不同水力負(fù)荷下兩類濕地脫氮效果對(duì)比研究

摘要：在不同水力負(fù)荷下，對(duì)比研究了復(fù)合垂直流人工濕地和潛流人工濕地對(duì)污水處理廠二級(jí)出水的脫氮效果。結(jié)果表明，復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除能力顯著高于潛流人工濕地系統(tǒng)（P<0.05），但是兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除能力差異并不顯著（P>0.05）。水力負(fù)荷越低，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN去除率的差距越明顯。以脫氮為主要目標(biāo)時(shí)，復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)最佳的水力負(fù)荷為0.6～0.8 m/d，潛流人工濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷可取低值0.4～0.6 m/d。

關(guān)鍵詞：復(fù)合垂直流人工濕地；潛流人工濕地；水力負(fù)荷；脫氮

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）01-0067-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.01.019

隨著國家對(duì)污染物排放總量控制日趨嚴(yán)格，為了保證城鎮(zhèn)污水處理廠的二級(jí)出水能夠達(dá)到受納水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且滿足回用水水質(zhì)要求，針對(duì)二級(jí)出水的深度處理技術(shù)已經(jīng)提上日程，并逐漸成為污水處理技術(shù)體系中的重要組成部分[1]。

城鎮(zhèn)污水處理廠經(jīng)生化處理后，其排放水因可生物降解的有機(jī)物含量較低，出水中仍含有較高的總氮[2]，若排入河流中會(huì)引起河流的富營養(yǎng)化，因此，研究城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)出水的深度脫氮技術(shù)具有重要意義[3]。

人工濕地因具有投資成本低、處理效果好、管理方便、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[4]，被廣泛應(yīng)用于各類不同水體的水質(zhì)凈化，包括城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污水等方面[5]。人工濕地按結(jié)構(gòu)不同可將其分為表面流（SFW）、潛流（SSFW）和復(fù)合垂直流（IVCW）3種類型，并具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)[6，7]。

表面流人工濕地在外觀上接近于自然濕地，污水在人工濕地的土壤等基層表層流動(dòng)，水面與大氣接觸，水體多為水平流動(dòng)，其水力負(fù)荷一般較小[8]。潛流濕地和復(fù)合垂直流濕地污水在人工濕地的土壤表層以下流動(dòng)，主要依靠基質(zhì)的過濾及表面生物膜的吸附、降解作用，使污水得以凈化的人工濕地形式。與表面流濕地相比，潛流濕地和復(fù)合垂直流濕地能夠承受較高的水力負(fù)荷。本試驗(yàn)建立復(fù)合垂直流人工濕地、潛流人工濕地兩類人工濕地系統(tǒng)，研究不同水力負(fù)荷下兩種濕地對(duì)污水處理廠二級(jí)出水的脫氮效果。

1 材料與方法

1.1 濕地結(jié)構(gòu)

參與試驗(yàn)的人工濕地池體均采用磚混結(jié)構(gòu)，兩種濕地小試系統(tǒng)的尺寸分別為：①復(fù)合垂直流濕地：下行流池為1 m×1 m×1.2 m，上行流池為1 m×1 m×1.2 m；②潛流濕地：2 m×1 m×1.2 m。

1.2 濕地填料和植物選擇

潛流濕地底層鋪設(shè)200 mm厚的大粒徑礫石作為排水層，中部填料為600 mm厚的中礫石+爐渣，上層填料為200 mm厚的小礫石；復(fù)合垂直流濕地下行流池填料鋪設(shè)同潛流濕地，上行流池填料由下而上依次是200 mm厚的大粒徑礫石、600 mm厚的中礫石+爐渣及100 mm厚的小礫石。

濕地植物為蘆葦（Phragmites australis）和香根草（Vetiveria zizanioides）混種。

1.3 供試污水特性

試驗(yàn)所用污水取自中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)污水處理廠的沉淀池出水，水中化學(xué)需氧量（COD）為15.7～69.2 mg/L，總氮（TN）為8.6～41.2 mg/L，總磷（TP）為0.3～6.4 mg/L，銨氮（NH4+-N）為2.2～35.3 mg/L，pH為7.2～7.7。

1.4 試驗(yàn)方法

水力負(fù)荷是影響人工濕地對(duì)污染物處理效果的重要因素[8]。試驗(yàn)期間氣溫較高，日平均氣溫維持在22～32 ℃。待濕地系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。所選水力負(fù)荷為0.4～1.4 m/d，考察水力負(fù)荷對(duì)濕地處理效果的影響，比較復(fù)合垂直流人工濕地和潛流人工濕地脫氮除磷的效果。

pH采用pH計(jì)測定；NH4+-N、TN均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測[9]。

所用數(shù)據(jù)均為剔除個(gè)別不正常值后的數(shù)據(jù)，采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果對(duì)比

不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的深度處理效果如圖1所示。由圖1可知，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率較低，基本都在40%以下。這與進(jìn)水NH4+-N濃度較高而停留時(shí)間不夠有關(guān)。隨著水力負(fù)荷的增大，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果明顯下降。運(yùn)行期間復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率為（30.01±12.30）%，潛流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率為（24.12±10.47）%，t測驗(yàn)分析表明，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率顯著高于潛流濕地系統(tǒng)（P<0.05）。

當(dāng)水力負(fù)荷為0.4 m/d時(shí)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率最高，分別為（40.10±9.02）%和（33.52±8.28）%；當(dāng)水力負(fù)荷為0.6 m/d時(shí)，這兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率下降為（38.87±7.31）%和（31.46±8.44）%。t測驗(yàn)分析表明，在低水力負(fù)荷下，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率差異并不顯著（P>0.05）。初步分析其原因?yàn)椋孩?當(dāng)濕地在0.4 m/d的水力負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)剛剛投入運(yùn)行，填料中硝化微生物少且植物正處于生長期，生物量并不旺盛，對(duì)NH4+-N的去除率有一定的影響；②隨著水力負(fù)荷的增加，進(jìn)水帶來的溶解氧量漸增，因此強(qiáng)化了硝化作用。

對(duì)于復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)，當(dāng)水力負(fù)荷大于0.8 m/d時(shí)，對(duì)NH4+-N的去除效果大幅下降，差異顯著（P<0.05）。主要原因在于：①此時(shí)植物生長速率逐漸減緩，光合作用增加的O2量明顯滿足不了水力負(fù)荷增加帶來的大量NH4+-N；②進(jìn)水的沖刷作用使得大量生物膜脫落，硝化作用明顯下降。因此，對(duì)于NH4+-N含量較高的生活污水，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷在0.6～0.8 m/d為宜。

對(duì)于潛流濕地系統(tǒng)，當(dāng)水力負(fù)荷由0.6 m/d升至0.8 m/d時(shí)，NH4+-N的去除率由（31.46±8.44）%下降至（23.47±9.03）%，降低了近8個(gè)百分點(diǎn)，說明潛流濕地系統(tǒng)處理NH4+-N含量較高的生活污水時(shí)，其適宜的水力負(fù)荷為0.6 m/d。

在水力負(fù)荷為0.4～0.8 m/d時(shí)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率由（40.10±9.02）%降低至（34.35±11.15）%，下降了5.75個(gè)百分點(diǎn)；潛流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率由（33.52±8.28）%降低至（23.47±9.03%），下降了10.05個(gè)百分點(diǎn)。復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率下降較潛流濕地系統(tǒng)緩慢，主要原因是：①正在盛夏季節(jié)，復(fù)合垂直流濕地的植物生長量要高于潛流濕地；②進(jìn)水方式的不同使溶解氧的增加量不同，造成復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)的硝化強(qiáng)度高于潛流濕地系統(tǒng)。當(dāng)水力負(fù)荷大于1.2 m/d時(shí)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果基本相當(dāng)，去除率均較低，分別為（17.28±4.38）%和（15.82±4.68）%。分析其主要原因是：①負(fù)荷均超出了濕地系統(tǒng)的處理能力；②水力沖刷使生物膜大量減少，造成處理效果下降。

2.2 不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果對(duì)比

不同水力負(fù)荷下兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN的深度處理效果如圖2所示。由圖2可知，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率都不高，原因可能是：①進(jìn)水NH4+-N濃度較高而硝化強(qiáng)度不夠；②進(jìn)水C∶N=1.5～2.0，遠(yuǎn)低于最佳C∶N=7～8[10]。隨著水力負(fù)荷的增大，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果均呈下降趨勢(shì)。運(yùn)行期間復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率為（36.43±15.32）%，潛流濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率為（29.60±12.68）%，但t測驗(yàn)分析表明，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN去除率的差異并不顯著（P>0.05）。

對(duì)于復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)，在低進(jìn)水負(fù)荷0.4 m/d下，其對(duì)TN的去除率為（52.26±8.54）%，此時(shí)有（40.10±9.02）%的NH4+-N被去除，且進(jìn)水帶來的溶解氧較低，系統(tǒng)的反硝化效果相對(duì)較好，使TN去除率維持在較高的水平。隨著水力負(fù)荷的增大，使進(jìn)水中的溶解氧量增加，因此系統(tǒng)反硝化效率受到一定的限制，TN的去除率逐漸下降。當(dāng)水力負(fù)荷增至0.6 m/d時(shí)，TN去除率降至（50.57±7.99）%，但下降并不明顯，而當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷超過0.8 m/d，TN去除率大幅度下降，主要原因：①此時(shí)，水力負(fù)荷增加帶來的溶解氧已不能滿足大量NH4+-N的硝化作用；②溶解氧量的增加使系統(tǒng)的反硝化作用大大降低。當(dāng)水力負(fù)荷為1.0 m/d時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的去除率降低至（25.85±5.69）%。因此，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)脫氮適宜的水力負(fù)荷為0.6～0.8 m/d。

對(duì)于潛流濕地系統(tǒng)，在低進(jìn)水負(fù)荷0.4 m/d下，其對(duì)TN的去除率為（44.00±8.07）%。當(dāng)水力負(fù)荷由0.4 m/d逐漸增至1.0 m/d時(shí)，TN去除率急劇下降至（20.47±9.83）%。因此，潛流濕地系統(tǒng)脫氮適宜的水力負(fù)荷應(yīng)取低值0.4 m/d。

當(dāng)水力負(fù)荷在0.4～1.0 m/d時(shí)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率分別為（42.96±12.89）%、（33.70±12.48）%，t測驗(yàn)分析表明，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)的脫氮能力顯著高于潛流濕地系統(tǒng)（P<0.05）。當(dāng)水力負(fù)荷大于1.0 m/d時(shí)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除率分別為（20.46±6.30）%、（20.18±5.62）%，相差很小，主要是由于水力負(fù)荷的大幅度增加使兩類濕地系統(tǒng)的脫氮能力都變差所致。

3 結(jié)論

水力負(fù)荷（HLR）對(duì)復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)和潛流濕地系統(tǒng)氮的去除效果有直接的影響。一般情況下，HLR越低，氮的去除率越高。t測驗(yàn)分析表明，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除能力顯著高于潛流濕地系統(tǒng)（P<0.05），但是兩類濕地系統(tǒng)對(duì)TN的去除能力差異并不顯著（P>0.05）。水力負(fù)荷越低，兩類濕地系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN去除率的差距越明顯，當(dāng)水力負(fù)荷為0.4 m/d時(shí)，分別相差6.58和8.26個(gè)百分點(diǎn)。以脫氮為主要目標(biāo)時(shí)，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)最佳的水力負(fù)荷為0.6～0.8 m/d，潛流濕地系統(tǒng)水力負(fù)荷可取低值0.4～0.6 m/d。

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