劉亞君，韓 雪，劉 宏，王 志

(中國航天建設集團有限公司，北京 100071)

曝氣方式對人工濕地氮去除效果的影響研究

劉亞君，韓 雪，劉 宏，王 志

(中國航天建設集團有限公司，北京 100071)

水平潛流人工濕地強制通風被認為是提高營養(yǎng)鹽，特別是氨氮去除效率的重要方法。針對持續(xù)曝氣能耗高、出水硝氮高等問題，本實驗擬采用間歇曝氣取代持續(xù)曝氣。本實驗對比研究了持續(xù)曝氣、間歇曝氣(溶解氧濃度>0.5mg/L)和不曝氣三種條件下，有機物和氨氮的去除效率。結果表明：間歇曝氣是最有效的操作方式，它既提供了好氧和缺氧的交替環(huán)境，又降低了能源消耗。COD和氨氮去除率分別達到67%和99%，總氮最大去除率可達79%。

間歇曝氣；氨氮去除；硝化/反硝化；人工濕地

人工濕地在過去幾十年得到了廣泛應用。主要被成功應用于城市污水處理、垃圾滲濾液、工業(yè)廢水和路面徑流等領域，對有機質和氨氮具有良好的去除性能，并且其能量需求較低[1-3]。此外，人工濕地中植被可以作為綠地和野生動物棲息地，在某些領域可以替代傳統(tǒng)的廢水處理。

溶解氧的含量是影響水平潛流式人工濕地污染物去除率的主要因子[4]。因為氧含量的高低直接影響不同還原態(tài)污染物的生化途徑[5]。持續(xù)曝氣是有效提高水平潛流式人工濕地有機物和氨氮去除效率的重要技術[6-7]。最近的研究表明：持續(xù)曝氣在去除氨氮、特種有機物和溫室氣體的過程中，既明顯增加了能源的消耗，又阻礙了缺氧環(huán)境的形成，進而限制了反硝化反應的進行[8]。因此，控制間歇曝氣和調節(jié)人工濕地中溶解氧的濃度，能夠有效地避免過量曝氣，達到較好的總氮(total nitrogen，TN)去除效果[9-10]。從理論上講，間歇曝氣同時為人

工濕地提供了好氧和缺氧條件，促進了同步硝、反硝化反應的進行[11]。然而，目前對連續(xù)曝氣和間歇的比較論證還相對較少。

本研究旨在優(yōu)化曝氣方式(即連續(xù)或間歇)對有機物和氨氮去除的影響，以提高水平潛流式人工濕地氨氮去除效率，并降低能源消耗。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

本實驗采用的人工濕地的示意圖，如圖1所示。人工濕地的表面積為2.5 m2(長2.5 m，寬1.0 m)，高 1.0 m，水力停留時間(HRT)為5 d。污水進水流量Q為0.5 m3/d，通過蠕動泵連續(xù)自動完成。進水水質參數如下：化學需氧量(COD)(120±50) mg/L，TN (31.4±20) mg/L，凱氏氮(TKN)(19.7±7.8) mg/L 和氨氮(NH4+-N)(14.2±4.7) mg/L。

圖1 人工濕地示意圖

1.2 曝氣方式

曝氣裝置設置在人工濕地的底部，空壓機的空氣流速為12 m3/h。礫石自由區(qū)設置溶解氧連續(xù)監(jiān)測點：(A)連續(xù)曝氣；(B)間歇曝氣；(C)對比(不曝氣)。間歇曝氣的控制方式如下：當溶解氧(DO)濃度為0.5 mg/L時開始曝氣，達到2.0 mg/L時停止曝氣，保持DO濃度在0.5 mg/L以上即可。

1.3 實驗檢測

水質監(jiān)測在5～8月份進行，分別檢測進水水質和出水水質。檢測的水質參數主要包括：COD、TKN、NH4+-N、TN和硝酸鹽(NO3--N)等。

2 實驗結果和討論

2.1 曝氣方式對COD去除影響

圖2 曝氣方式對COD去除影響

不同曝氣方式對人工濕地中COD去除效率的影響，如圖2所示。污水經過處理之后，出水平均濃度分別為55.9、43.9和51.2 mg/L，對應的平均去除率為58%、67% 和61.5%。結果表明：間歇曝氣對COD的去除效果略微高于持續(xù)曝氣和對比實驗。

2.2 曝氣方式對氨氮去除影響

不同曝氣方式對人工濕地中NH4+-N去除效率的影響，如表1所示。在對比試驗中，NH4+-N的去除率可達到60.9%，這說明在不曝氣的條件下，人工濕地仍可有效地利用接觸面?zhèn)鬟f的氧來去除大部分NH4+-N。從表可見，在間歇曝氣和持續(xù)曝氣條件下，NH4+-N的去除率均達到了99% 以上，是對比實驗的1.63倍。同時，在對比、間歇曝氣和持續(xù)曝氣條件下，TKN的去除率分別達到了56.67%、85.07%和85.44%。結果表明：間歇曝氣時，NH4+-N和TKN的去除效率與持續(xù)曝氣相同。換句話說，達到相同的NH4+-N和TKN的去除效率時，間歇曝氣比持續(xù)曝氣節(jié)省了一定的能耗。

表1 曝氣方式對氨氮、凱氏氮的去除效果

2.3 曝氣方式對TN去除影響

圖3 曝氣方式對TN去除影響

不同曝氣方式對人工濕地的TN去除效率的影響，如圖3所示。污水經過處理之后，出水平均濃度分別為19.1、22.3和30.1 mg/L，對應的平均去除率為38.4%、28.1%和3.2%。從實驗結果來看，對比實驗對TN的去除率高于間歇曝氣和持續(xù)曝氣，這主要與人工濕地中的缺氧環(huán)境有關。

2.4 曝氣方式對硝氮去除影響

不同曝氣方式對人工濕地中NO3--N的去除影響，如圖4所示。污水經過處理之后，NO3--N的出水平均濃度分別為7.9、18.2和24.3 mg/L。從數據來看，間歇曝氣和持續(xù)曝氣條件下，出水NO3--N濃度比進水分別提高了50% 和100%，而對比試驗中，NO3--N濃度比進水降低了35%左右。結果表明：曝氣量的增加確實有利于NH4+-N向NO3--N的轉化，卻降低了反硝化菌對NO3--N的反硝化作用[11]。

圖4 曝氣方式對NO3--N去除影響

3 結論

本實驗分別研究了對比實驗(不曝氣)、間歇曝氣(0.5 mg/L)和持續(xù)曝氣三種曝氣方式對有機物和氮的去除影響。總體而言，間歇曝氣能夠提供好氧和缺氧的交替環(huán)境，COD和NH4+-N的去除率分別達到了67%和99%，TN的最大去除率可達79%。持續(xù)曝氣條件下，人工濕地中DO濃度較高，破壞了反硝化菌生長所需的缺氧環(huán)境，導致出水NO3--N濃度較高。

[1] Yates C N,Varickanickal J,Cousins S,et al.Testing the ability to enhance nitrogen removal at cold temperatures with C-aquatilis in a horizontal subsurface flow wetland system[J].Ecol Eng,2016,94:344-351.

[2] 狄軍貞,戴男男,郭旭穎,等. PRB曝氣強化垂直流人工濕地系統(tǒng)處理垃圾滲濾液[J].中國給水排水,2015,31(13):77-79.

[3] 趙 偉,呂學研.人工濕地-生態(tài)塘系統(tǒng)凈化公路路面徑流綜述[J].公路交通科技,2013,30(2):133-138.

[4] Gabriel M L,Roxane M,Jacques B,et al.Nitrogen transformations and retention in planted and artificially aerated constructed wetlands[J].Water Res,2009,43(3):535-545.

[5] 方焰星,何池全,梁 霞,等.曝氣對人工濕地氮去除效果的影響[J].濕地科學,2011,9(3):270-275.

[6] 丁 怡,王 瑋,王宇暉,等.水平潛流人工濕地的脫氮機理及其影響因素研究[J].工業(yè)水處理,2015,35(6):6-9.

[7] 李春華,王蔚卿,倪利曉,等.人工曝氣對垂直潛流人工濕地運行效率的影響[J].河海大學學報(自然科學版)2011,39(3):259-263.

[8] Li F M,Lu L,Zheng X,et al.Three-stage horizontal subsurface flow constructed wetlands for organics and nitrogen removal:Effect of aeration[J].Ecological Engineering,2014,68:90-96.

[9] 郭燁燁,楊淑英,黃 瑩,等.間歇曝氣潛流人工濕地的污水脫氮效果[J].環(huán)境工程學報,2014,8(4):1405-1409.

[10] Fan J L,Zhang B,Zhang J,et al.Intermittent aeration strategy to enhance organics and nitrogen removal in subsurface flow constructed wetlands [J].Bioresource Technology,2013,141:117-122.

[11] 趙 艷,李鋒民,王昊云,等.好氧/厭氧潛流濕地微生物多樣性與凈化能力的關系[J].環(huán)境科學學報,2011,31(11): 2421-2431.

(本文文獻格式：劉亞君，韓 雪，劉 宏，等.曝氣方式對人工濕地氮去除效果的影響研究[J].山東化工,2017,46(5):152-154.)

Effects of Aeration Patterns on Nitrogen Removal in Constructed Wetlands

LiuYajun,HanXue,LiuHong,WangZhi

(China Aerospace Construction Group Co., Ltd., Beijing 100071,China)

Forced aeration of horizontal subsurface flow constructed wetlands is considered to be a good way for improving nutrient removal, especially ammonia. The purpose of this study is to remove ammonia effectively and reduce energy, based on efficiency of continuous and intermittent aeration. In this study, three aeration systems were used: continuous aeration, intermittent aeration (dissolved oxygen concentration greater than 0.5 mg/L) and a contrast test. The experiments results showed that intermittent aeration was the most effective method. Aerobic and anoxic environment was provided in this process, simultaneously, the energy consumption was reduced. The chemical oxygen demand (COD), and ammonia nitrogen removal rate were 66% and 99%, respectively, and maximal total nitrogen (TN) removal can reach 79%.

intermittent aeration;ammonia removal;nitrification/denitrification;constructed wetlands

2017-01-20

劉亞君(1983—)，女，河北承德人，工程師，主要從事水處理和環(huán)評工作和研究。

X703.1

A

1008-021X(2017)05-0152-03