黃 娟 楊思思 郭 楊,2 鐘秋爽 王世和 劉 洋

(1東南大學(xué)土木學(xué)院,南京 210096)(2江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳城市節(jié)約用水辦公室,南京 210036)

針對(duì)改善濕地低溫域(T<15 ℃)運(yùn)行效果,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用植物收割、降低水力負(fù)荷、序批式間歇運(yùn)行、植物覆蓋、PVC膜保溫等一系列強(qiáng)化措施[13-15],也有通過(guò)在濕地前增加化糞池、厭氧消化池、浮游生物床等預(yù)處理構(gòu)筑物[16-17],或在濕地后增加穩(wěn)定塘[18]作為深度處理,來(lái)改善低溫除污效果.

人工濕地低溫域脫氮效果差的問(wèn)題已得到普遍關(guān)注,如何強(qiáng)化低溫脫氮效果逐漸成為熱點(diǎn).筆者前期研究發(fā)現(xiàn)[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(guó)內(nèi)外對(duì)人工濕地氧濃度提高措施的實(shí)際運(yùn)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(qiáng)化供氧對(duì)人工濕地氧環(huán)境及除污效果的影響,以期為人工濕地低溫脫氮差的技術(shù)瓶頸提供可行的解決措施,為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)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(yàn)在各組水平流濕地中運(yùn)行,其結(jié)構(gòu)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(wěn)定運(yùn)行下的水平流濕地中溶解氧、微生物等指標(biāo)的分布特征.

圖1 人工濕地結(jié)構(gòu)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(qū)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(xì)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(dòng),流經(jīng)布水區(qū)、床體和集水區(qū).本試驗(yàn)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(shè)置15根充氧管,充氧管橫跨整個(gè)濕地,沿側(cè)壁接出,以軟管與空氣壓縮機(jī)連接,同時(shí)可用作沿程采樣管.

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

濕地進(jìn)水為污水廠初沉池出水,水質(zhì)條件見(jiàn)表1.各水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定.

表1 人工濕地進(jìn)水水質(zhì) mg/L

2 結(jié)果與討論

2.1 曝氣運(yùn)行參數(shù)

最高氣溫低于15 ℃時(shí),濕地植物地上部分已收割并覆蓋PVC薄膜保溫.濕地連續(xù)運(yùn)行,控制HRT為4～6 d,水位運(yùn)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(duì)脫氮效果的影響.此外考察不同強(qiáng)度下(曝氣強(qiáng)度采用氣水比表示)連續(xù)曝氣對(duì)DO分布及除污效果的影響.

2.1.1 不同曝氣位置對(duì)脫氮效果的影響

圖2 不同供氧位置時(shí)去除效果

2.1.2 不同曝氣強(qiáng)度對(duì)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(jiàn),由于植物收割后喪失了向系統(tǒng)輸氧的能力,覆膜使?jié)竦乇砻媾c大氣隔絕,喪失了大氣復(fù)氧能力,因此在無(wú)曝氣的情況下,出水DO濃度接近于零,甚至低于檢測(cè)低限.隨著氣水比增大,出水DO濃度上升.當(dāng)氣水比小于2時(shí),出水氧濃度變化不大,說(shuō)明供氧量仍無(wú)法滿足系統(tǒng)需氧量.氣水比升至2～5時(shí),出水DO顯著上升,最高達(dá)0.6 mg/L,說(shuō)明充氧對(duì)濕地氧環(huán)境有了明顯改善.當(dāng)氣水比大于5后，出水DO上升漸趨平緩.

COD去除率隨曝氣強(qiáng)度的增大呈先上升后下降的趨勢(shì).在氣水比為3～4時(shí),COD去除率達(dá)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(guò)大,氣體對(duì)濕地基質(zhì)的沖刷影響到基質(zhì)對(duì)有機(jī)物的吸附,降低了微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用.

綜合考慮不同氣水比對(duì)潛流濕地溶解氧濃度的提高及對(duì)各類污染物去除率的影響,并考慮經(jīng)濟(jì)因素,確定低溫條件下植物收割覆膜后,強(qiáng)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(huán)境與除污特性

低溫條件下,對(duì)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(shù)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(yīng)了無(wú)曝氣和最佳曝氣條件下,潛流濕地內(nèi)溶解氧沿程分布規(guī)律.可見(jiàn),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(wú)曝氣條件下,由于植物收割和表面覆膜使?jié)竦匮踉词芟?系統(tǒng)氧環(huán)境極為惡劣,進(jìn)水DO大于0.8 mg/L,而濕地內(nèi)氧濃度普遍低于0.2 mg/L,濕地中、后段氧濃度接近于零,對(duì)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(duì)DO沿程分布的影響

沿濕地深度方向,無(wú)曝氣濕地沿程氧濃度分層現(xiàn)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(diǎn)位于濕地中層,中層氧濃度改善顯著,氧的擴(kuò)散作用使?jié)竦厣蠈雍拖聦友鯘舛纫蚕鄳?yīng)上升.而濕地上層微生物分布數(shù)量最多,污染物好氧降解作用集中,導(dǎo)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(qiáng)度分布特征

在無(wú)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(cè)定脫氮菌數(shù)量,如表2所示.

低溫域濕地硝化菌數(shù)量級(jí)在103～104之間,濕地前段硝化菌數(shù)量高于中后段.曝氣后,濕地硝化菌數(shù)量比曝氣前提高1個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明供氧使?jié)竦厍岸窝醐h(huán)境改善顯著,硝化菌繁殖加快,數(shù)量增長(zhǎng).低溫域濕地曝氣前反硝化菌數(shù)量級(jí)在104,濕地中后段數(shù)量高于前段.供氧后,濕地中后段反硝化菌提高了1個(gè)數(shù)量級(jí),前段相差不明顯.分析認(rèn)為在濕地中后段仍以厭氧環(huán)境為主,反硝化菌優(yōu)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(chǔ)上,反硝化菌數(shù)量也隨之增加.

表2 濕地中硝化/反硝化菌的數(shù)量 MPN/g

2.2.3 濕地除污特性

圖5 曝氣對(duì)去除效果的影響

3 結(jié)論

2) 就濕地脫氮效果而言,濕地前段是強(qiáng)化曝氣的最佳位置;結(jié)合濕地對(duì)有機(jī)物和含氮污染物的去除效果及經(jīng)濟(jì)因素,確定濕地強(qiáng)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(dá)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(shù)量均有所提高,前段硝化菌數(shù)量提高1個(gè)數(shù)量級(jí),后中段反硝化菌數(shù)量提高1個(gè)數(shù)量級(jí);對(duì)有機(jī)物及氮類污染物降解提高顯著,脫氮率提高15%～20%.

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