以硫自养为核心填料的人工湿地脱氮效率及工艺研究

马西涛，许 建

（中持水务股份有限公司，北京 100192）

近年来，随着城市化进程的加快，各种污染源的排放总量一直在升高，各种污染指标也在不断升高。其中总氮作为主要的污染指标，其去除任务一直是重中之重。由于生活水平的不断提高，以及化肥、农药等有机物的大量排放，导致水体中氮的含量迅速增多，而微生物通过硝化与反硝化作用所需要的碳源却相对减少，尤其是城市污水处理厂尾水的深度处理，及进入河道的水体的处理带来了困难。因此在低C/N 的情况下，如何高效进行脱氮是十分必要的。本文首次探讨了以硫自养填料作为脱氮填料在人工湿地的的治理研究，以确定最适于硫自养核心填料湿地的潜流类型、进水方式，为后续工程应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 工作条件和原水水质

本课题组依托深圳市宝安区石岩街道某公园设计建造的潜流人工湿地工程。该人工湿地的主体工艺为自养强化型潜流湿地+常规垂直流潜流湿地的复合人工湿地处理技术，主要用于净化上游径流经过的河道水，增强水质保障功能。本实验处于工程设计前期阶段，用以确定工程设计的方案。实验原水源自石岩湿地公园内石岩河与上屋河交汇处的河道水，pH值 为7.32±0.1，DO 值 为2.35 mg/L±0.48 mg/L，NH4+-N、NO3--N、TN、TP、COD、SO42-、总Fe、Fe2+质量浓度分别为0.58 mg/L±0.1 mg/L、1.5 mg/L±0.25 mg/L、2.43 mg/L±0.3 mg/L、0.28 mg/L±0.08 mg/L、22 mg/L±3.5 mg/L、63 mg/L±8 mg/L、0.021 mg/L、0.007 mg/L。实验在非汛期季节展开，进水水质变化小，水温基本维持在20℃以上，菌群种类较多，由此为填料的快速自然挂膜提供了有利条件。

1.2 实验装置与材料

主要实验装置为以硫自养填料为核心构建的人工湿地和及以常规填料构建的人工湿地，二者均采用有机玻璃方形容器，主体尺寸均为100 cm×60 cm×120 cm（L×B×H），有机玻璃方缸壁厚1.2 cm，短边一侧底部与另一侧距顶部下方20 cm 处穿孔连接导流管并设置阀门，以供进出水及采取水样用，每个玻璃方缸在进出水口一侧都另设有3 个取水样口，高度距其缸底分别为10、50、90 cm。硫自养核心填料潜流湿地结构从下至上依次为填充高度20 cm 的砾石层、填充高度60 cm 的硫自养填料层、填充高度20 cm 的种植土层及高20 cm 的植物与超高层；常规填料潜流湿地结构从下至上依次为填充高度20 cm 的砾石层、填充高度30 cm 的碎石层、填充高度30 cm 的陶粒层、填充高度20 cm 的砾石层及高20 cm 的植物与超高层，实验所选用的硫自养填料粒径5～10 mm，砾石粒径10～20 mm，碎石粒径20～30 mm，陶粒粒径5～10 mm，其中硫自养填料购于北京中持碧泽环境技术有限责任公司，其他填料均常见。另外每个人工湿地装置填料层表面种植6 株黄菖蒲以构成完整的湿地系统。

1.3 实验设计与装置运行

以硫自养核心填料潜流湿地装置为研究对象，使用间歇式进水方式用以控制溶解氧浓度，原水通过泵入连接前端的高位水箱，再通过降流式进入自养强化型潜流湿地中，分别采取垂直流（填料顶部、装置底部均匀平铺布水器和集水装置）和水平流形式，每隔3 d取一次水样并换水以确定更优的潜流类型，其后根据优化的潜流类型探究降流式与升流式对系统脱氮的效果，以确定最适的进水方式。

1.4 分析项目及方法

水质指标按照国标方法分析，其中NO3--N 和TN分别采用紫外分光光度法（试行）HJ/T 346—2007 和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法HJ 636—2012 测定；NH4+-N 采用纳氏试剂分光光度法HJ 535—2009测定；硫酸盐采用离子色谱法HJ/T 84—2001 测定；总铁与亚铁采用邻菲啰啉分光光度法测定。

2 结果与讨论

2.1 不同潜流类型下单一湿地的脱氮效果

实验装置于2022 年3 月开始启动，图1 为硫自养核心填料潜流湿地中垂直流与水平流方式对氮素去除的影响。

图1 潜流类型对单一湿地系统NO3--N 和TN 的去除效果

从图1-1 可以看出，通过对装置进出水NO3--N随运行时间的变化进行监测，运行前6 d 2 个装置的去除率均在52%±2%左右，实验初期由于尚未进行污泥的驯化和厌氧环境的控制，可推断NO3--N 含量的下降主要以填料的吸附及异养反硝化作用为主，随着运行时间的增加和有机物的迅速消耗，自养反硝化菌逐渐成为优势菌种，对NO3--N 的去除率继续增高。垂直潜流类型最终相对于水平潜流类型NO3--N 的去除率更高，其中在21 d 时垂直流装置的NO3--N 去除率可以达到最高的93.06%，该潜流类型下NO3--N 去除率上升更快。这是由于垂直式的水流穿行途径更有利于填料均匀充分的截留吸附和对生物膜的附着，强化了反硝化作用的进行[1]，运行第12 d 时去除率出现短暂的下降则可能是竞争导致异养反硝化微生物死亡促使细胞内氮素释放。

分析两组潜流类型下TN 随时间的变化情况，结果如图1-2 所示，2 个装置在6 d 前TN 去除率接近42%，该部分作用是实验初始阶段由于进入装置的原水中存在足够的溶解氧使得NH4+-N 能被硝化，此时随着有机碳源的消耗和缺氧环境的形成异养反硝化菌迅速增殖从而完成脱氮，之后硫自养反硝化作用渐渐增强导致脱氮效果得到进一步提升。其中垂直潜流布水能更快在填料表面复氧，这种方式下相当于若干个微型A/O 法串联，提升了硝化菌和反硝化菌的活性周期，并在18 d 后去除率稳定达到80%以上，出水质量浓度低于0.65 mg/L；而水平潜流布水在运行24 d后TN 去除率小幅下降至65.20%，出水质量浓度为0.87 mg/L，结合实验观察，水平潜流装置在运行24 d后出水流量减小，更易出现基质堵塞问题。因此，本研究最佳硫自养核心潜流湿地类型为垂直流。

2.2 不同进水方式下单一湿地的脱氮效果

将垂直潜流作为硫自养核心填料单一湿地的布水类型，再分别以降流式和升流式通过湿地处理24 d后得到如图2 所示结果。

图2 进水方式对单一湿地系统NO3--N 和TN 的去除效果

由图2-1 可知，降流式和升流式两种进水方式下的NO3--N 去除率在15 d 后都趋于稳定，且在24 d 后都达到了最大去除率，二者去除速率相近。不同的是试验前中期升流式的NO3--N 去除率一直高于降流式，究其原因是升流式中氧气随水流向上流动，气泡在填料间隙间的上升运动能对填料有疏通作用，减少填料空隙气阻现象的发生，提高了氧利用率，使得整个湿地填料在横断面上对于NO3--N 可以更加充分的吸附。另外，由于填料粒径与颗粒间空隙从下至上逐渐变小，该进水方式也能提高对污染物的拦截与沉淀能力。但运行后期湿地对于NO3--N 的去除主要依靠反硝化细菌的反硝化作用，因此两种方式下的出水差异逐渐减弱。

图2-2 可以看出，任何一种进水方式在运行6 d前出水TN 浓度的下降无明显变化，但此过程中降流式平均去除率比升流式低了约14%，随着运行时间的推进，去除率均开始大幅持续升高，24 d 后TN 的最大去除率基本相同，对应的TN 去除率在85.97%～87.11%，这与NO3--N 在运行时间上的变化规律较为相似。有研究指出，升流式在污水处理工艺中更耐冲击负荷[2-3]，在UAFB 反应器进行脱氮处理时总氮容积负荷从0.61 kg/（m3·d）提升至2.52 kg/（m3·d）时，上向流方式仍能保持90%的去除率。由此可见，升流式的进水方式更有利于硫自养核心填料潜流湿地快速脱氮。

3 结论

以硫自养为核心填料在人工湿地中去除水中氮元素具有较强的可行性，其中潜流类型、进水方式均对整个系统反硝化性能具有一定的影响。

1）在单一硫自养核心填料人工湿地中垂直流类型的脱氮效率更高，稳定运行后NO3--N 和TN 最高达至93.06%和82.30%，分别比水平流类型上升了7.08%和10.49%。

2）升流式的进水方式可以削弱气阻更充分的进行填料吸附及缩短挂膜周期，从而在第9 d 便可达到80%以上良好的脱氮效能。