以硫自養為核心填料的人工濕地脫氮效率及工藝研究

馬西濤，許 建

（中持水務股份有限公司，北京 100192）

近年來，隨著城市化進程的加快，各種污染源的排放總量一直在升高，各種污染指標也在不斷升高。其中總氮作為主要的污染指標，其去除任務一直是重中之重。由于生活水平的不斷提高，以及化肥、農藥等有機物的大量排放，導致水體中氮的含量迅速增多，而微生物通過硝化與反硝化作用所需要的碳源卻相對減少，尤其是城市污水處理廠尾水的深度處理，及進入河道的水體的處理帶來了困難。因此在低C/N 的情況下，如何高效進行脫氮是十分必要的。本文首次探討了以硫自養填料作為脫氮填料在人工濕地的的治理研究，以確定最適于硫自養核心填料濕地的潛流類型、進水方式，為后續工程應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 工作條件和原水水質

本課題組依托深圳市寶安區石巖街道某公園設計建造的潛流人工濕地工程。該人工濕地的主體工藝為自養強化型潛流濕地+常規垂直流潛流濕地的復合人工濕地處理技術，主要用于凈化上游徑流經過的河道水，增強水質保障功能。本實驗處于工程設計前期階段，用以確定工程設計的方案。實驗原水源自石巖濕地公園內石巖河與上屋河交匯處的河道水，pH值 為7.32±0.1，DO 值 為2.35 mg/L±0.48 mg/L，NH4+-N、NO3--N、TN、TP、COD、SO42-、總Fe、Fe2+質量濃度分別為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。實驗在非汛期季節展開，進水水質變化小，水溫基本維持在20℃以上，菌群種類較多，由此為填料的快速自然掛膜提供了有利條件。

1.2 實驗裝置與材料

主要實驗裝置為以硫自養填料為核心構建的人工濕地和及以常規填料構建的人工濕地，二者均采用有機玻璃方形容器，主體尺寸均為100 cm×60 cm×120 cm（L×B×H），有機玻璃方缸壁厚1.2 cm，短邊一側底部與另一側距頂部下方20 cm 處穿孔連接導流管并設置閥門，以供進出水及采取水樣用，每個玻璃方缸在進出水口一側都另設有3 個取水樣口，高度距其缸底分別為10、50、90 cm。硫自養核心填料潛流濕地結構從下至上依次為填充高度20 cm 的礫石層、填充高度60 cm 的硫自養填料層、填充高度20 cm 的種植土層及高20 cm 的植物與超高層；常規填料潛流濕地結構從下至上依次為填充高度20 cm 的礫石層、填充高度30 cm 的碎石層、填充高度30 cm 的陶粒層、填充高度20 cm 的礫石層及高20 cm 的植物與超高層，實驗所選用的硫自養填料粒徑5～10 mm，礫石粒徑10～20 mm，碎石粒徑20～30 mm，陶粒粒徑5～10 mm，其中硫自養填料購于北京中持碧澤環境技術有限責任公司，其他填料均常見。另外每個人工濕地裝置填料層表面種植6 株黃菖蒲以構成完整的濕地系統。

1.3 實驗設計與裝置運行

以硫自養核心填料潛流濕地裝置為研究對象，使用間歇式進水方式用以控制溶解氧濃度，原水通過泵入連接前端的高位水箱，再通過降流式進入自養強化型潛流濕地中，分別采取垂直流（填料頂部、裝置底部均勻平鋪布水器和集水裝置）和水平流形式，每隔3 d取一次水樣并換水以確定更優的潛流類型，其后根據優化的潛流類型探究降流式與升流式對系統脫氮的效果，以確定最適的進水方式。

1.4 分析項目及方法

水質指標按照國標方法分析，其中NO3--N 和TN分別采用紫外分光光度法（試行）HJ/T 346—2007 和堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法HJ 636—2012 測定；NH4+-N 采用納氏試劑分光光度法HJ 535—2009測定；硫酸鹽采用離子色譜法HJ/T 84—2001 測定；總鐵與亞鐵采用鄰菲啰啉分光光度法測定。

2 結果與討論

2.1 不同潛流類型下單一濕地的脫氮效果

實驗裝置于2022 年3 月開始啟動，圖1 為硫自養核心填料潛流濕地中垂直流與水平流方式對氮素去除的影響。

圖1 潛流類型對單一濕地系統NO3--N 和TN 的去除效果

從圖1-1 可以看出，通過對裝置進出水NO3--N隨運行時間的變化進行監測，運行前6 d 2 個裝置的去除率均在52%±2%左右，實驗初期由于尚未進行污泥的馴化和厭氧環境的控制，可推斷NO3--N 含量的下降主要以填料的吸附及異養反硝化作用為主，隨著運行時間的增加和有機物的迅速消耗，自養反硝化菌逐漸成為優勢菌種，對NO3--N 的去除率繼續增高。垂直潛流類型最終相對于水平潛流類型NO3--N 的去除率更高，其中在21 d 時垂直流裝置的NO3--N 去除率可以達到最高的93.06%，該潛流類型下NO3--N 去除率上升更快。這是由于垂直式的水流穿行途徑更有利于填料均勻充分的截留吸附和對生物膜的附著，強化了反硝化作用的進行[1]，運行第12 d 時去除率出現短暫的下降則可能是競爭導致異養反硝化微生物死亡促使細胞內氮素釋放。

分析兩組潛流類型下TN 隨時間的變化情況，結果如圖1-2 所示，2 個裝置在6 d 前TN 去除率接近42%，該部分作用是實驗初始階段由于進入裝置的原水中存在足夠的溶解氧使得NH4+-N 能被硝化，此時隨著有機碳源的消耗和缺氧環境的形成異養反硝化菌迅速增殖從而完成脫氮，之后硫自養反硝化作用漸漸增強導致脫氮效果得到進一步提升。其中垂直潛流布水能更快在填料表面復氧，這種方式下相當于若干個微型A/O 法串聯，提升了硝化菌和反硝化菌的活性周期，并在18 d 后去除率穩定達到80%以上，出水質量濃度低于0.65 mg/L；而水平潛流布水在運行24 d后TN 去除率小幅下降至65.20%，出水質量濃度為0.87 mg/L，結合實驗觀察，水平潛流裝置在運行24 d后出水流量減小，更易出現基質堵塞問題。因此，本研究最佳硫自養核心潛流濕地類型為垂直流。

2.2 不同進水方式下單一濕地的脫氮效果

將垂直潛流作為硫自養核心填料單一濕地的布水類型，再分別以降流式和升流式通過濕地處理24 d后得到如圖2 所示結果。

圖2 進水方式對單一濕地系統NO3--N 和TN 的去除效果

由圖2-1 可知，降流式和升流式兩種進水方式下的NO3--N 去除率在15 d 后都趨于穩定，且在24 d 后都達到了最大去除率，二者去除速率相近。不同的是試驗前中期升流式的NO3--N 去除率一直高于降流式，究其原因是升流式中氧氣隨水流向上流動，氣泡在填料間隙間的上升運動能對填料有疏通作用，減少填料空隙氣阻現象的發生，提高了氧利用率，使得整個濕地填料在橫斷面上對于NO3--N 可以更加充分的吸附。另外，由于填料粒徑與顆粒間空隙從下至上逐漸變小，該進水方式也能提高對污染物的攔截與沉淀能力。但運行后期濕地對于NO3--N 的去除主要依靠反硝化細菌的反硝化作用，因此兩種方式下的出水差異逐漸減弱。

圖2-2 可以看出，任何一種進水方式在運行6 d前出水TN 濃度的下降無明顯變化，但此過程中降流式平均去除率比升流式低了約14%，隨著運行時間的推進，去除率均開始大幅持續升高，24 d 后TN 的最大去除率基本相同，對應的TN 去除率在85.97%～87.11%，這與NO3--N 在運行時間上的變化規律較為相似。有研究指出，升流式在污水處理工藝中更耐沖擊負荷[2-3]，在UAFB 反應器進行脫氮處理時總氮容積負荷從0.61 kg/（m3·d）提升至2.52 kg/（m3·d）時，上向流方式仍能保持90%的去除率。由此可見，升流式的進水方式更有利于硫自養核心填料潛流濕地快速脫氮。

3 結論

以硫自養為核心填料在人工濕地中去除水中氮元素具有較強的可行性，其中潛流類型、進水方式均對整個系統反硝化性能具有一定的影響。

1）在單一硫自養核心填料人工濕地中垂直流類型的脫氮效率更高，穩定運行后NO3--N 和TN 最高達至93.06%和82.30%，分別比水平流類型上升了7.08%和10.49%。

2）升流式的進水方式可以削弱氣阻更充分的進行填料吸附及縮短掛膜周期，從而在第9 d 便可達到80%以上良好的脫氮效能。