不同工艺组合人工湿地系统应用于生活污水除氮效果研究

何兴漾，刘云根，李卫东

(1.云南智捷环保科技有限公司，云南 文山 663000；2.西南林业大学环境科学与工程系，云南 昆明 650224)

人工湿地系统是20世纪50年代[1]以来发展起来的一种生态工程技术手段,现在已作为一种低投入、高效率、易维护的生态工程设施在世界各地广泛应用于日常生活污水、农牧业废水及富营养化湖泊的净化处理。人工湿地系统中的厌氧沉淀塘、垂直潜流湿地、水平潜流湿地、表流湿地、生态景观塘等单元对生活污水中氮素的去除起到不同的作用[2]。作为传统的生活污水处理工段，厌氧沉淀池已广泛应用于污水处理的预处理工段，以实现对污水的初步沉淀[3]。随着人工湿地技术的不断发展，厌氧沉淀塘已逐步应用于人工湿地污水处理过程[4]；表流湿地和潜流湿地已成为构建人工湿地污水处理系统的主要单元[5-6]，其形成一个独特的土壤—植物—微生物生态系统, 具有良好的污染物去除效果[7]。湿地生态系统通过植物的营养吸收[8]、氧气的输入[9]、土壤的吸附[10]、反应沉淀[11]和微生物的硝化[12]、反硝化等作用[13]达到对污水中氮的去除目的。本研究通过构建不同工艺组合的人工湿地系统，并应用于生活污水氮素处理，以实现针对生活污水氮素处理的强化人工湿地工艺组合。

1 试验材料与研究方法

1.1 试验设计

为比较不同工艺组合的人工湿地系统对农村污水处理效果的差别，本研究以厌氧沉淀塘、不同潜流湿地、表流湿地、生态景观塘为单元，设计了4种不同工艺组合的人工湿地模拟系统应用到生活污水处理过程，具体结构如图1～图4。其中：沉淀塘尺寸：2.5m×2m×1m；垂直潜流湿地尺寸：10m×3m×1.5m；水平潜流湿地尺寸：10m×3m×0.6m；表流湿地尺寸：8m×2m×0.3m；生态景观塘尺寸：4m×3m×2m。垂直潜流湿地自下而上分别铺设3～5cm粒径的碎石(30cm厚度)，5～8cm粒径的陶粒(40cm厚度)，5～10mm粒径的粘土(40cm厚度)。水平潜流湿地自下而上铺设3～5cm粒径的碎石(20cm厚度)，5～10mm粒径的粘土(20cm厚度)。表流湿地自下而上铺设3～5cm粒径的碎石(10cm厚度)，5～10mm粒径的粘土(10cm厚度)。各湿地系统单元种植湿地植物为：厌氧沉淀塘种植凤眼莲；垂直潜流湿地、水平潜流湿地和表流湿地的前半段分别种植茭草，后半段分别种植菖蒲，种植密度为：20×20cm；生态景观塘种植金鱼藻和睡莲。

1.2 试验进水水质

本模拟实验研究模型不同工艺组合人工湿地系统位于西南林业大学校园内，以西南林业大学生活污水作为实验研究原水，实验原水水质见表1。

1.3 试验监测周期、频率及因子

本实验研究开始于2017年4月并持续到2018年3月，整个实验周期定期取样测定进、出水中的NH4-N 和TN浓度,同时监测pH、温度、溶解氧、BOD5、硝氮等指标。NH4-N和TN的测定方法采用水和废水监测分析方法中的钠氏试剂分光光度法和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[14]。

表1 人工湿地系统污水处理实验原水水质 (mg/L)

2 结果与讨论

连续一年的试验研究反映了不同工艺组合人工湿地系统对污水中氨氮和总氮的去除效率。由试验结果可知，各工艺组合人工湿地系统在经历试验运行开始阶段的除氮效果较差后均呈现出较好的除氮效果和运行稳定性，同时，不同季节的气温、光照强度等因素对各人工湿地系统除氮效果影响较大。详见表2。

2.1 不同工艺组合人工湿地系统对生活污水除氮效果分析

图5和图6不同工艺组合人工湿地系统对生活污水中氨氮和总氮去除效果及随月份变化趋势表明，不同工艺组合的人工湿地系统对生活污水中氨氮和总氮去除效果差异较大，总体呈现出对氨氮的去除效果好于总氮。各湿地系统对氨氮和总氮的去除率随月份变化趋势基本一致，各人工湿地系统在植物生长旺盛期和微生物繁殖适宜期的6—9月氨氮和总氮的去除效果较好；而从深秋到冬季的10月—次年2月，各人工湿地系统对氨氮和总氮的去除效果均呈现出效果较差的水平；另外，在试验研究的初期，各人工湿地系统对氨氮和总氮的去除效果均较差。

表2 不同工艺组合人工湿地系统对污水中氮的去除效果

2.2 不同工艺组合人工湿地系统对生活污水中除氮机理分析

湿地系统中氮的去除机理是多样的,包括挥发、氨化、硝化/ 反硝化、植物摄取和基质吸附等,其中,微生物的硝化/反硝化作用被认为是湿地脱氮的主要途径[15-16]。不同类型的湿地其脱氮的机理有所侧重，脱氮效率也相差较大。图5和图6所示一年中不同月份不同人工湿地系统对氨氮和总氮的去除效果曲线表明，6—9月份的盛夏和初秋时节的气候条件使湿地植物的生长和湿地微生物的新陈代谢处于最好状态，从而确保了湿地植物对污水中氨氮和总氮的吸收和湿地微生物对氨氮和总氮的氨化、硝化、反硝化，使除氮的功能作用明显，最终使得各人工湿地系统对生活污水中氨氮和总氮的去除效果最好，分别为68.75%～82.46%和63.28%～88.46%。此外，此时期的高气温也对氨氮的挥发起到了促进作用，从而有利于氮的去除。而进入11月—次年2月份的深秋和冬季，由于气温较低，各种常见的湿地植物生长处于枯萎、凋落和停止期，湿地微生物处于新陈代谢的缓慢期或冬眠期，从而使得污水处理过程中的湿地植物吸收和微生物氨化、硝化、反硝化等作用明显减弱，使得各人工湿地系统对生活污水中氨氮和总氮的去除效果明显降低，仅为33.46～57.23%和12.32～36.72%。

湿地植物生长旺盛和微生物新陈代谢频繁的时期，各人工湿地系统对氨氮和总氮的去除效果好，而在湿地植物生长的凋落、停止期和微生物新陈代谢缓慢、休眠期内，各人工湿地对氨氮和总氮的去除效果差，这种规律说明了人工湿地系统对氨氮和总氮去除起主要作用的是湿地微生物的氨化、硝化、反硝化和湿地植物的吸收摄取。

2.3 不同工艺组合人工湿地系统对生活污水中除氮效果差异分析

图5和图6曲线表明，不同工艺组合的人工湿地系统对生活污水中氨氮和总氮的去除效果差别较大，总体呈现出氨氮去除效果CW4>CW1>CW2≈CW3,总氮去除效果CW4>CW3≈CW2>CW1。其中CW4对氨氮和总氮的去除效果分别为52.23%～82.46%和38.72%～88.46%，CW3对氨氮的去除效果为33.46%～67.42%，CW1对总氮的去除效果为12.32%～61.43%。垂直潜流+水平潜流的CW1系统的构建为生活污水与人工湿地系统充分接触与反应提供了重要场所，能有效满足湿地基质对污水中有机颗粒氮的截留和拦截；同时湿地微生物在不同单元构建的人工湿地系统中形成了好氧、厌氧和缺氧的不同人工湿地功能区，从而为微生物的氨化、硝化、反硝化等过程提供了栖息地，湿地微生物通过不同的生化过程完成对污水中各种形式的氮的转化、吸收、挥发，以达到污水除氮的目的；另外，湿地植物对污水中氮的吸收摄取效果也较明显。

2.4 不同季节对工艺组合人工湿地系统生活污水除氮效果影响

如图7和图8所示，不同人工湿地系统在不同季节内对生活污水中氨氮和总氮的去除效果差别明显。各人工湿地系统对污水中氨氮和总氮的去除效果夏季较好，秋季达到氨氮和总氮污染去除高峰，污染去除效果最好的为CW4系统，对氨氮和总氮去除率分别达到88.45%和76.87%；而进入冬季，各人工湿地系统对污水中氨氮和总氮的去除效果最差，对氨氮去除效果最差的为CW1系统，去除率为19.28%，对总氮去除效果最差的为CW3系统，去除率为11.46%。

在夏季和秋季，特别是初秋季节，气温处于一年当中的最高值，可达28～33℃，光照强度充足，整个气候处于高温、炎热的状态，这种客观条件给湿地植物的生长提供了最好的条件。在此期间，各湿地植物生长较快，对N、P等营养物的需求处于最高值，从而为实现湿地植物对污水中N的去除提供了实现条件和可行性；同时湿地微生物在此期间的新陈代谢和繁殖较快，各微生物的活性处于一年当中最活跃时期，从而使不同湿地微生物得以有效进行好氧和厌氧的氨化、硝化、反硝化等作用。进入冬季后，由于气温较低，仅为2～8℃，光照强度较弱，从而导致此期间各湿地植物生长处于停滞、凋落阶段，植物对营养的需求有限，最终反映为对污水中氨氮和总氮的去除效果极为有限；同时湿地微生物在此期间的活性较差，新陈代谢较为缓慢，部分微生物处于生长的停滞和休眠状态，从而无法实现对污水中各种形式的氮的氨化、硝化、反硝化等作用，最终限制了湿地微生物对生活污水中氮的降解、转化、去除作用。从各人工湿地系统在冬季的污水除氮效果仅为夏季和秋季的1/4～1/5的水平可以看出，湿地植物和湿地微生物对各人工湿地系统的污水除氮效果影响明显。

3 结论

(1)在各工艺组合人工湿地系统建立初期，由于各系统运行尚未正常，尤其是湿地植物的生长处于适应状况，微生物新陈代谢并未完全形成，同时建立初期的人工湿地系统中由于基质的选择可能带来部分氮素物质或成分向水中释放，从而导致各系统对生活污水氨氮和总氮去除效果均处于较差水平。

(2)各人工湿地系统连续一年的运行和监测结果表明，CW4对生活污水中氨氮去除效果最好，而CW2和CW3去除效果最差；CW4对生活污水中总氮去除效果最好，而CW1去除效果最差；总体呈现出CW4对污水中氮的去除效果最好。

(3)不同季节对各人工湿地系统的除氮效果影响较大，都呈现出秋季除氮效果较好，冬季效果较差，不同季节对各系统对污水总氮和氨氮去除效果影响程度基本一致。