传统人工湿地的自然富氧速率较低,对N、P营养元素的去除效率普遍不高。研究人员设计开发了一种微曝气系统,以期强化人工湿地对生活污水中的C、N和P的去除。通过改变曝气量(气水比)以及在不同气温条件下检测该人工湿地处理生活污水效果,详细分析了经微曝气系统强化后的人工湿地对COD、TP以及各氮素污染物在系统的沿程去除情况。结果表明,微曝气系统能显著增强湿地对生活污水的处理效果。随着气水比由0:1升高至4:1,该湿地系统对污水中的COD和TP的去除率分别从约80%和60%提高到约93%和79%,而在3:1时TN的去除率达到最高水平(~75%)。低温对系统除碳脱氮影响较大,COD及TN去除率分别降低了约7%和8%。湿地污染物浓度沿程变化状况显示,污染物的去除过程主要发生在第2湿地系统。

一、研究背景

人工湿地作为一种高效、低成本的污水处理技术而备受关注,其主要通过湿地内植物、基质以及微生物的复杂物理、化学和生物过程来达到污水净化的效果。研究表明,人工湿地对污水中的悬浮颗粒和有机物的去除率可达到80%以上。然而,由于传统人工湿地主要通过植物以及自然富氧,氧气传输速率极低,造成人工湿地对N、P营养元素的去除效率不高[5],同时占地面积也较大。研究表明,虽然目前垂直流人工湿地的氧气传输速率(17~25g/m2d[6])与水平潜流湿地(氧气传输速率1~8g/m2d)相比更高,但仍无法满足湿地系统中氨化和硝化等微生物过程对氧气的要求。Ye等发现垂直流人工湿地对N等营养元素的去除率仍很低,仅30%~40%左右。

研究表明,增设曝气系统提高人工湿地污染物去除率是一种可行的方法。马剑敏等研究了曝气对垂直流和水平潜流人工湿地对污染物去除的影响,发现曝气显著提高了COD、TN、NH4+-N和NO3–N的去除效率。Fan等在间歇曝气的条件下,发现潜流人工湿地可以高效去除污染物,其COD、NH3-N和TN去除率与未曝气相比分别提高了12%、71%和52%。然而,目前该方面研究通常仅探讨了曝气人工湿地处理污水的效能,并未详细考察污染物沿程的去除规律,且大部分研究将人工湿地作为污水处理厂的后处理或者在人工湿地系统前端外接预处理构筑物,而对实际高浓度生活污水的处理效果研究较少。

二、试验装置

采用的曝气系统为微量曝气系统,曝气量较传统曝气减少约50%。图1为采用的微曝气复合人工湿地系统,主要包括调节池、垂直流湿地主体、曝气系统、填料和植物。设立A、B两组系统,每组微曝气湿地由直径为1.3m、高为1.5m的3个加厚型塑料水桶串连组成,其有效水深为1m。以普通碎石作为基质填料,粒径为1~2cm,孔隙率为50%,每个塑料桶填充有1.1m厚的砾石基质层。各桶均设取样口(A1~A9、B1~B9),布水管位于桶底呈“王”字型排布,通过控制相应阀门调整桶内流态为下进上出。仅在第2湿地系统添加曝气装置,曝气采用穿孔曝气管,距水面1m呈“王”字型排布,管径DN25,曝气孔孔径2~4mm,孔间距1cm,试验装置实物图如图2所示。A、B两组系统湿地植物分别采用风车草(Cyperusalternifolius L.)和黄花鸢尾(Iriswilsonii C.H.Wright),风车草取自于白市驿清河污水处理厂,黄花鸢尾购于花卉市场。

微曝气强化人工湿地处理生活污水试验-国投盛世

三、运行分析与结论

设计的微曝气系统能够有效提高人工湿地内的 C、N 和 P 的去除效果。合理的气水比是系统保持高效率去除污染物的基础,过度的曝气影响系统的反硝化过程,造成 TN 去除率的下降。在气水比为 3:1 的优化条件下,湿地系统对 COD、TN 和 TP的去除率分别为 90.1%(A 组)和 91.0%(B 组)、75.0%(A 组)和 75.3%(B 组)、77.5%(A 组)和80.3%(B 组)。种植黄花鸢尾的湿地组在各气水比的条件下的污染物去除率均略优于风车草组。低温对 COD 和 TN 的去除率影响显著,而对 TP 的去除率影响相对较小。该人工湿地系统中 COD、TP 和TN 的沿程去除特性具有相似规律,即在增设微曝气装置的第 2 湿地去除率最高。

微曝气强化人工湿地处理生活污水试验-国投盛世