海南地区垂直潜流人工湿地增加缓释碳源强化去除TN的性能研究

刘圣 李程 温亚敏

摘要：在下向潜流人工湿地中增加一定比例的椰壳纤维素和花生壳作为缓释碳源，通过分别处理农村生活污水和污水处理厂一级B出水，对比含缓释碳源人工湿地和不含缓释碳源人工湿地对TN的处理效果，评估增加缓释碳源强化去除TN的性能。试验结果表明：垂直潜流人工湿地处理农村生活污水时基质中增加缓释碳源对TN的去除效果没有显著的提高，水力负荷为0.6m3/（m2·d）时，不加缓释碳源TN平均去除率为48.01%，加缓释碳源TN平均去除率为50.54%;垂直潜流人工湿地处理污水处理厂一级B出水时，基质中增加缓释碳源对TN的去除效果有一定的提高，与不增加缓释碳源相比，TN平均去除率由19.53%提升到了24.44%，TN的去除效果提升了25.14%。

关键词：垂直潜流人工湿地;TN;NH3-N;缓释碳源

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：Vertical constructed wetland adding a percentage of coconut fiber and peanut shells as a slow release carbon source. Through the treatment of rural domestic sewage and grade B effluent of sewage treatment plant， the treatment effect of constructed wetland on TN was compared， and the enhanced removal performance of TN by adding sustained release carbon source was evaluated.The experimental results showed that： when the vertical subsurface flow constructed wetland was used to treat rural domestic sewage， the removal effect of TN in the wetland with slow-release carbon source was not significantly improved. When the hydraulic load was 0.6m3/ （m2·d）， the average TN removal rate of wetlands without slow-release carbon source was 48.01%， and that of wetlands with slow-release carbon source was 50.54%. Vertical constructed wetland treatment wastewater of level B effuent， the wetland with increased slow-release carbon source has a certain improvement in TN removal effect， compared with the wetland without increased slow-release carbon source， the average removal rate of TN increased from 19.53% to 24.44%， TN removal effect increased by 25.14%.

Key words：Vertical constructed wetlands;TN;NH3-N;Slow-release carbon source

海南島是中国唯一的热带海岛，地处108°37′～111°03′E， 18°10′～20°10′N，总面积约为3.54×104 km2 [1]。目前，海南岛农村污水大多数都是未经处理直接排放，污染程度严重影响乡村人居环境，农村污水主要有生活污水、畜禽养殖污水等，污水排放量相对较小，若建污水处理厂，则投资较大且运行成本较高，不切合实际[2]。海南岛属热带季风气候，年平均气温22～27℃，适宜水生植物生长，建设人工湿地污水处理系统，并且海南省各村镇一般都有足够的空余地面建设人工湿地[3]。其优点不仅表现为建造和运行成本低、易于维护、技术含量要求不高，而且可进行有效可靠的废水处理、缓冲对水力和污染负荷的冲击，更重要的是可以产生一定的经济、景观、生态效益。在农村污水无害化处理和应用中，人工湿地处理系统对N、P等营养物质的去除，可以使出水一次性营养物指标达标，且不存在二次污染，强化的人工湿地还可以彻底降解矿化有机污染物[4]。人工湿地脱总氮的主要限制性因素之一是碳源，由于目前生活污水中C/N 普遍不高，所以，利用人工湿地进行脱氮处理时，极易因后期碳源不足导致系统脱氮效率不佳。因此，不少研究者试图通过人工投加外源性碳源来提高湿地的脱氮效果[5]。

本研究拟在通过向人工湿地系统中添加缓释碳源，从而增加污水中C/N，强化去除TN性能。本试验选用农村生活污水和乡镇污水处理厂一级B出水为处理对象，目的是指导海南地区农村污水治理和乡镇污水处理厂提标改造。人工湿地处理技术用于海南省农村生活污水（包括畜禽养殖污水、生活污水等）净化处理，在海南省具有很高的实用价值和广阔的发展前景，对实现水资源的再利用具有重要意义。

1 试验基地与方法

1.1 试验基地情况及流程

试验基地位于东方市板桥镇桥北村东北侧，占地面积200m2，试验采用下向垂直潜流湿地进行水质净化，种植美人蕉、再力花、风车草、棱鱼草4种水生植物，湿地基质组成火山岩和砾石比例为8：2，基质层总高100cm。

单块人工湿地尺寸：200cm×230cm×150cm。为提高人工湿地对TN的去除能力，本研究将在部分湿地基质中添加椰壳纤维和花生壳（作为缓释碳源）为微生物进行反硝化过程提供适宜条件，添加比例约占基质总体积的2%。

试验分别采用两种不同的进水水质及工艺，两组试验同步进行。试验工艺一：利用升流式酸化池对农村生活污水进行简单厌氧水解后分别进入含有缓释碳源和不含缓释碳源的垂直潜流湿地进行处理;试验工艺二：将附件乡镇污水处理厂处理后达到一级B的尾水，分别进入含有缓释碳源和不含缓释碳源的垂直潜流湿地进行处理。通过对进出水水质的监测，对比含有缓释碳源和不含缓释碳源的垂直潜流人工湿地的处理效果。工艺流程图见图1。

1.2 试验进水水质

试验工艺一进水水质为农村生活污水，试验工艺二为城镇污水处理厂处理后达到一级B的尾水，具体水质参数及指标见表：

试验1进水取自试验基地旁边的东方市板桥镇桥北村生活污水排放渠，进水经过升流式酸化池水解后，部分进入含有缓释碳源的下行垂直潜流湿地，部分进入不含缓释碳源的下行垂直潜流湿地。4月4日至4月22日垂直潜流湿地水力负荷均控制在0.8m3/（m2·d），4月23日至5月16日垂直潜流湿地水力负荷均控制在0.6m3/（m2·d）。4月4号至5月16号期间，东方市瞬时最低气温24℃，瞬时最高气温35℃。垂直潜流湿地4月22日至5月16日时间段内对农村生活污水CODcr的去除效果见图2。

整个试验期内，升流式水解池出水CODcr在106～172mg/L之间波动，运行期间含碳源缓释剂和不含碳源缓释剂的垂直潜流湿地对CODcr的去除效果相差不大。含碳源缓释剂垂直流湿地出水CODcr最高为56mg/L，最低为32mg/L，对CODcr的去除率最高为74.60%，最低为58.87%，水力负荷为0.8m3/（m2·d）时，平均去除率为66.07%，水力负荷为0.6m3/（m2·d）时，平均去除率为69.14%。不含碳源缓释剂垂直流湿地出水CODcr最高为57mg/L，最低为60mg/L，对CODcr的去除率最高為73.84%，最低为61.11%，水力负荷为0.8m3/（m2·d）时，平均去除率为67.60%，水力负荷为0.6m3/（m2·d）时，平均去除率为70.16%。含缓释碳源和不含缓释碳源垂直流湿地去除率和出水CODcr差不并不明显，可以说明运行期间碳源缓释释放碳源并不剧烈，对出水CODcr的影响并不大。从图2中可以看出容积负荷为0.6m3/（m2·d）时的去除率略高于0.8m3/（m2·d）时的去除率，说明降低水力负荷对有利于提高COD的去除率，但提高效果不明显，提高了约3个百分点左右。

图3显示了垂直潜流湿地对农村生活污水中NH3-N的去除效果，整个运行期间进水NH3-N的最大浓度是29.0mg/L，平均浓度是21.2mg/L。从图3中可以看出，含缓释碳源和不含缓释碳源的垂直流湿地对的NH3-N去除效果并没有呈现明显的变化规律，无论是出水NH3-N浓度还是NH3-N去除率，各有高低。从实验数据分析结果来看，垂直流湿地对NH3-N的去除率平均为62.48%，最高为73.93%，最低为47.86%，出水NH3-N浓度最高为12.1mg/L，最低为5.1mg/L，平均为7.9mg/L。从水力负荷的角度分析，4月23号以后水力负荷由0.8m3/（m2·d）降为0.6m3/（m2·d），出水NH3-N多日平均浓度由8.9mg/L降低到7.0mg/L，多日平均去除率由58.38%提高到65.92%，说明降低水力负荷，有利于提高对NH3-N的去除效果，并且提高效果比较明显。

图4显示了垂直潜流湿地对农村生活污水中TN的去除效果，整个运行期间进水TN的最大浓度是40.0mg/L，平均浓度是30.6mg/L。从图4中可以看出，含缓释碳源和不含缓释碳源的垂直流湿地对的TN去除效果并无明显差别，无论是出水TN浓度还是TN去除率，都较为接近。分析实验数据：水力负荷0.8m3/（m2·d）时，含缓释碳源的垂直流湿地对TN的平均去除率为46.47%，出水TN平均浓度为16.97mg/L，不含缓释碳源的垂直流湿地对TN的平均去除率为43.55%，出水TN平均浓度为17.99mg/L;水力负荷0.6m3/（m2·d）时，含缓释碳源的垂直流湿地对TN的平均去除率为50.54%，出水TN平均浓度为14.67mg/L，不含缓释碳源的垂直流湿地对TN的平均去除率为48.01%，出水TN平均浓度为15.55mg/L。从数据分析结果得出：针对农村生活污水，增加缓释碳源，并不能显著提高TN去除效率，降低水力负荷，有利于提高对TN的去除效果，但是提高效果并不明显。分析增加缓释碳源并没有显示提高农村生活污水TN去除效果的原因是：影响TN去除效果的因素较多，外加缓释碳源并没有显著提高生活污水中C/N比值。

处理农村生活污水时，在湿地中增加椰壳纤维素和花生壳作为缓释碳源并没有显著增加TN的去除效果;降低水力负荷，有利于提高对TN的去除效果，但是提高效果有限。可尝试通过其他手段增强TN去除效果，比如出水回流，有研究表明：与不回流相比，在出水回流条件下水平折流潜流人工湿地对氨氮和总氮的去除效果都有显著提升（p<0.01）。当回流比150%时，总氮的平均去除率约为64%，比不回流条件下总氮去除率高11%[6]。

2.2 湿地处理乡镇污水厂一级B排水强化去除TN性能研究

试验2运行的主要控制参数详细见表4。

试验2进水取自东方市污水处理厂二沉池出水，并根据实际情况人为增加了硝酸钠以增加进水TN浓度，模拟乡镇污水处理厂的一级B出水。原水部分进入含有缓释碳源下行垂直潜流湿地，部分进入不含缓释碳源的下行垂直潜流湿地。4月4日至5月16日整个运行期间，垂直潜流湿地水力负荷均控制在0.6m3/（m2·d），TN平均进水浓度为18.83mg/L，最高浓度为20.3mg/L。

图5反应了垂直潜流湿地处理污水处理厂一级B出水时对TN 的去除效果，从图中可以看出无论是出水TN浓度还是TN的去除率，含碳源缓释剂的垂直潜流湿地比不含缓释碳源的垂直潜流湿地都要好，且呈现明显的优势。.运行期间，含有缓释碳源的出水TN维持在12.6～15.2mg/L，基础满足一级A出水要求，TN平均去除率为24.44%。不含缓释碳源的出水TN在13.5～16.6mg/L之间波动，平均去除率为19.53%，其中有40.1%的天数超过了15mg/L。从数据分析结果得出，垂直潜流湿地处理污水处理厂一级B出水时，在基质中增加缓释碳源，TN的去除效果提升了25.14%。分析原因，主要是因为一级B出水中可利用的有机物较少，对反硝化作用有明显抑制，在基质中增加缓释碳源，可以在一定程度上提高C/N比值，减轻可利用有机物不足对反硝化反应的严重制。

3 结论

（1）垂直潜流人工湿地处理农村生活污水时，在基質中增加一定比例的椰壳纤维素和花生壳作为缓释碳源，并没有显著改善对TN的去除效果，降低水力负荷，有利于提高对TN的去除效果，但是提高效果有限。

（2）垂直潜流人工湿地处理乡镇污水处理厂一级B排水时，在基质中增加一定比例的椰壳纤维素和花生壳作为缓释碳源，可以显著的改善对TN的去除效果，TN的去除效果提升了25.14%，此时湿地出水TN浓度可以达到一级A排放标准。

（3）以椰壳纤维素和花生壳作为缓释碳源，添加比例为全部基质总重量的2%左右时，释放碳源并不剧烈，对出水CODcr的影响不大。

参考文献

[1]海南省2017年统计年鉴[M].

[2]周祖光.人工湿地处理小城镇污水在海南的发展前景[A].中国环境科学学会.2011中国环境科学学会学术年会论文集（第一卷）[C].中国环境科学学会，2011：4.

[3]周祖光.海南省典型乡村集中式饮用水源地保护研究[J].中国农村水利水电，2013（07）：84-86+91.

[4]关学彬，林彰文，吕淑果.海南省农村生活污水处理模式分析[J].环境保护与循环经济，2015，35（09）：43-46.

[5]刘明慧.人工湿地处理农村生活污水的应用研究[J].环境与发展，2018，30（04）：56-57.

[6]李怀，阎百兴等.出水回流对连续式折流潜流人工湿地脱氮除磷效果的影响[J].湿地科学，2016，14（06）：861-865.

收稿日期：2019-05-25

作者简介：刘圣（1984-），男，汉族，硕士，工程师，研究方向为水污染控制理论与技术。