复合垂直流人工湿地除氮性能研究郭家盛

AStudyofNitrogenRemovalAbilityinIntegratedVerticalFlowConstructedWetlandGuoJia-sheng1,2,a,LuShao-yong2,b*,LiuJing1,2,WangJi2,3,XingYi1,JinXiang-Can2,*1Civil&EnvironmentEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing,China2ResearchCenterforLakeEcology&Environments,LakeEngineeringResearchCenter,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing,China3CollegeofEnvironmentandResources,JilinUnivesity,Jilin,[e-mail],[e-mail]*CorrespondingauthorKeywords:Integratedverticalflow;constructedwetland;unplanted;eutrophicwater;ammonianitrogen;nitrificationanddenitrificationAbstract.Theunplantedandintegratedverticalflowconstructedwetlandsystemwasconstructedwithdifferentsizezeolitestuffing.Thewaterwasfeedingbyartificialmeansandtheindoorsimulationexperimentswereconductedtoinvestigatetheremovalprocessofnitrogenfromtheeutrophicwaterinthiswetlandsystem.Inthisexperiment,theconcentrationofinfluentTN,NH3-NandCODMnwas24.65mg/L,20.86mg/Land5.6mg/L,wefoundthatmaximalTN,NH3-NandCODMnremovalrateswere48.7%、97.2%、77.2%;DuringtheremovedCODMn,67.0%wasreducedbynitrificationanddenitrification.Furtheranalysisshowedthattheremovalofnitrogenfromtheeutrophicwaterwasmainlyfinishedbymicroorganismsinthelong-termrunningunplantedconstructedwetlandsystemandthefillerprimarilyprovidedmicro-organismssurfacetoattach.复合垂直流人工湿地除氮性能研究郭家盛1,2,a,卢少勇2,b,刘婧1,2,王骥2,3,邢奕1,金相灿21北京科技大学土木与环境工程学院，北京，中国，1000832中国环境科学研究院湖泊工程技术中心、湖泊环境创新基地，北京，中国，1000123吉林大学环境与资源学院,吉林,中国，[e-mail],[e-mail]关键词:复合垂直流；人工湿地；无植物；富营养水质；氨氮；硝化反硝化中文摘要.以不同粒径沸石作填料，构建无植物复合垂直流人工湿地系统。通过人工配水的方法，室内模拟该人工湿地对富营养化水体中氮的去除过程。结果显示，在进水总氮、氨氮及CODMn浓度为24.65mg/L、20.86mg/L及5.6mg/L时，该人工湿地系统对各自的去除率分2011InternationalConferenceonEnvironmentalSystemsScienceandEngineering978-0-9831693-3-8/10/$25.00©2011IERIICESSE2011335别为48.67%、97.25%、77.23%；在去除的CODMn中，66.97%是通过反硝化作用去除。进一步分析表明，在长期运行的无植物人工湿地中，系统对富营养水体中的氮主要是通过微生物的硝化反硝化作用去除，填料主要是为微生物提供附着表面。1引言湖泊富营养化是指湖泊等水体接纳过量的氮、磷等营养物，使藻类及其它水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，使湖泊生态系统和水功能受破坏[1]。人工湿地因具建设及运行成本低，运行、管理及维护简单，适用范围广等优点，近些年来越来越多地被用于处理富营养化水体[2-5]。本研究主要针对以氨氮（NH3-N）污染为主的模拟富营养湖泊的水质，考查无植物条件下沸石床湿地对此类水中氮的去除，进一步探讨该系统对水体中氮去除机理及相关影响因素，可供相关研究及应用参考。2材料与方法2.1试验装置本试验垂直流人工湿地装置用PVC材料制作，长×宽×深为1.6×0.4×1.0m，沿水流方向用PVC隔板将池体均分为四个单元，单格尺寸0.4×0.4×1.0m。各单元串联运行（图1）。自左向右为1#、2#、3#、4#，池内均填充沸石。填料粒径及填充高度1#、4#为5-6cm（0.35m）；2#、3#为1-2cm（0.7m与0.35m）。进出水口分别设于1#池上部和4#池侧部，高度为0.7m。配水由蠕动泵泵入1#池，出水由出水口溢流排出。Figure1.Experimentalequipment图1试验装置2.2研究方法采用人工配水，主要成分为葡萄糖，NH4Cl，KH2PO4，进水水质见表1。连续进水，水力负荷37.5cm/d，水力停留时间2.5d。装置于2008年投入运行。本试验2010年3-4月在温室（20-30℃）内进行。Table1.characteristicsofinfluentwaterinwetlandsystem（mg/L）表1人工湿地进水水质（mg/L）参数CODMnNH3-NNO3--NTNTP进水5.620.863.7924.650.422.3采样及测试方法运行稳定后采样测定（图1），各指标测定参考《水和废水分析监测方法》（第4版），pH、DO采用Hach测定仪测定[7]。数据用Excel和SPSS16.0软件分析。2#1#3#4#蠕动泵   进水   出水  采样点 3363结果与分析3.1TN去除效果分析TN沿程变化及去除率见图2，TN沿程去除负荷见图3。Figure2.theremovalofsubjectsalongtheway图2各指标沿程变化及去除率Figure3.theremovingloadofsubjectsalongtheway图3各指标沿程去除负荷由图可知，系统的TN去除效果较好，总去除率为48.7%，沿程去除率从28.7%升至48.7%。总氮（TN）去除负荷1#最高，达2.43g/(m2﹒d)。TN去除能力1#及2#较强，4#无去除能力，这可能与4#内部反硝化不稳定及填料释放有关。3.2NH3-N去除效果分析由图2及3可知，系统NH3-N去除效果非常好，总去除率97.2%，沿程去除率从58.8%升至97.2%。NH3-N去除负荷1#最高，达4.60g/(m2﹒d)。NH3-N去除能力1#及2#较强，3#明显下降，4#无去除效果。这主要是因NH3-N在前两单元去除较彻底。3.3NO3--N沿程变化分析由图2及3可知，系统对硝氮（NO3--N）无去除效果。去除负荷1#绝对值最高，达1.27g/(m2﹒d)，随后依次递减。这表明硝化作用主要发生在1#，2#值有所下降主要因水体中NH3-N浓度已降至低水平，硝化强度开始减弱；随着溶解氧的沿程降低，2#反硝化强度渐强，因此NO3--N负荷绝对值减小。3.4CODMn沿程变化分析由图2及3可知，系统对CODMn去除效果较好，总去除率77.2%。沿程去除率从71.45%-2.00-1.000.001.002.003.004.005.006.001#2#3#4#TNNH3-NNO3-NCOD取样点 g/m2.d337升至77.2%，1#去除率最高。CODMn去除负荷1#达1.50g/(m2﹒d)，2#及3#单元均为0.02g/(m2﹒d)。对CODMn的去除能力1#较强，且大部分在前两单元被去除，这主要因1#与2#底部相通且无溶解氧补充，整体处缺氧状态，反硝化过程主要在此部分发生，因此消耗了大部分CODMn。3.5pH值与NO3--N浓度相关性分析湿地系统进水及沿程水中pH值与对应NO3--N浓度相关性分析（图4）表明，这两个指标显著负相关（p0.05）。说明系统的NH3-N去除主要通过传统硝化反应完成，即氨根在转化为硝酸根时伴随H+产生，导致水中pH值沿程下降。Figure4.CorrelationbetweenpHvalueandNO3--Nconcentration图4pH与NO3--N浓度相关性系统pH值在出水单元出现微升（图5）。这主要因系统的NH3-N去除主要发生在1#和2#，持续产生H+导致pH值下降；NH3-N经1#和2#硝化过程后，90%已被去除，3#及4#内硝化反应很弱。无H+持续补充，3#及4#内H+浓度相对偏低，因此pH值在出水单元上升。7.30 7.40 7.50 7.60 7.70 7.80 7.90 8.00 进水1#3#4#Figure5.changesofpHalongtheway图5pH沿程变化趋势3.6CODMn与δ-NO3--N相关性分析计算湿地系统中各单元内CODMn削减量及δ-NO3--N量，分析两个指标相关性表明，这两指标显著相关（p0.05）。说明系统中CODMn先作为异养反硝化的碳源被消耗，而剩余部分通过其它途径去除。-0.721**，p=0.000338Figure6.CorrelationbetweenCODMnreductionsandδ-NO3--N图6CODMn削减量及δ-NO3--N相关性3.7溶解氧对湿地系统的溶解氧监测显示，1#、3#、4#池表面水体中的溶解氧均稳定在4.0-5.0mg/L间，系统自然复氧效果较好。4讨论4.1系统氮去除途径人工湿地除氮主要借助植物、基质及微生物作用，通过物理、化学及生物协同作用实现[6]。有研究认为，湿地中植物对氮、磷的去除间接作用大于直接吸收[11]。填料的吸附能力在系统运行初期较显著，当稳定运行一段时间后即出现吸附饱，吸附性能明显下降，只有通过更换或再生才能恢复[12,13]。本试验为无植物沸石床湿地系统，水体pH值基本稳定在7.5-8.0，氨挥发及植物吸收对氮去除的影响可忽略[8]。该系统建成较早，运行已超过一年，内部填充的沸石已基本达吸附饱和状态。对长期运行的湿地系统而言，填料主要作用是悬浮物截留和为微生物生长及降解提供载体，故本装置填料的吸附作用也可不计。通过如上分析，该系统目前有效的除氮途径为微生物硝化反硝化作用；且根据水体的pH6判断，该系统反硝化的最终产物以N2为主[9,10]。4.2物质守恒计算通过对湿地系统内各主要指标的监测，可进行如下物质恒算（以单位体积质量计）[14,15]。4.2.1NH3-N硝化反应的总反应式如下：NH4++2O2—NO3-+2H++H2O系统进、出水前后NH3-N削减量为20.28mg，假定条件适合，NH3-N全转化为NO3--N，则反应生成的NO3--N为20.28mg。实测发现，系统进、出水前后NO3--N增加量仅6.77mg，可认为13.52mgNO3--N被反硝化消耗，记为δ-NO3--N。4.2.2NO3--N及CODMn反硝化反应的总反应式如下：C6H12O6+4NO3-—6CO2+2N2+6H2O系统进、出水前后CODMn削