宋維星，周衍平，陳 旭，李 恩，季軍遠(yuǎn)**

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 齊魯交通服務(wù)開發(fā)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.海軍后勤部專項(xiàng)工程建設(shè)辦公室，北京 100071)

人工濕地脫氮效果主要受基質(zhì)、植物、微生物、環(huán)境等因素影響，其中植物吸收、微生物降解為脫氮的主要過程。植物根系及根系區(qū)域是植物去除氮污染物的主要場(chǎng)所，發(fā)達(dá)的根系可為植物吸收氮提供強(qiáng)有力的保障，可顯著提高氮去除能力，其對(duì)氮去除率可達(dá)植物脫氮的60%以上[1-2]。植物根系性狀直接影響根系與氮污染物的接觸面積、硝化微生物數(shù)量與活性、根系氧氣運(yùn)輸釋放及周邊氧化態(tài)微環(huán)境[3]，并最終影響植物對(duì)氮的吸收。因此可通過人工濕地內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)強(qiáng)化根系性狀從而增強(qiáng)濕地植物脫氮效果。

人工濕地間歇增氧強(qiáng)化脫氮過程中曝氣量、曝停比(t曝/t停)、曝停周期為影響溶解氧含量和分布的重要因素，且三因素之間對(duì)人工濕地脫氮效果影響存在交互作用。響應(yīng)曲面法(Response Surface Method, RSM)可通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建影響因素和響應(yīng)值之間的多元回歸方程，獲取因素對(duì)響應(yīng)值的影響作用，從而優(yōu)化影響因素并可進(jìn)一步預(yù)測(cè)響應(yīng)值[12]。RSM省時(shí)省力且可判定各因素對(duì)響應(yīng)值影響的主次順序，同時(shí)可評(píng)價(jià)因素間的交互作用，已在環(huán)境工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[13-15]。

目前已有將RSM應(yīng)用于人工濕地運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究[16]，在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本研究以自主研發(fā)的間歇增氧垂直流人工濕地為試驗(yàn)對(duì)象，以影響人工濕地中溶解氧含量分布的曝氣量、曝停比(t曝/t停)、曝停周期為因素，人工濕地的氨氮去除率和總氮去除率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)曲面法研究曝氣因素對(duì)人工濕地脫氮效能的影響，確定最優(yōu)曝氣參數(shù)，可為人工濕地脫氮效果優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)采用間歇增氧垂直流人工濕地，示意圖見圖1，其外部為圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑30 cm，高80 cm，由有機(jī)玻璃制成。裝置自下而上依次填充粗礫石(粒徑30～50 mm,高10 cm)、礫石(粒徑10～20 mm,高15 cm)、煤渣(粒徑5～10 mm,高20 cm)、沙土(高25 cm)。裝置距離底部45 cm處，即法蘭以上設(shè)置同心圓柱，由中心向外分別為曝氣區(qū)、土壤降解區(qū)、出水區(qū)。土壤降解區(qū)中采用同心圓柱設(shè)計(jì)，圓柱內(nèi)種植蘆葦，通過圓柱物理邊界限制蘆葦根系的發(fā)散生長(zhǎng)，可形成致密的根系屏障墻，強(qiáng)化根系性狀增強(qiáng)濕地植物脫氮效果。曝氣器置于曝氣圓筒底部，距頂部40 cm，由氣體流量計(jì)控制并計(jì)量流量，繼電器控制曝氣裝置開啟。實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水方式，進(jìn)水流量為10 L/d，HRT恒定為48 h，定期采集出水測(cè)定相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)。

圖1 垂直流人工濕地試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a VFCW system

1.2 分析方法

1.3 響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)

響應(yīng)曲面法采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二階回歸擬合，研究曝氣因素對(duì)垂直流人工濕地脫氮效果影響，優(yōu)化間歇增氧垂直流人工濕地脫氮過程的曝氣參數(shù)。實(shí)驗(yàn)選取曝氣量、曝停比(t曝/t停)、曝停周期三個(gè)影響因子，分別以氨氮去除率、總氮去除率為響應(yīng)值。各因子編碼、水平取值見表1，對(duì)三個(gè)影響因子分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)數(shù)值。

表1 影響因子編碼及水平Table1 Code and level of independent variables

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所采用二次多項(xiàng)式模型，如式(1)所示[18]:

(1)

式中：Y為氨氮(總氮)去除率的響應(yīng)曲面值；b0為常系數(shù)；bi是線性效應(yīng)的回歸系數(shù)；bij為相互作用的回歸系數(shù)；Xi為實(shí)驗(yàn)變量編碼。利用DesignExpert對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)R2評(píng)估曝氣因素的相互作用對(duì)響應(yīng)值的影響程度，其值始終在0和1之間。R2越接近1，則模型預(yù)測(cè)響應(yīng)越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

本研究通過CCD模型，對(duì)人工濕地脫氮中曝氣影響因素進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化間歇增氧垂直流人工濕地脫氮效果的目的[19]。研究共設(shè)計(jì)19組實(shí)驗(yàn)，為了避免隨機(jī)誤差干擾，每組實(shí)驗(yàn)均開展3次平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Observed and predicated results of and TN removal efficiency based on CCD experimen talde sign

2.2 間歇增氧垂直流人工濕地脫氮數(shù)學(xué)模型建立和精確性分析

根據(jù)CCD設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用Design Expert軟件確定因素(X1、X2、X3)與響應(yīng)值(Y1、Y2)的關(guān)系，通過多元回歸分析計(jì)算相應(yīng)系數(shù)，建立相應(yīng)的二次回歸方程如式(2)、(3):

Y1=0.873 3+0.058 2×X1+0.071 2×X2-
0.005 0×X3-0.107 0×X1X2+

0.053 8×X1X3+0.044 8×X2X3-0.007 9×X12-
0.008 9×X22+0.030 4×X32，

(2)

Y2=0.465 0-0.002 3×X1-0.006 5×X2-
0.038 9×X3-0.144 5×X1X2+

0.007 7×X1X3+0.031 8×X2X3+0.038 8×X12+
0.030 3×X22+0.085 8×X32。

(3)

式中:Y1為氨氮去除率；Y2為總氮去除率；X1為曝氣量；X2為曝停比；X3為曝停周期。由式2和3可知，間歇曝氣的3個(gè)影響因素對(duì)響應(yīng)值(氨氮去除率、總氮去除率)的影響均是交互的，而不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

上述模型(式2、3)分別確定間歇增氧曝氣參數(shù)對(duì)垂直流人工濕地氨氮去除率和總氮去除率的影響。對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，可判定模型應(yīng)用于研究曝氣參數(shù)對(duì)人工濕地脫氮效果影響的可行性、可信度、精確度等，從而優(yōu)化人工濕地間歇增氧參數(shù)；當(dāng)模型P<0.05，F(xiàn)>0.05時(shí)方可表明回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Y1=0.873 3+0.058 2X1+0.071 2X2-
0.107 0X1X2+0.053 8X1X3+
0.044 8X2X3+0.030 4X32。

(4)

Y2=0.465 0-0.038 9X3-0.144 5×X1X2+
0.031 8X2X3+
0.038 8X12+0.030 3X22+
0.085 8X32。

(5)

人工濕地氨氮去除率和總氮去除率的CCD設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值和回歸模型預(yù)測(cè)值關(guān)系分別如圖2(a)、2(b)所示，可得出模型預(yù)測(cè)值基本處于實(shí)驗(yàn)值周圍，緊密分布在直線y=x周圍，表明響應(yīng)曲面回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合，模型可精確預(yù)測(cè)間歇增氧對(duì)垂直流人工濕地脫氮效率的影響。學(xué)生化外殘差的概率分布情況可用于判定回歸模型是否符合正態(tài)分布，氨氮去除率和總氮去除率的學(xué)生化外殘差的概率分布分別見圖3(a)、3(b)。由圖可見，所得數(shù)據(jù)點(diǎn)均較好的擬合在一條直線周圍，表明響應(yīng)曲面回歸模型擬合程度較高，且均符合正態(tài)分布。綜合以上分析可得出，回歸模型Y1和Y2可較準(zhǔn)確說明間歇曝氣三個(gè)影響因素和濕地氨氮去除率、總氮去除率的關(guān)系，同時(shí)可對(duì)垂直流人工濕地脫氮的最佳間歇曝氣參數(shù)進(jìn)行良好預(yù)測(cè)。

圖2 氨氮去除率(a)和總氮去除率(b)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Actual versus predicted values for and TN(b) removal efficiency

圖3 氨氮去除率(a)和總氮去除率(b)殘差正態(tài)概率分布圖Fig.3 Normal probability plot of studentized residuals of the quadratic model for and TN(b) removal efficiency

2.3 曝氣因素對(duì)人工濕地脫氮效能影響的主次分析

曝氣量、曝停比、曝停周期三因素對(duì)人工濕地氨氮去除率和總氮去除率影響的主次順序及影響程度可通過其各自貢獻(xiàn)率來表征。令

其中F為方差分析F值。

則第i種影響因素對(duì)于氨氮去除率和總氮去除率的貢獻(xiàn)率為[21]：

式中：αi、αii分別代表第種影響因素一次項(xiàng)與二次項(xiàng)的貢獻(xiàn)率；αij代表第i、j種因素的共同貢獻(xiàn)率。

通過對(duì)回歸模型相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到3個(gè)間歇曝氣因素對(duì)人工濕地氨氮去除率的貢獻(xiàn)率分別為：Δx1=4.357 9、Δx2=4.487 7、Δx3=3.904 6，表明在綜合考慮曝氣因素的單項(xiàng)及交互作用基礎(chǔ)上，其對(duì)人工濕地氨氮去除率的影響的主次順序?yàn)閄2、X1、X3，即曝停比對(duì)氨氮去除率影響最大，曝氣量次之、曝停周期的影響最??；此與回歸模型精準(zhǔn)分析結(jié)果一致。改變曝停比可以增加或減少相應(yīng)的曝氣時(shí)間或者停曝時(shí)間，從而控制硝化菌好氧降解氨氮的反應(yīng)時(shí)間；改變曝氣量可以增加或減少人工濕地內(nèi)溶解氧濃度，促進(jìn)或者抑制硝化菌活性；改變曝停周期可以使曝氣階段與停曝階段更加頻繁交替，增加或減少硝化菌所需降解環(huán)境的更替頻率。因此，在注重氨氮去除率的人工濕地實(shí)際運(yùn)行中，要格外關(guān)注曝停比對(duì)人工濕地脫氮效能的影響。

3個(gè)間歇曝氣影響因素對(duì)人工濕地總氮去除率的貢獻(xiàn)率為：Δx1=2.869 2、Δx2=2.846 1、Δx1=3.833 7，表明在綜合考慮影響因素單獨(dú)與交互作用后，影響因素對(duì)人工濕地總氮去除率影響的主次順序?yàn)閄3、X1、X2，即曝停周期對(duì)總氮去除率影響最大，曝氣量次之，曝停比影響最小。改變曝停周期可以控制曝氣階段與停曝階段交替頻率，從而控制適于硝化作用與反硝化作用的環(huán)境更替改變，最終影響總氮的去除率；改變曝氣量，使人工濕地內(nèi)溶解氧濃度改變，對(duì)硝化菌與反硝化菌產(chǎn)生一定影響；改變曝停比可以增加或減少相應(yīng)的曝氣時(shí)間或者停曝時(shí)間，從而使硝化菌、亞硝化菌好氧降解、反硝化菌的厭氧反硝化時(shí)間增加或減少。對(duì)于因此，在重視總氮去除效果的人工濕地的運(yùn)行中，通過曝停周期的優(yōu)化設(shè)置以達(dá)到良好的總氮去除效果。

2.4 曝氣因素聯(lián)合作用對(duì)人工濕地脫氮效能影響分析

根據(jù)回歸模型分別繪制氨氮去除率和總氮去除率與曝氣量、曝停比、曝停周期3個(gè)間歇曝氣參數(shù)的三維曲面圖和等值圖，分別見圖4、5。三維曲面圖可展現(xiàn)三個(gè)水平因子中一個(gè)變量取中間值時(shí)，其他兩個(gè)變量對(duì)響應(yīng)值的交互作用影響，其輪廓呈凸起、凹陷或者呈馬鞍形狀則說明兩個(gè)變量之間的交互效應(yīng)強(qiáng)；當(dāng)曲面陡峭時(shí)，因子的影響效應(yīng)大，最佳因子在曲面頂點(diǎn)附近[22]。等值圖的形狀可反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，若為圓形，表示因素變量交互作用不顯著；若為橢圓形，表示交互作用顯著[23]。

圖4(a)和圖5(a)描述了曝氣量和曝停比對(duì)人工濕地氨氮去除率和總氮去除率的影響。從圖中可知，較低曝氣量時(shí)，氨氮去除率和總氮的去除率均隨著曝停比的加大而提高，加大曝停比可延長(zhǎng)曝氣時(shí)間，提高溶解氧濃度，強(qiáng)化硝化反應(yīng)的速率，也可為反硝化反應(yīng)提供充足的反應(yīng)物，從而提升了氨氮和總氮去除率[24-25]；高曝氣量時(shí)，氨氮去除率隨曝停比加大略有降低，而總氮的去除率隨曝停比的加大呈現(xiàn)大幅降低，造成這一現(xiàn)象的原因可能是高曝氣量、大曝停比工況下人工濕地中好氧區(qū)擴(kuò)大，相應(yīng)壓縮兼(厭)氧區(qū)空間，致使反硝化反應(yīng)受阻。圖4(b)和圖5(b)描述了曝氣量、曝停周期對(duì)氨氮和總氮去除率的影響，可知在固定曝停周期下，隨著曝氣量增加，氨氮去除率略有提高；與較短曝停周期相比，在較長(zhǎng)曝停周期下，氨氮去除率提升更迅速；但在固定曝氣量下，隨著曝停周期增加，總氮去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是曝氣持續(xù)增加使溶解氧含量長(zhǎng)時(shí)間處于較高狀態(tài)，利于硝化反應(yīng)進(jìn)行并一定程度上抑制了反硝化反應(yīng)[26-27]。圖4(c)和圖5(c)描述了曝停比和曝停周期對(duì)氨氮和總氮去除率的影響，氨氮去除率隨著曝停周期增加稍有變化；總氮去除率隨著曝停周期增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是曝停周期增加會(huì)導(dǎo)致曝氣與停曝的間隔縮短，反硝化反應(yīng)未充分進(jìn)行，致使總氮去除率降低[28-29]。

2.5 最優(yōu)曝氣因素預(yù)測(cè)及模型驗(yàn)證

應(yīng)用響應(yīng)曲面法確定的回歸模型可對(duì)最佳間歇曝氣參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過Design Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化，可得出氨氮去除的最佳曝氣參數(shù)：曝氣量為2 m3/h、曝停比為0.25、曝停周期為12 h；在最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)下，人工濕地氨氮去除率的預(yù)測(cè)值為98.4%?？偟コ实淖罴验g歇曝氣參數(shù)：曝氣量為2 m3/h、曝停比為0.25、曝停周期為6 h；在最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)下，人工濕地總氮去除率的預(yù)測(cè)值為83.2%。為驗(yàn)證響應(yīng)曲面法的回歸模型具有良好的預(yù)測(cè)效果，在預(yù)測(cè)的最佳曝氣參數(shù)條件下進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)氨氮、總氮去除率。三組氨氮去除率數(shù)據(jù)分別為97.8%、96.2%、95.2%，平均值為96.4%，與人工濕地氨氮去除率的預(yù)測(cè)值98.4%之間標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4%；三組總氮去除率數(shù)據(jù)分別為79.7%、81.2%、81.5%，平均值為80.8%，與人工濕地總氮去除率的預(yù)測(cè)值83.2%之間標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.7%，均較接近預(yù)測(cè)值。研究結(jié)果表明，通過響應(yīng)曲面法可對(duì)間歇曝氣參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得較高的氨氮或總氮去除率；回歸模型具有較高的精準(zhǔn)性和可信度。

((a)曝氣量(X1)和曝停比(X2)；(b)曝氣量(X1)和曝停周期(X3)；(c)曝停比(X2)和曝停周期(X3)。(a) Aeration flowrate (X1) and ratio of aeration to non-aeration (X2); (b) Aeration flowrate(X1) and operation cycle(X3); (c) Ratio of aeration to non-aeration (X2) and operation cycle(X3).)

3 結(jié)論

(1) 采用響應(yīng)曲面法可建立以氨氮去除率和總氮去除率為響應(yīng)值的二次回歸模型，模型R2分別為0.983 6與0.971 9，具有較好的擬合度和可信度。

(2) 間歇增氧垂直流人工濕地脫氮處理中曝氣量、曝停比是對(duì)氨氮去除率影響極顯著的間歇曝氣參數(shù)；曝停周期是對(duì)總氮去除率具有極顯著影響的曝氣參數(shù)。

(3) 模型預(yù)測(cè)氨氮與總氮去除的最佳間歇曝氣參數(shù)分別為：曝氣量為2 m3/h、曝停比為0.25、曝停周期為12 h，曝氣量為2 m3/h、曝停比為0.25、曝停周期為6 h；氨氮、總氮去除率預(yù)測(cè)值分別為98.4%、83.2%，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.4%和1.7%，說明響應(yīng)曲面法可實(shí)現(xiàn)間歇增氧人工濕地脫氮效能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并可用于優(yōu)化人工濕地間歇曝氣參數(shù)。