溫度對間歇式人工濕地處理效能影響研究

倪建航 徐云飛

摘要：針對連續流人工濕地自然復氧能力差，脫氮效率低，易堵塞等問題，提出間歇式人工濕地處理工藝,其運行方式為：進水-反應-出水-排空閑置。重點考察了溫度對系統處理效能的影響。試驗結果表明：兩級串聯間歇式反應器在春秋季、夏季和冬季，其出水COD濃度分別為51mg/L、41mg/L和58mg/L，平均去除率分別為83%、86%和81%，去除負荷分別可達42.8gCOD/m2?d、44.5COD/ m2?d和41.6gCOD/ m2?d。出水NH4+-N濃度分別為7mg/L、4mg/L和19mg/L，平均去除率分別為88%、93%和66%，去除負荷分別可達8.4gNH4+-N/m2?d、10.0gNH4+-N/m2?d和6.5gNH4+-N/m2?d。出水TN濃度分別為18mg/L、12mg/L和31mg/L，平均去除率分別為74%、82%和54%，去除負荷分別可達9.1gTN/m2?d、10.5gTN/m2?d和6.9gTN/m2?d。季節因素對NH4+-N和TN去除效能影響顯著。

關鍵詞： 人工濕地；間歇式； 溫度； 脫氮

中圖分類號：S791文獻標識碼： A

人工濕地處理污水技術具有投資省、能耗低、維護管理方便［1-2］等優點,但是,目前采用的人工濕地多為連續流,存在自然復氧能力差，脫氮效率低，易堵塞等問題［3-4］。針對上述問題，鄢璐［5］等采用鼓風機對人工濕地連續供氧，有機物及NH4+-N去除率可分別提高10%和15%左右；孫亞兵［6］等在人工濕地中增設豎向通風管，增強大氣復氧作用，可使濕地內部DO保持在0.6mg/L以上；Michal Green［7］對人工濕地系統采用連續運行1~2d，排干閑置2~8d的運行工況,可使NH4+-N去除率

提高20%； 聶志丹［8］等采用進水6h和排水6h間歇進

出水方式，較連續進水方式，系統TN和 NH4+-N去除率分別提高了51.5%和30.5%； 尹軍［9］等采用進水12h—反應4d—出水12h運行工況，可使 NH4+-N去除率達65%。本研究提出的間歇式人工濕地工藝（Sequencing Batch Constructed Wetland），采用進水-反應-出水-排空閑置的運行工況，通過排空閑置強化自然復氧，擬重點考察溫度對系統處理效能的影響，為間歇式人工濕地的工程應用提供支持。

1 試驗裝置及方法

1.1試驗裝置

試驗裝置見圖1。本研究采用二級反應器,單級濕地有效容積為0.33m3，L×B×H=100cm×55cm×60cm，內填充粒徑為30 mm的礫石,填料層高50 cm，基質表面栽種水生美人蕉。

圖1 試驗裝置圖

Fig.1 Schematic of the experimental equipment

1.2試驗水質

試驗采用常規生活污水，水質見表1。

表1 試驗水質

1.3試驗方法

本試驗試驗裝置為兩級串聯間歇式反應器，分別在春秋季，夏季和冬季進行平行對比試驗，主要考察季節性溫度變化對生態處理效能的影響。

間歇式反應器均投加裝填度100%球形聚氨酯泡沫填料，填充比70%。每級反應器運行工況為進水0.25h—反應20h—排水0.25h—閑置4h。反應器運行負荷見表2。測試進出水的COD、NH4+-N、TN、NO3--N、PO43-、pH等指標。

2結果與討論

2.1 溫度對處理效能影響

試驗結果見表2和圖2~圖6。

表2 生態反應器運行負荷

圖1溫度對反應器出水COD影響

Fig1 Effects of temperature on reactor effluent COD

圖2溫度對反應器出水NH4+-N影響

Fig 2 Effects of temperature on reactor effluent NH4+-N

圖3溫度對反應器出水TN影響

Fig3 Effects of temperature on reactor effluent TN

圖4溫度對各級反應器COD降解量分配影響

Fig 4 effects of temperature on removal distribution of COD to different stage reactor

圖5溫度對各級反應器NH4+-N降解量分配影響

Fig5 effects of temperature on removal distribution of

NH4+-N to different stage reactor

2.2 試驗結果分析

由表2和圖1、4可知，在COD承擔負荷為51.6 gCOD/m2?d條件下，間歇式反應器在春秋季，夏季和冬季，其出水COD濃度分別為51mg/L、41mg/L和58mg/L，平均去除率分別為83%、86%和81%，去除負荷分別可達42.8gCOD/m2?d、44.5gCOD/m2?d和41.6gCOD/m2?d。

圖6溫度對各級反應器TN降解量分配影響

Fig 6 effects of temperature on removal distribution of TN to different stage reactor

其中，生態段1出水COD濃度分別為120mg/L、102mg/L和137mg/L，平均去除率分別為60%、66%和54%。溫度因素對COD去除效能影響并不顯著。

由表2和圖2、5可知，在NH4+-N承擔負荷為11.3 gNH4+-N/m2?d，TN承擔負荷為13.4 g TN/m2?d條件下，生態段反應器在春秋季、夏季和冬季，出水NH4+-N濃度分別為7mg/L、4mg/L和19mg/L，平均去除率分別為88%、93%和66%，去除負荷分別可達8.4gNH4+-N/m2?d、10.0gNH4+-N/m2?d和6.5gNH4+-N/m2?d。其中，生態段1出水NH4+-N濃度分別為18mg/L、14mg/L和30mg/L，平均去除率分別為61%、71%和37%。出水TN濃度分別為18mg/L、12mg/L和31mg/L，平均去除率分別為74%、82%和54%，去除負荷分別可達9.1gTN/m2?d、10.5gTN/m2?d和6.9gTN/m2?d。其中，生態段1出水TN濃度分別為34mg/L、29mg/L和43mg/L，平均去除率分別為47%、59%和28%。溫度因素對NH4+-N和TN去除效能影響較為顯著。

在春秋季、夏季和冬季，生態段一級反應器出水COD均值分別為120mg/L、102 mg/L和137 mg/L，去除率分別為60%、66%和54%，降解量分別為180 mg/L、198 mg/L和163 mg/L，去除負荷分別為61.9gCOD/m2?d 、68.1gCOD/m2?d和56.0 g COD/m2?d，其去除負荷已高于傳統人工濕地的2~3倍；生態段二級反應器出水COD均值分別為51mg/L、41mg/L和58 mg/L，去除率分別為58%、60%和58%，降解量分別為69 mg/L、61 mg/L和79 mg/L，去除負荷分別為23.7gCOD/m2?d 、21.0 g COD/m2?d和27.2gCOD/m2?d；生態段1COD降解量分別高出111 mg/L、137mg/L和84 mg/L。生態段1對COD的去除效能要遠高于生態段2。分析認為，間歇式反應器存在排空閑置期，濕地系統可在排空閑置期繼續對截留在系統內的有機物進行分解，且由于復氧作用，濕地床體處理效能得到充分恢復，使間歇式反應器在下一輪反應周期中，對污水中呈懸浮或膠體狀態的有機物保持穩定的吸附截留能力，好氧微生物的活性也得到充分的恢復，可使濕地系統保持穩定的COD降解能力。生態段一級反應器進水COD濃度較高，有機底物的濃度高，內部的微生物量較大，因此表現出高于生態段二級反應器的COD去除效能。

生態段反應器對COD的去除效能比較穩定，其出水COD均可達標，隨著溫度的提升，系統COD去除效能有一定提升。 夏季COD去除率分別高于春秋季和冬季3%，5%；去除負荷分別高出1.7 g COD/m2?d，2.9 g COD/m2?d；降解量分別高出10 mg/L，17 mg/L。溫度因素對系統去除效能具有一定影響。在兩級間歇式反應器去除負荷分配上，隨著溫度的提升，COD去除更集中在生態段一級反應器。夏季生態段一級反應器去除負荷68.1gCOD/m2?d，高于生態段二級反應器47.1 g COD/m2?d；降解量198mg/L，高于生態段二級反應器137 mg/L。生態段一級反應器降解量占系統總降解量的76%。分析認為：溫度提升，可增強微生物的活性，提高有機物降解能力。兩級間歇式反應器由于增設了排空閑置期，強化大氣復氧，強化了系統的COD去除效能。

由圖2~3和圖5~6可知，溫度因素對兩級間歇式反應器NH4+-N和TN去除具有較大影響。夏季系統NH4+-N去除率為93%，高出春秋季和冬季5%和27%；降解量52mg/L，高出春秋季和冬季3 mg/L 和15 mg/L ；系統NH4+-N去除負荷為10.0 gNH4+-N/m2?d， 高出春秋季和冬季1.6gNH4+-N/m2?d和3.5gNH4+-N/m2?d。夏季系統TN去除率82%，高出春秋季和冬季8%和28%；降解量56mg/L，高出春秋季和冬季6mg/L和19 mg/L ；TN去除負荷10.5gTN/m2?d，高出春秋季和冬季1.4 gTN/m2?d和3.6gTN/m2?d。春秋季和夏季出水NH4+-N和TN均可達到一級B排放標準；冬季出水NH4+-N和TN較差。分析認為：春秋季和夏季溫度較高，硝化菌活性強，加之生態段反應器采用的運行方式均為“進水-反應-排水-排空閑置”，反應器在在排空閑置期內，可完成大氣復氧，且由于系統內微環境的存在，表現出較好的同步硝化反硝化效能，因此具有較高的脫氮效能。而在冬季，由于溫度較低，硝化菌活性受到抑制，且濕地運行負荷較高，濕地NH4+-N運行負荷11.3 gNH4+-N/m2?d，是常規人工濕地運行負荷的2~4倍，TN運行負荷13.4 gTN/m2?d，是常規人工濕地運行負荷的3~5倍。

隨著溫度提升，氮的去除更集中在生態段一級反應器。夏季生態段一級反應器NH4+-N去除負荷14.4gNH4+-N/m2?d，高于生態段二級反應器8.9gNH4+-N/m2?d，TN除負荷14.8gTN/m2?d，高于生態段二級反應器8.6 g TN/m2?d；生態段一級反應器NH4+-N降解量42mg/L，高于生態段二級反應器32mg/L，TN降解量39mg/L，高于生態段二級反應器22mg/L。生態段一級反應器NH4+-N降解量占系統總降解量的81%，TN降解量占系統總降解量的70%。分析認為：生態段1的生物膜量較高，微生物活性高，且進水NH4+-N的濃度也較高，反應的底物濃度大，硝化速率高，表現出較高的NH4+-N去除作用。在TN 去除方面，生態段1去除了76%的COD，其中一部分被截留吸附在床體內，可作為反硝化所需碳源，生態段1的反硝化效能高于生態段2，表現出較高的TN去除作用。

3 結論

提出了人工濕地間歇運行方式，通過設置排空閑置期，強化自然復氧，有效地提高了人工濕地處理效能。

生態段間歇式反應器在春秋季、夏季和冬季，其出水COD濃度分別為51mg/L、41mg/L和58mg/L，平均去除率分別為83%、86%和81%，去除負荷分別可達42.8gCOD/m2?d、44.5COD/m2?d和41.6gCOD/m2?d。出水NH4+-N濃度分別為7mg/L、4mg/L和19mg/L，平均去除率分別為88%、93%和66%，去除負荷分別可達8.4gNH4+-N/m2?d、10.0gNH4+-N/m2?d、6.5gNH4+-N/m2?d。出水TN濃度分別為18mg/L、12mg/L和31mg/L，平均去除率分別為74%、82%和54%，去除負荷分別可達9.1gTN/m2?d、10.5gTN/m2?d和6.9gTN/m2?d。溫度因素對NH4+-N和TN去除效能影響較為顯著。

參考文獻

[1]鄧歡歡，楊長明，李建華，等.人工濕地基質微生物群落的碳源代謝特性［J］.中國環境科學，2007，27(5):698－702.

[2]Vymazal J Brian.The Use of Sub－surface Constructed Wet-lands for Wastewater Treatment in the Czech Republic:10 Years Experience［J］.Eco1 Eng，2006，18(5):633－646.

[3]朱聯東, 李兆華, 黃田, 黃婧, 王鈧. 序批式自動增氧型生活污水處理器的運行[J]. 環境工程 , 2009,(02)

[4]Douglas J S. The effects of season and hydrologic and chemical loading on nitrogen retention in constructed wetlands: a comparison of low-and high-nutrient riverine systems [J]. Ecological Engineering, 2000，14: 77—91

[5]鄢璐，王世和，鐘秋爽. 強化供氧條件下潛流型人工濕地運行特性[J].環境科學，2007, 28（4）：736-741 .

[6]孫亞兵,馮景偉,田園春.自動增氧型潛流人工濕地處理農村生活污水的研究[J].環境科學學報，2006,26（3）:404-408.

[7] Michal Green. Investigation of alternative method for nitrification in constructed wetlands[J]. Water Sci Techno [J]. 1997, 35(5): 63-70.

[8] 聶志丹, 年躍剛, 金相燦, 宋英偉. 間歇式運行對人工濕地處理富營養化湖水的影響[J]. 環境工程學報，2007,1（3）:1-4.

[9] 尹軍, 崔玉波, 韓相奎, 等.潛流人工濕地對污染物的降解特性[J].中國給水排水, 2004, 20(6): 47-49.