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        進水C/N與運行水位對垂直潛流人工濕地脫氮的影響

        2022-04-12 02:47:12童菊秀馬艷寶席天一
        中國農(nóng)村水利水電 2022年4期
        關(guān)鍵詞:潛流沿程出水口

        馬 越,童菊秀,馬艷寶,席天一

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點實驗室,北京100083;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院,北京100083)

        0 引言

        工業(yè)廢水、生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染的大量排放造成了嚴重的水體污染問題,這些污水中普遍含氮較高,所以除氮是治理污水的一項重要工作[1,2]。垂直潛流人工濕地是人工濕地的一種類型,其系統(tǒng)中的污水以垂直流的方式流過濕地,對氮含量較高的污水有很好的去除效果[3]。前人對垂直潛流人工濕地中基質(zhì)、植物和微生物等脫氮的影響因素做了充分的研究[4-7],但對外界影響因素特別是水力學(xué)相關(guān)因素的研究相對較少。在實際工程應(yīng)用中,控制水力學(xué)條件是提高脫氮效果的有效手段[8],運行水位作為一個重要變量對其脫氮影響意義重大[9],前人研究了運行水位對水平流人工濕地去氮效果的影響[8-10],但很少考慮其對垂直潛流人工濕地的影響。碳源作為反硝化過程的電子供體,濕地系統(tǒng)中碳源的多少直接影響氮的去除,因此碳氮比(COD/TN)被認為是影響氮素去除效果的關(guān)鍵因素[11],也是近年研究的熱點問題。朱文玲等[12]利用模擬垂直潛流人工濕地研究了總氮(TN)的脫氮效果,結(jié)果表明C/N 為1/1和3/1 時TN 的去除效果最好,但是沒有考慮運行水位的影響,也沒有考慮銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)的去除效果。申彥冰[13]研究了C/N 小于1時垂直潛流人工濕地的脫氮效果影響,沒有考慮運行水位與C/N大于1的影響??刂七m宜的C/N和運行水位是提高垂直潛流人工濕地脫氮效果的重要舉措。所以本文以模擬垂直潛流人工濕地為研究對象,探討C/N 大于1的四種情況下,分別處于完全淹水、半落空、幾乎完全落空的三種不同運行水位對垂直潛流人工濕地內(nèi)部脫氮效果的影響,得到最佳脫氮效果的優(yōu)化組合,為垂直潛流人工濕地脫氮研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        本研究以野外試驗為主,試驗場地選擇在湖北省荊門市京山市屈家?guī)X管理區(qū)武漢大學(xué)農(nóng)谷試驗基地,該區(qū)屬亞熱帶季風氣候,溫暖多雨,結(jié)冰期短,四季分明,南北方的主要作物大都可以正常生長[14]。

        本次試驗中的模擬垂直潛流人工濕地反應(yīng)池有6 組,尺寸均為100 cm(長)×50 cm(寬)×70 cm(高),見圖1。反應(yīng)池的有效裝填高度為60 cm,分兩層,在池底10 cm 鋪設(shè)卵石作為排水層,其上部裝填50 cm 高度,粒徑為4~8 mm 的沸石作為凈化主體,在裝置側(cè)面距底部10 cm 處打孔作為出水口,同樣高度不同位置安裝虹吸軟管來控制運行水位。在濕地系統(tǒng)上部栽種石菖蒲凈化植物,種植密度為20 株/m2,根系深度在5~10 cm之間。為探究不同運行水位下垂直潛流人工濕地系統(tǒng)沿程脫氮的特性,將六組垂直潛流人工濕地模擬裝置分為兩組,每組中三個裝置分別設(shè)置其運行水位為60(處于完全淹水狀態(tài))、40、20 cm。為監(jiān)測濕地內(nèi)部沿程氮素去除的效果,運行水位60 cm 裝置在距底部50、30 cm 處增加取樣,運行水位40 cm 裝置在30 cm處增加取樣,運行水位20 cm時不增加取樣。

        圖1 垂直潛流人工濕地試驗裝置示意圖(單位:cm)Fig.1 Schematic diagram of vertical subsurface flow constructed wetland

        試驗在2020年10月至12月期間進行,此時正值秋季,試驗氣溫在10~20 ℃之間,氣候濕潤溫和。濕地裝置系統(tǒng)采用下行潛流布水方式,使污水從基質(zhì)層表面滲流至底部,在試驗過程中始終保持各裝置連續(xù)進水,選擇葡萄糖作為進水碳源,設(shè)置2/1、4/1、8/1、12/1 四種C/N 濃度梯度,進出水流速控制為70 mL/min,水力停留時間為1.3 d。每次試驗開展21 d,初始條件相同,并保持進水中氮濃度不變,試驗進水參照中等濃度污水標準配制,4 種C/N 下進水濃度范圍見表1。每次取得水樣后測定NH4+-N、NO3--N 和TN 的濃度,化學(xué)需氧量COD 采用重鉻酸鉀氧化法測定,NH4+-N 采用納氏試劑比色法測定,NO3--N 采用紫外分光光度法測定,TN 采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定。采用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行多因素方差分析,設(shè)差異顯著水平為P<0.05。

        表1 試驗進水平均濃度 mg/LTab.1 Average concentrations of influent water in experiments

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同C/N與運行水位下氮素去除率

        2.1.1 NH4+-N去除率變化

        4種C/N時不同運行水位下出水口處NH4+-N去除效果隨時間的變化如圖2所示。方差分析顯示,C/N 和運行水位均對NH4+-N 去除有顯著性影響(P=0<0.05),在C/N=2/1,運行水位為20、40 和60 cm 時,NH4+-N 的去除效果均達到最佳,分別為(98.02±1.0)%、(98.06±1.46)%、(95.44±2.28)%,平均去除率都達到95%以上。運行水位為60 cm 時,NH4+-N 的去除率隨著C/N 的增加而降低,C/N=12/1 時達到最低(74.67±8.0)%。而運行水位為20 cm 和40 cm 時,在C/N=4/1 時仍能達到很好的去除效果,去除率分別為(97.12±1.75)%和(98.16±1.10)%;之后隨著C/N 的增加去除率降低,C/N=12/1 時達到最低,分別為(77.60±5.09)%和(74.67±8.02)%。陳慶昌[15]認為,隨著C/N 的增大,NH4+-N 的去除效果明顯下降,C/N 的提高使系統(tǒng)中的硝化作用過程受到抑制。在本試驗中,由于進水中氮素濃度始終保持一定,因此C/N越高,表示進水中有機物濃度越大。而在垂直潛流人工濕地中,硝化作用受溶解氧(DO)濃度的影響很大,隨著碳源濃度的增加,有限的DO很難同時滿足硝化需氧量OD和有機物去除OD,NH4+-N 去除效果下降[16]。運行水位為40 和20 cm時,由于上部分與大氣接觸,能夠及時為硝化反應(yīng)提供DO,因此在C/N=2/1 和4/1 時都能達到最好的NH4+-N 去除效果,好于全部淹水狀態(tài)下的運行水位60 cm 時。處于完全飽和的系統(tǒng)僅能在C/N 處于較低值時達到最佳的NH4+-N 去除效果,運行水位為40 和20 cm 時能及時為硝化反應(yīng)提供DO,可見微生物的硝化作用是去除NH4+-N 的主要途徑,比植物吸收和基質(zhì)吸附所占的份額更大。綜上可知,中低濃度的C/N 進水條件更有利于在垂直潛流人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部形成適宜硝化細菌生長的微環(huán)境,而中低運行水位(40 cm 和20 cm)時,系統(tǒng)內(nèi)非飽和區(qū)域面積更大,因而能通過及時的大氣復(fù)氧提高系統(tǒng)內(nèi)部的氧含量,為硝化反應(yīng)提供更加充足的DO,從而提高了NH4+-N 的去除效果。

        圖2 4種C/N時不同運行水位下的出水口NH4+-N平均去除率Fig.2 NH4+-N average removal rates at the outlet with different operational water levels under condition of four C/N ratios

        2.1.2 NO3--N去除率變化

        4種C/N時不同運行水位下的出水口NO3--N去除效果如圖3所示,4 種C/N 下NO3--N 的去除效果有顯著性差異(P=0<0.05)。在C/N=2/1 時,60、40 和20 cm 3 種運行水位下,出水口處NO3--N 濃度高,去除率較差,均低于20%。這是由于系統(tǒng)中碳源不足限制了反硝化作用的進行,且硝化作用較強限制了NO3--N 的減少及去除[16]。在C/N=4/1 時,40 和60 cm 這兩種運行水位下去除率最高,平均去除率分別為(82.84±10.55)%和(82.41±9.78)%,個別取樣點去除率達到95%以上;而在運行水位為20 cm 時,平均去除率僅為(56.44±17.99)%。不同運行水位的垂直潛流人工濕地系統(tǒng)對NO3--N 的去除存在顯著性差異(P=0.016<0.05),這主要是因為處于較低的運行水位的濕地系統(tǒng)內(nèi)部存在的非飽和區(qū)域面積更大,提供了好氧環(huán)境,促進了硝化作用[17],導(dǎo)致出水口NO3--N濃度高,去除效果差。C/N=8/1時,運行水位為40 和60 cm 的條件下,NO3--N 平均去除率在62%左右,而運行水位為20 cm 時出水口處NO3--N 的平均去除率約為50%,其去除效率比在C/N=4/1時低,但高于C/N=2/1時,這是由于此時反硝化細菌的活性降低,影響了NO3--N的去除效果[18]。連小瑩[19]認為當C/N 較大,有機物濃度過高時已超過反硝化細菌所需碳源,此時C/N 不再作為限制反硝化作用的關(guān)鍵因素,而且過量的碳源使不以NO3--N為電子受體的異養(yǎng)菌大量繁殖,與反硝化細菌競爭生存空間。運行水位為40 cm和60 cm時整體比運行水位為20 cm 時的NO3--N 去除效果好,在C/N=4/1和8/1時差異更明顯。可見在低運行水位時,由于好氧區(qū)范圍較大對反硝化作用產(chǎn)生了抑制。C/N=12/1 時,3 種運行水位下的NO3--N去除效果均較差,均低于55%。在試驗中還發(fā)現(xiàn),C/N=8/1 和12/1 時,出水口NO3--N 去除率較低。NO3--N 的去除率隨時間波動較大,且前期處理效果比后期好,這可能是由于實驗周期不夠長,出水口NO3--N濃度還未穩(wěn)定引起的。從以往的研究來看,適宜反硝化作用的最佳C/N 說法眾多,Lin 等[11]認為,C/N =3.5 時,脫氮效果最好,張燕[16]等研究發(fā)現(xiàn)隨著C/N 的增加,NO3--N 去除率均表現(xiàn)出上升的趨勢??梢娪捎谙到y(tǒng)工況、內(nèi)部微生物菌群對碳源的利用情況等不同,最適宜去除NO3--N 的C/N 也不同,而在本研究中C/N=4/1 時NO3--N 的去除率最高。

        圖3 4種C/N時不同運行水位下的出水口NO3--N平均去除率Fig.3 NO3--N average removal rates at the outlet with different operational water levels under condition of four C/N ratios

        2.1.3 TN去除率變化

        傅融冰[20]研究認為微生物硝化/反硝化是人工濕地脫氮的主要途徑,反硝化過程被認為是人工濕地系統(tǒng)主要的氮去除機制。4 種C/N 時不同運行水位下的出水TN 去除效果隨時間的變化如圖4所示。經(jīng)方差分析可知C/N 對TN 的去除效果有顯著影響(P=0<0.05)。C/N=2/1 時,20、40 和60 cm 這3 種運行水位下,出水口TN 平均去除率分別為(62.55±5.56)%、(63.76±4.51)%和(63.15±5.24)%,這主要是因為有機碳源不足而導(dǎo)致的反硝化速率降低,其去除效果排序為40 cm>60 cm>20 cm。C/N=4/1 時,碳源的補充使反硝化作用增強,出水口NO3--N 和TN 去除率增大,TN 去除率分別增加到(75.43±6.20)%、(85.92±8.34)%和(81.26±6.49)%,其去除效果排序為40 cm>60 cm>20 cm。C/N=8/1 時,出水口TN 平均去除率下降到(72.00±12.05)%、(80.42±11.06)%和(71.07±10.37)%,運行水位在40 cm 時,出水口TN 去除效果最好。C/N=12/1 時,出水口TN 去除效率分別為(74.41±12.35)% 、(70.09±7.94)% 和(70.90±11.93)%。這主要是因為在C/N 較高時,補充的碳源與反硝化細菌脫氮時所需要的碳源是供大于求的關(guān)系,不再是限制反硝化速率的關(guān)鍵因素,影響了反硝化速率[19];另外,C/N 較高時,NH4+-N 的去除也受到了抑制,因此出水口TN 去除效率不會由于有機物濃度的增大而增加。整體看來,運行水位為40 cm 時比60 cm 時的DO更充足,硝化作用更強,且比20 cm 時有更多適宜反硝化菌生長的厭氧環(huán)境,所以TN 去除效果最好,其次是運行水位60 cm 時。4 種C/N 時不同運行水位下,NH4+-N 和NO3--N 去除效果的波動引起了出水TN 去除率也隨時間波動,在進水氮濃度一定時,適當提高C/N 有利于TN 的去除,但過高的C/N 會抑制NH4+-N 的去除,使TN 的去除效果變差。進一步由圖2~圖4 可知,C/N 越大3 種氮素的去除率誤差線越大,這可能是由于過高的C/N 擾亂了微生物的新陳代謝,微生物菌群的穩(wěn)定性降低,抵抗沖擊負荷的能力降低,導(dǎo)致C/N越大去除率誤差線越大,出水濃度變化變大。

        圖4 4種C/N時不同運行水位下的出水口TN平均去除率Fig.4 TN average removal rates at the outlet with different operational water levels under condition of four C/N ratios

        綜上所述,在本試驗中,C/N=4/1與運行水位為40 cm 時,垂直潛流人工濕地出水口處NH4+-N、NO3--N 和TN 的去除效果最好。C/N 對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中的NH4+-N、NO3--N 和TN去除有顯著影響,而運行水位對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中NH4+-N和NO3--N的去除有顯著影響。

        2.2 氮素沿程變化特征

        在4種C/N 條件下,運行水位為60 cm 的垂直潛流人工濕地系統(tǒng)距底部50、30 cm和出水口處以及運行水位為40 cm時距底部30 cm 及出水口處的NH4+-N、NO3--N 和TN 濃度隨時間的變化如圖5~7所示。運行水位為60 cm 和40 cm 時,C/N=2/1 和4/1時,沿程的NH4+-N 的去除效果優(yōu)于C/N=8/1 和12/1 時。C/N=4/1 時,沿程的NO3--N、TN 去除效果在4 種C/N 條件下均為最優(yōu),原因在上一節(jié)已經(jīng)探討,此處不再贅述。由圖5(a)可知,運行水位為60 cm 時(完全淹水狀態(tài)),四種C/N 條件下NH4+-N 的濃度隨取樣高度的降低呈階梯狀遞減;這是因為植物根系長度有限,植物對NH4+-N 的吸收作用隨著裝置深度的增加而減弱,在裝置下部基質(zhì)的吸附和微生物的硝化作用起主要影響[21],因此裝置內(nèi)部去除效果有所下降;由圖5(b)可知,運行水位為40 cm時,NH4+-N 濃度在30 cm 和出水口處很接近且遠低于進水濃度,C/N=2/1 和4/1 時,30 cm 取樣口的NH4+-N 平均濃度僅為(0.65±0.41)mg/L 和(0.55±0.22)mg/L,說明此運行水位下NH4+-N 的去除主要發(fā)生在30 cm 以上;由于此運行水位下,垂直潛流人工濕地上部處于落空狀態(tài),形成好氧區(qū),充足的DO使硝化作用增強,硝化細菌在裝置上部大量繁殖,使大部分的NH4+-N 在裝置上部得到去除[22]。由圖6 整體來看,運行水位為60 cm 和40 cm 時,從沿程濃度變化來看,兩種運行水位下的NO3--N 去除都主要發(fā)生在裝置上部:運行水位為60 cm,C/N=2/1 時,50 cm 取樣口、30 cm 取樣口和出水口的NO3--N 濃度非常接近,50 cm 和出水口處很接近且遠低于進水口NO3--N 濃度;隨著C/N的增大,50 cm 取樣口至出水口NO3--N 濃度遞減,但變化幅度小于進水口至50 cm 取樣口時的變化;這是因為碳源的增加提高了裝置下部的反硝化作用;運行水位為40 cm 時,30 cm 取樣口和出水口的NO3--N 濃度非常接近,30 cm 取樣口和出水口處很接近且遠低于進水口NO3--N 濃度。這是因為在裝置上部此時植物的吸收作用和微生物的硝化作用對NO3--N 的去除起主要作用,隨著取樣高度的降低植物根隨著系無法作用到裝置內(nèi)部,因此影響了NO3--N 的去除。由圖7 可知,運行水位為60 cm,4 種C/N 條件下,TN 的濃度隨取樣高度的降低呈階梯狀遞減;運行水位為40 cm 時,TN 濃度在30 cm 和出水口處很接近且遠低于進水濃度,此時TN 的去除主要受制于NH4+-N 和NO3--N的去除效果。

        圖5 4種C/N時不同運行水位下沿程NH4+-N平均濃度變化Fig.5 NH4+-N average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

        圖6 4種C/N時不同運行水位下沿程NO3--N平均濃度變化Fig.6 NO3--N average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

        圖7 4種C/N時不同運行水位下沿程TN平均濃度變化Fig.7 TN average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

        3 結(jié)論

        (1)C/N 對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中的NH4+-N、NO3--N 和TN 去除有顯著影響,C/N=4/1,60、40 和20 cm 3 種運行水位時,NH4+-N、NO3--N和TN在沿程取樣點去除率均最高,此時為最優(yōu)C/N。

        (2)運行水位對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中NH4+-N 和NO3--N的去除有顯著影響。C/N=4/1,運行水位為40 cm時,出水口處脫氮效果最佳,此時NH4+-N 去除率達到(98.16±1.10)%,NO3--N去除率達到(82.84±10.55)%,TN去除率達到(85.92±8.34)%。

        (3)當垂直潛流人工濕地系統(tǒng)完全飽和即運行水位為60 cm 時,4 種C/N 條件下,NH4+-N、NO3--N 和TN 的去除主要發(fā)生在垂直潛流人工濕地的上部50~60 cm,而后NH4+-N 和TN 的濃度隨著取樣高度的降低呈階梯遞減的趨勢;NO3--N的濃度沿程變化在C/N=2/1 時較小,而在C/N=4/1,8/1 和12/1 時隨著取樣高度的降低呈階梯遞減的趨勢。

        (4)當垂直潛流人工濕地系統(tǒng)半落空即運行水位為40 cm時,氮素的去除主要發(fā)生在上部30~40 cm,30 cm 至出水口處三氮濃度變化較小。并且沿程(包括30 cm 和出水口處)三氮濃度變化都較60 cm 時穩(wěn)定,在實際工程應(yīng)用中適當降低垂直潛流人工濕地運行水位可提高出水穩(wěn)定性?!?/p>

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