曝气强化垂直流人工湿地对厌氧发酵液的处理效果研究

董翠苓

（海东市平安区农业农村和科技局，青海 海东 810699）

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，人们的饮食结构发生了变化。自1991 年至今，我国肉类产量和禽蛋总产量稳居世界第一。2011 年，我国畜牧养殖业总产值占农业总产值的34%左右［1］，在畜牧业发展地区，畜牧业收入可占当地农民收入的40%左右，因此，畜牧业已逐步成为当地农业经济发展的支柱产业之一［2］。有资料表明，1988 年我国畜禽粪便产量为18.8 亿 t，是当年工业固体废弃物总量的 3.4 倍［3］。2003 年，我国畜禽粪便产生量约为31.9 亿t，远超过当年工业固体废弃物10.0 亿t 的总量，畜禽粪便中的总氮量达 1 394.6 万 t，总磷量为 378.5 万 t［4］。2011—2020 年，我国主要畜牧出栏量如表1 所示。结合表1 数据和1988 年、2003 年我国畜禽粪便产量可以看出，近年来我国畜禽粪便产量较高。

表1 2011—2020 年我国主要畜牧出栏量 万头（只）

随着畜禽排泄物对环境的影响日益严重，国内外专家对此做了许多研究。其中，人工湿地污水处理技术作为一项生态污水处理技术得到了广泛应用。传统人工湿地去除氨、氮等物质受到极大的限制，尤为突出的是溶氧量使整体总氮脱除效率受到影响。因此，提高人工湿地床富氧能力，改善湿地氧化去除氨氮的环境，对提高湿地氧化去除氨氮效果及速率尤为重要。

笔者采用人工曝气强化的垂直流人工湿地解决湿地内氧环境差的问题，探讨在不同曝气条件和人工湿地不同的进水污染物负荷浓度下，对猪粪厌氧发酵液的处理效果，分析厌氧发酵液中污染物在不同曝气条件下的迁移变化规律，为曝气强化垂直流人工湿地的设计与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置的设计

本研究所利用的湿地系统包括中部曝气垂直流人工湿地与底部曝气垂直流人工湿地，整套系统由垂直流人工湿地床区、进水桶、出水桶、蠕动泵、电动气泵和时间控制器等组成。2 套试验装置均采用有机玻璃柱体制成，内径与总高度分别为9、150 cm。进水口位于系统底部，距离地面3 cm，排水口距离地面145 cm。这样的安排使原液在内部停留时间延长，减少重力影响，试验效果更佳。人工湿地床体底部均设有5 cm 厚的卵石层，以避免进水口堵塞，柱体部分采用直径3 ～5 mm 的石英砂作为填充基质。输气管由湿地系统顶部通入湿地床体中部或底部，并连接止逆阀以防止湿地内水体倒流。利用蠕动泵定时将污水桶中猪粪厌氧发酵液灌入湿地床。

1.2 湿地光照

研究采用自然光源。湿地被设置在温度为15 ～35 ℃的实验室内。为了抑制湿地内壁藻类的生长，在湿地外壁包裹1 层黑色遮光膜。

1.3 试验水质

厌氧发酵液取自北京市顺义区东华山村沼气站，在实验室储存于4 ℃条件下，并测定其初始各污染物的浓度，以备试验。

系统先通入比试验设计进水水质浓度低的人工配制污水，进行湿地植物培养和系统挂膜，历时30 d。之后通入试验设计进水水质，进行系统微生物驯化培养，历时10 d。进水、回流及排水均采用蠕动泵进行控制，调节不同的进水量，控制水力负荷。

试验期间，先将猪粪发酵液用0.85 mm 筛子过滤，再按照试验设计将原沼液稀释10 倍，并通入试验装置。平均每隔2 d 取进水、出水及装置中部水各100 mL，储存于聚乙烯瓶内。同时，立即对水样进行pH 值、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）测定，记录在运行表中；即时测试水样中的氨态氮（NH4+-N）、亚硝态氮（NO2--N）、正磷酸盐（PO43--P）、化学需氧量（COD）指标质量浓度；剩余水样保存在冰柜冷藏室中（4 ℃），以抑制微生物活性，收集后每月测试硝态氮（NO3--N）的质量浓度，每个指标2 组重复。

装置运行48 d 后，将原沼液过滤，稀释5 倍通入装置，进行B 阶段试验53 d，测定指标、测定方式、取样时间等，都与前面试验相同。

2 结果与分析

2.1 pH 值、DO、ORP 的变化

2.1.1 pH 值变化分析。pH 值是湿地系统的一个重要常规参数，影响湿地系统中各种物理化学反应及植物生长、微生物活动。例如，硝化细菌适宜的pH 值大于 7.2［5］。在进液稀释 10 倍浓度、底部曝气的条件下，pH 值没有超出6.5 ～8.5 的正常范围；同样浓度中部曝气的情况下，超出正常pH 值范围的值总计有2 个，且偏差约为0.099。而在进液稀释5 倍浓度的条件下，中部曝气pH 值没有超出正常范围；而底部曝气则有2 个非正常范围值，且偏差为0.064。因此，进液选择稀释5 倍，底部曝气，有利于硝化细菌进行硝化作用和反硝化作用，有利于湿地环境稳定。

2.1.2 DO 变化分析。根据亨特定律，氧在1.01×105Pa、25 ℃饱和水中的溶解度为 8.32 mg/L［6］。溶氧量越高，人工湿地降解有机物和硝化能力越强，同时去除氨氮能力越强。在进液稀释10 倍、底部曝气的条件下，平均溶氧量达到（4.7±0.9）mg/L，最大溶氧量达6.1 mg/L；相同倍数稀释浓度下，选择中部曝气，平均溶氧量为（4.1±0.8）mg/L，最高溶氧量为5.7 mg/L。进液稀释5 倍浓度时，底部曝气最高溶氧量为 6.9 mg/L，平均溶氧量为（5.3±0.9）mg/L；而中部曝气最高溶氧量为6.7 mg/L，平均溶氧量为（3.4±1.4）mg/L。因此，从溶氧量分析，进液稀释5 倍，选择底部曝气，更有利于湿地对于氧的溶解，更有利于硝化作用的发生，除污效果更好。

2.1.3 ORP 变化分析。氧化还原电位越高，溶液氧化性越强，湿地硝化能力越大，去污效果越好。从不同稀释倍数来看，稀释5 倍时，底部曝气平均氧化还原电位为（160.9±10.2）mV/L，和中部曝气的氧化还原电位（169.4±13.0）mV/L 变化都较小，而且都接近于进水的氧化还原电位（156.2±15.1）mV/L，但比起稀释10倍时的氧化还原电位要高一些。从不同曝气位置来看，不管在哪个稀释倍数下，中部曝气的氧化还原电位总高于底部曝气和进水的氧化还原电位。从氧化还原电位来看，进液稀释5 倍、中部曝气效果较好，但是底部曝气也没有太大影响。

2.2 脱氮效果分析

2.2.1 氨态氮去除效果。在进液稀释10 倍浓度下，底部曝气装置中，出水的氨氮去除率最高达99.8%，平均去除率为99.7%±0.1%；而中部曝气的出水氨态氮去除率最高达97.3%，平均去除率为95.6%±1.6%。在进液稀释5 倍浓度下，底部曝气的氨态氮平均去除率为85.4%±12.1%，最高去除率为99.8% ；而中部曝气的氨态氮平均去除率为82.0%±16.7%，最高去除率为99.1%。所以，从氨态氮去除效果来看，进液稀释10 倍，选择底部曝气，效果较佳、较稳定。

2.2.2 亚硝态氮和硝态氮去除效果。进液稀释10 倍时，2 种曝气方式下亚硝态氮的含量没有明显变化且接近进液中硝态氮含量。进液稀释5 倍、底部曝气时，亚硝态氮的含量有2 次明显的上升和回落变化，最高值达到36.7 mg/L，但最终含量接近于进液中硝态氮含量；进液稀释5 倍、中部曝气时，亚硝态氮含量上升缓慢，然而94 d 左右后又急速上升，最高达21.0 mg/L，最后在100 d 左右回落至进水中硝态氮含量。硝态氮的含量总体均在进液硝态氮含量之上。进液稀释10 倍时，2 种曝气方式下，硝态氮的含量总体呈下降趋势，而底部曝气时硝态氮平均含量为（53.0±9.8）mg/L，中部曝气硝态氮平均含量为（56.0±14.8）mg/L，高于底部曝气；进液稀释5 倍时，2 种曝气方式下，虽然硝态氮的含量变化均有较大波动，但是总体都呈上升趋势，底部曝气时硝态氮平均含量为（106.7±32.0）mg/L，中部曝气时硝态氮的平均含量为（112.8±44.9）mg/L，也高于底部曝气。在进液稀释10 倍浓度下，底部曝气时出水的总氮去除率最高达73.4%，平均去除率为60.1%±6.8%；中部曝气时出水的总氮去除率最高为69.5%，平均去除率为53.8%±9.8%。在进液稀释5 倍浓度下，底部曝气时出水的总氮最高去除率为60.3%，平均去除率为41.6%±9.0%；中部曝气时出水的总氮去除率最高为62.7%，平均去除率为40.1%±15.0%。整体分析，进液稀释10 倍、底部曝气时，总氮去除率最高、最稳定，此时湿地除氮效果较佳。

2.3 除磷效果分析

湿地中的植物对于污水中的磷有吸收作用，通过植物的吸收和积累，再通过对植物的收割将磷去除，但其去除比例只有6%左右［7］；湿地中的聚磷菌在好氧条件下可以过量吸收污水中的磷，使出水含磷量降低。但是，大部分磷通过与基质中的钙、铁和铝等发生物理化学反应形成沉淀，进而被吸附和沉淀下来。因此，湿地的除磷能力与基质的选择有很大的关系。在进液稀释10 倍、底部曝气的条件下，人工湿地对于磷的去除率最高为54.4%，平均去除率为35.1%±14.7%；而同样稀释浓度下，中部曝气对磷的最高去除率为50.4%，平均去除率为33.1%±13.6%。在进液稀释5 倍、底部曝气的条件下，人工湿地对于磷的去除率最高为47.7%，平均去除率为34.2%±8.8%；而同样稀释浓度下，中部曝气对磷的最高去除率为32.2%，平均去除率为10.4%±10.3%。所以总体来看，湿地在进液稀释10 倍、底部曝气的情况下，除磷效果较好、较稳定。

2.4 COD 去除效果分析

在进液稀释10 倍浓度下，底部曝气时的有机物平均去除率为80.0%±9.3%，中部曝气的平均去除率为69.7%±5.6%；在进液稀释5 倍浓度时，底部曝气下有机物的平均去除率为81.3%±15.6%；中部曝气有机物的平均去除率为68.2%±17.7%。因此，垂直流人工湿地选择进液稀释5 倍、底部曝气更有利于去除有机物。

3 结论与讨论

开展试验的总体目标是提高人工湿地的除污能力。从测定的出水指标来看，氮、磷、COD 含量越低，表示人工湿地的除污效果越好。因为COD 指标是测定有机污染物处理效果的指标，COD 含量越高，说明出水中有机污染物含量越高，表示湿地对有机污染物的处理效果越差。从试验结果来看，其他条件不变，只改变通入沼液的稀释倍数时，通入稀释10 倍沼液时的总氮、磷及有机物的去除率较通入5 倍稀释沼液时的去除率高，且去除效果较稳定，反应环境变化较小、较稳定。如果只改变曝气位置，其他条件不发生变化，底部曝气时各项污染物的去除率均高于中部曝气，效果相对较稳定，硝化作用和反硝化作用也相对较稳定。