強化供氧對低溫域人工濕地脫氮及微環境的影響

黃 娟 楊思思 郭 楊,2 鐘秋爽 王世和 劉 洋

(1東南大學土木學院,南京 210096)(2江蘇省住房和城鄉建設廳城市節約用水辦公室,南京 210036)

針對改善濕地低溫域(T<15 ℃)運行效果,國內外學者采用植物收割、降低水力負荷、序批式間歇運行、植物覆蓋、PVC膜保溫等一系列強化措施[13-15],也有通過在濕地前增加化糞池、厭氧消化池、浮游生物床等預處理構筑物[16-17],或在濕地后增加穩定塘[18]作為深度處理,來改善低溫除污效果.

人工濕地低溫域脫氮效果差的問題已得到普遍關注,如何強化低溫脫氮效果逐漸成為熱點.筆者前期研究發現[19],潛流人工濕地反硝化速率明顯高于硝化速率,硝化作用是脫氮的限制措施.濕地溶解氧水平在很大程度上影響著濕地脫氮效果[20].然而國內外對人工濕地氧濃度提高措施的實際運行研究還較少.因此,本文研究了在低溫域(T<15 ℃)收割植物地上莖葉并覆膜后,強化供氧對人工濕地氧環境及除污效果的影響,以期為人工濕地低溫脫氮差的技術瓶頸提供可行的解決措施,為該技術的進一步推廣應用奠定基礎.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置為7組潛流人工濕地,其中6組水平流,1組垂直流.本試驗在各組水平流濕地中運行,其結構如圖1(a)所示.首先在3組水平流濕地中分別于不同位置曝氣,確定最佳曝氣位置;然后在6組濕地的最佳曝氣位置以不同氣水比曝氣,并與曝氣前比較;最后在最佳曝氣條件下,考察穩定運行下的水平流濕地中溶解氧、微生物等指標的分布特征.

圖1 人工濕地結構及采樣口分布

各濕地尺寸為3.0 m×1.0 m×1.0 m,底面坡度為1%,處理區填料由0.85 m厚的4層組成,分別為:底層0.2 m厚粗糙礫石(粒徑40～60 mm),中層0.3 m厚中等礫石(粒徑20～40 mm),上層0.15 m厚細小礫石(粒徑10～30 mm),表層覆土0.2 m.污水在濕地中沿水平方向流動,流經布水區、床體和集水區.本試驗中,濕地植物為蘆葦(Phragmites communis trin.)和美人蕉(Canna generalis).在冬季低溫條件下,收割蘆葦和美人蕉的植物地上部分,保留植物根系.

如圖1(b)所示,在濕地下層高0.2 m、中層高0.4 m、上層高0.6 m,沿程0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m處,共設置15根充氧管,充氧管橫跨整個濕地,沿側壁接出,以軟管與空氣壓縮機連接,同時可用作沿程采樣管.

1.2 進水水質

濕地進水為污水廠初沉池出水,水質條件見表1.各水質指標的測定均采用《水和廢水監測分析方法》(第4版)中的標準方法進行測定.

表1 人工濕地進水水質 mg/L

2 結果與討論

2.1 曝氣運行參數

最高氣溫低于15 ℃時,濕地植物地上部分已收割并覆蓋PVC薄膜保溫.濕地連續運行,控制HRT為4～6 d,水位運行保持在60 cm位置.分別在濕地S6,S8,S10充氧管中曝氣,比較曝氣位置對脫氮效果的影響.此外考察不同強度下(曝氣強度采用氣水比表示)連續曝氣對DO分布及除污效果的影響.

2.1.1 不同曝氣位置對脫氮效果的影響

圖2 不同供氧位置時去除效果

2.1.2 不同曝氣強度對脫氮效果的影響

圖3 不同氣水比出水氧濃度和凈化效果

由圖3可見,由于植物收割后喪失了向系統輸氧的能力,覆膜使濕地表面與大氣隔絕,喪失了大氣復氧能力,因此在無曝氣的情況下,出水DO濃度接近于零,甚至低于檢測低限.隨著氣水比增大,出水DO濃度上升.當氣水比小于2時,出水氧濃度變化不大,說明供氧量仍無法滿足系統需氧量.氣水比升至2～5時,出水DO顯著上升,最高達0.6 mg/L,說明充氧對濕地氧環境有了明顯改善.當氣水比大于5后，出水DO上升漸趨平緩.

COD去除率隨曝氣強度的增大呈先上升后下降的趨勢.在氣水比為3～4時,COD去除率達77%;氣水比大于4后,去除率反而有所降低.這是由于曝氣量過大,氣體對濕地基質的沖刷影響到基質對有機物的吸附,降低了微生物對營養物質的利用.

綜合考慮不同氣水比對潛流濕地溶解氧濃度的提高及對各類污染物去除率的影響,并考慮經濟因素,確定低溫條件下植物收割覆膜后,強化曝氣的最佳氣水比為4∶1.

2.2 最佳曝氣條件下濕地微環境與除污特性

低溫條件下,對收割植物地上部分并覆膜后,于濕地前段S6以氣水比為4∶1曝氣,考察人工濕地中溶解氧的空間分布、脫氮菌數量及污染物去除率的沿程變化.

2.2.1 溶解氧分布

圖4反應了無曝氣和最佳曝氣條件下,潛流濕地內溶解氧沿程分布規律.可見,濕地前段曝氣可有效提高濕地全程氧濃度,改善氧分布狀況.無曝氣條件下,由于植物收割和表面覆膜使濕地氧源受限,系統氧環境極為惡劣,進水DO大于0.8 mg/L,而濕地內氧濃度普遍低于0.2 mg/L,濕地中、后段氧濃度接近于零,對微生物脫氮極為不利.在濕地前段以4∶1氣水比曝氣后,前段氧濃度迅速上升至1.2 mg/L,之后由于污染物好氧降解和微生物好氧呼吸,溶解氧濃度緩慢下降.

圖4 曝氣對DO沿程分布的影響

沿濕地深度方向,無曝氣濕地沿程氧濃度分層現象不明顯.在曝氣的濕地中,濕地中層氧濃度普遍高于下層,上層氧濃度最低.這是由于曝氣點位于濕地中層,中層氧濃度改善顯著,氧的擴散作用使濕地上層和下層氧濃度也相應上升.而濕地上層微生物分布數量最多,污染物好氧降解作用集中,導致上層耗氧量明顯高于下層,故曝氣濕地上層的氧濃度略低于中、下層.

2.2.2 脫氮菌及硝化反硝化作用強度分布特征

在無曝氣和最佳曝氣條件下,分別于濕地沿程0.5,1.5,2.5 m,土壤表層以下15～20 cm處采集土樣,MPN法分別測定脫氮菌數量,如表2所示.

低溫域濕地硝化菌數量級在103～104之間,濕地前段硝化菌數量高于中后段.曝氣后,濕地硝化菌數量比曝氣前提高1個數量級,說明供氧使濕地前段氧環境改善顯著,硝化菌繁殖加快,數量增長.低溫域濕地曝氣前反硝化菌數量級在104,濕地中后段數量高于前段.供氧后,濕地中后段反硝化菌提高了1個數量級,前段相差不明顯.分析認為在濕地中后段仍以厭氧環境為主,反硝化菌優先選擇硝酸根作為最終電子受體,因此在前端硝化充分的基礎上,反硝化菌數量也隨之增加.

表2 濕地中硝化/反硝化菌的數量 MPN/g

2.2.3 濕地除污特性

圖5 曝氣對去除效果的影響

3 結論

2) 就濕地脫氮效果而言,濕地前段是強化曝氣的最佳位置;結合濕地對有機物和含氮污染物的去除效果及經濟因素,確定濕地強化曝氣的最佳氣水比為4∶1.

3) 在最佳曝氣條件下,濕地全程溶解氧分布明顯改善,前段達1.2 mg/L,整體高于0.4 mg/L,上層氧消耗量最大;濕地土壤層硝化、反硝化菌數量均有所提高,前段硝化菌數量提高1個數量級,后中段反硝化菌數量提高1個數量級;對有機物及氮類污染物降解提高顯著,脫氮率提高15%～20%.

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[1] Georgios D G, Vassilios A T. A small-size vertical flow constructed wetland for on-site treatment of household wastewater [J].EcologicalEngineering, 2012,44(7): 337-343.

[2] Soon-An O, Katsuhiro U, Daisuke I, et al. Performance evaluation of laboratory scale up-flow constructed wetlands with different designs and emergent plants [J].BioresourceTechnology, 2010,101(19): 7239-7244.

[3] Wang F, Liu Y, Ma Y X, et al. Characterization of nitrification and microbial community in a shallow moss constructed wetland at cold temperatures [J].EcologicalEngineering, 2012,42(5): 124-129.

[4] Ghada E. Temperature impact on operation and performance of Lake Manzala Engineered Wetland, Egypt [J].AinShamsEngineeringJournal, 2010,1(1): 1-9.

[5] Alexandros I S, Vassilios A T. Effects of loading, resting period, temperature, porous media, vegetation and aeration on performance of pilot-scale vertical flow constructed wetlands [J].ChemicalEngineeringJournal, 2012,181-182(1): 416-430.

[6] Carrie R T, Paul B H, Otto R S, et al. Seasonal effects of 19 plant species on COD removal in subsurface treatment wetland microcosms [J].EcologicalEngineering, 2011,37(5): 703-710.

[7] Ouellet-Plamondona C, Chazarenc F, Comeau Y, et al. Artificial aeration to increase pollutant removal efficiency of constructed wetlands in cold climate [J].EcologicalEngineering, 2006,27(3): 258-264.

[8] Ham J H, Yoon C G, Jeon J H, et al. Feasibility of a constructed wetland and wastewater stabilisation pond system as a sewage reclamation system for agricultural reuse in a decentralised rural area [J].WaterScience&Technology, 2007,55(1/2): 503-511.

[9] 陳曉東,常文越,王磊,等.北方人工濕地污水處理技術應用研究與示范工程[J].環境保護科學, 2007, 33(2): 25-28, 61.

Chen Xiaodong, Chang Wenyue, Wang Lei, et al. Application study and engineering demonstration of northern constructed wetlands wastewater disposal process [J].EnvironmentalProtectionScience, 2007,33(2): 25-28, 61. (in Chinese)

[10] Picard C R, Fraser L H, Steer D. The interacting effects of temperature and plant community type on nutrient removal in wetland microcosms [J].BioresourceTechnology, 2005,96(9): 1039-1047.

[11] Brodrick S J, Cullen P, Maher W, et al. Denitrification in a natural wetland receiving secondary treated effluent [J].WaterResearch, 1988,22(4): 431-439.

[12] Hsu C B, Yeh C H, Ho Y S, et al. Biodiversity of constructed wetlands for wastewater treatment [J].EcologicalEngineering, 2011,37(10): 1533-1545.

[13] Solano M L, Soriano P, Ciria M P. Constructed wetlands as a sustainable solution for wastewater treatment in small villages [J].BiosystemsEngineering, 2004,87(1): 109-118.

[14] 周健,王繼欣,張勤,等. 序批式人工濕地冬季低溫脫氮的效能研究[J].環境科學學報, 2007, 27(10): 1652-1656.

Zhou Jian, Wang Jixin, Zhang Qin, et al. Research on nitrogen removal efficiency in a sequential batch constructed wetland at low temperatures in winter [J].ActaScienceCircumstantiae, 2007,27(10): 1652-1656. (in Chinese)

[15] Green M, Friedler E, Ruskol Y, et al. Investigation of alternative method for nitrification in constructed wetlands [J].WaterScienceandTechnology, 1997,35(5): 63-70.

[16] Neralla S, Weaver R W, Lesikar B J, et al. Improvement of domestic wastewater quality by subsurface flow constructed wetlands [J].BioresourceTechnology, 2000,75(1): 19-25.

[17] Luederitz V, Eckert E, Lange-Weber M, et al. Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flow and horizontal flow constructed wetlands [J].EcologicalEngineering, 2001,18(2): 157-171.

[18] Li X F, Jiang C C. Constructed wetland systems for water pollution control in North China [J].WaterScienceandTechnology, 1995,32(3): 349-356.

[19] 黃娟, 王世和, 鄢璐, 等. 潛流型人工濕地硝化和反硝化作用強度研究[J]. 環境科學, 2007, 28(9): 1965-1969.

Huang Juan, Wang Shihe, Yan Lu, et al. Intensity of nitrification and denitrification in subsurface-flow constructed wetlands [J].EnvironmentalScience, 2007,28(9): 1965-1969. (in Chinese)

[20] Huang J, Wang S H, Yan L, et al. Plant photosynthesis and its influence on removal efficiencies in constructed wetlands [J].EcologicalEngineering, 2010,36(8): 1037-1043.