮效率，加大水力负荷，减少占地面积的高负荷人工湿地已成为研究重点。目前，已有通过高效基质筛选[2]、布水改良[3]、与其他工艺耦合[4-5]、碳源补充[6]等方面来提升高负荷人工湿地脱氮效率的研究。

此外，溶解氧作为人工湿地水处理效果的重要影响因子之一，通过控制溶解氧促进高负荷湿地的脱氮过程也成为重点研究对象[7]。但常规的植物供氧和传统曝气方法氧气利用率低[8]，难以满足高负荷湿地的净化需求。而微气泡具有比表面积大、停留时间长、界面zeta 点位高、传质效率高等特性[9]，恰好能弥补了传统曝气增氧的不足[10]，但目前鲜有微气泡曝气促进高负荷湿地脱氮的报道。

论文在高负荷平潜流人工湿地中增加微气泡发生装置，研究湿地单元在不同通水量条件下输入微气泡时，人工湿地处理污水处理厂尾水的脱氮效率，为微气泡高负荷人工湿地的设计和运行提供参考依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验装置

本试验在高负荷水平潜流湿地的两个并联单元上运行，两个单元并联对称，一个试验单元，一个对照单元，表面水力负荷高达1.6m3/（m2·d），该人工湿地已运行5年，表层无种植土，填料上栽种香蒲。试验单元规格为28m×20m×1m，水力坡度为0.5‰。采用JXWNP-3-3.02通用型微气泡发生器对试验单元进行曝气，为了提升微气泡效率，湿地单元蓄水15cm，微气泡发生器进水设在集水区中间，微气泡出口设在配水区中间，以PU 软管连接微气泡发生器。微气泡出口在蓄水水面下10cm，距单元配水渠100cm。

2.2 试验水质

试验用水采用东营某城市生活污水处理厂巴氏计量槽出水，水质指标见表1。

表1 水质指标

2.3 试验方法

微气泡装置于2021年5月上旬设置完成，6月初湿地单元中加入1kg 特性菌剂对微生物系统进行重建。重建期间，对湿地单元进行封闭，打开微气泡发生器循环曝气，全天持续曝气，特性菌种投加频率为1 次/3d。30d 后，7月上旬每天曝气12h，每天测1 次封闭水体水质，持续30d 曝气待水质相对稳定后，8月上旬进入试验阶段。试验分为3 个阶段，每个阶段均为每天夜间曝气12h，单位时间微气泡量设定为7.5m3/h，第一阶段通水量为300m3/d，为低水量阶段，每天取样测定，运行周期15d；第二阶段通水量为600m3/d，为中水量阶段，每天取样检测，运行周期15d；第三阶段通水量为900m3/d，为全水量阶段，每天取样检测，运行周期15d。

2.4 分析方法

本试验中单位时间微气泡循环量相同，通过控制微气泡发生器进水阀门控制微气泡量，用流量计显示瞬时微气泡量。出水中NH3-N、TN、COD 均采用国标法，pH 和DO使用六参数水质测定仪现场测定。

3 结果与分析

3.1 微气泡对总氮去除率的影响

图1为不同通水量条件下湿地单元中总氮的去除情况。由图1 可知微气泡曝气单元对总氮的去除率显著高于未曝气单元，湿地单元通水量的增加显著降低系统对总氮的去除率。在低水量阶段Q=300m3/d 时，总氮去除率由未曝气单元的14.79%提高到曝气单元的46.8%；在中水量阶段Q=600m3/d 时，总氮去除率由未曝气单元的9.92%提高到曝气单元的24.8%；在全水量阶段Q=900m3/d 时，总氮去除率由未曝气单元的6.77%提高到曝气单元的22.38%，低水量阶段比中、全水量阶段提升明显，中水量到全水量阶段提升不显著。这是由于低水量阶段，微气泡循环量更高，填料内部微生物活性更强。但是随着通水量的增加，中、全水量相比于低水量时总氮的去除率明显降低，其原因可以从图中得出，在曝气单元低水量阶段时，氨氮和总氮去除率均最大，说明在微气泡量一定的情况下，水力停留时间对污染物去除率起到关键作用，水体污染物与微气泡充分接触反应才能提升脱氮效率。水力负荷增加和微气泡间歇曝气的双重增氧情况下，说明溶解氧的增加严重破坏了其厌氧环境，从而抑制微生物反硝化的过程[11]，从而使总氮的去除率迅速下降。为进一步提高总氮的去除率，可以通过增加湿地的水生来改变高负荷湿地填料底部的厌氧环境，降低水力负荷以促进反硝化作用，提高湿地脱氮效率，同时还可以节约用地。

图1 湿地单元通水量对TN 去除影响

3.2 微气泡对氨氮去除率的影响

不同通水量条件下，微气泡曝气对氨氮去除情况如图2 所示。从图2 可知，微气泡循环输入对湿地单元氨氮去除率提升不显著（P ＞0.05），但是通水量的改变，即水力负荷的改变对氨氮去除有一定影响。在低水量阶段Q=300m3/d时，氨氮去除率由未曝气单元的51.8%提高到曝气单元的61.84%；在中水量阶段Q=600m3/d 时，氨氮去除率由未曝气单元的66.59%降低到曝气单元的49.46%；在全水量阶段Q=900m3/d 时，总氮去除率由未曝气单元的68.4%提高到曝气单元的55.73%。结果表明，在低水量阶段，虽然水力负荷小，但微气泡显著增加了湿地单元溶氧，形成了良好的好氧环境；但是随着通水量增加，水力负荷也随着增加，由于湿地单元进水溶解氧平均在8.44mg/L 左右，快速的水流同样能显著改善湿地的硝化环境。说明微气泡能促进低水力负荷情况下的氨氮去除效率，而高水力负荷微气泡的作用明显削弱。

图2 湿地单元通水量对NH3-N 去除影响

3.3 气水比与污染物去除率的关系

从图3 可知，微气泡与通水量比和污染物去除率有一定的线性关系，气液比在0.05～0.1 时，总氮去除率和气液比成反比，氨氮去除率和气液比成正比，说明在微气泡改善了湿地好氧环境，有利于氨氮去除，而抑制了总氮的去除；气液比在0.1～0.15 时，总氮去除率和气液比成正比，氨氮去除率和气液比成反比，说明水力负荷减小的作用优于微气泡的作用；气液比在0.15～0.3 时，总氮和氨氮去除率均和气液比呈指数关系，说明在气泡液输入量一样时，湿地负荷越低，污染去除效果越好；气液比在0.3～3 时，总氮去除率和气液比成正比，氨氮去除率和气液比成反比，说明在气泡液输入量一致时，湿地负荷越低，总氮去除效果越好，负荷越高，氨氮去除效果越好。

此外，从图3 可以看出总氮和氮气去除率在1.8 时一致，均为55.5%，但是微气泡与通水量比太大，水力负荷仅为0.09m3/（m2·d），处理水量较少，能耗相对较高；气液比为0.3 时，即湿地水力负荷为0.54m3/（m2·d）时，污染物去除效率相对最高。

图3 微气泡与通水量比与污染物去除率的关系

4 结论

①在1～1.6 m3/（m2·d）高负荷条件下，微气泡间歇曝气对氨氮和总氮均有显著的去除效果，总氮去除率在22.38%～34.4%之间，氨氮去除率在45.70%～55.73%之间。

②微气泡与通水量比越小，运行能耗越低，因此从经济技术角度考虑，在水力负荷为1.6m3/（m2·d），气水比为0.05 时，总氮去除率为34.5%，氨氮去除率为45.7%，可有效节约高负荷湿地运行成本。

③微气泡预处理强化湿地单元生态系统后，水力负荷提高到1.2～1.6m3/（m2·d）可稳定出水达标，相当于节省用地16.7%～37.5%，既可缓解用地压力，又可减少人工湿地建设投资。