水位波动对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响

(93.79±1.19)%、(95.30±1.09)%.
关键词：水位变化；水平潜流人工湿地；硝化强度；反硝化强度；脱氮
中图分类号：X703
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2017)03-0932-09
Impact of water level fluctuation on nitrogen removal in horizontal subsurface flow constructed wetlands. GUO Shi-lin1,2, YE Chun2*, LI Chun-hua2, XU Shi-hong1, LÜ Mei-ting2 (1.Environmental Science and Engineering College, Donghua University, Shanghai 201620, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：932~940 Abstract：By building simulation devices of horizontal subsurface flow constructed wetlands, four wetlands (CW1、CW2、 CW3、CW4) with the frequency of water-level fluctuation as 0,3,6,9cm/d were set up to study the impact of water-level change on nitrogen removal in them. The results showed that water-level change could improve the effect of nitrogen removal. The average concentration of dissolved oxygen was (0.99±0.20), (1.14±0.19), (1.30±0.27) and (1.34±0.27) mg/L, for CW1, CW2, CW3, CW4 respectively. The average concentrations of dissolved oxygen in the above four wetlands had significant differences(P<0.05),and they increased with the frequency increasing. Characterization value of nitrification intensity had the same thend with dissolved oxygen. And it gradually decreased along the inlet to outlet of wetlands, but the upper layer was greater than the lower layer in the depth direction. Characterization value of denitrification intensity increased with the frequency decrease and it increased first then decreased along the wetlands’ inlets to outlet. TN average removal rates of four wetlands were (89.04±0.80)%, (91.04±1.14)%, (93.94±1.23)% and (91.45±1.11)% respectively. The TN removal rate of CW3 wetland was the highest and had significant differences (P<0.05) with others. The CW3and CW4 wetlands had better efficient for NH4+-N removal and the average removal rates were (93.79±1.19)% and (95.30±1.09)% respectively. Key words：water-level change；horizontal subsurface flow constructed wetlands；nitrification intensity；denitrification intensity；nitrogen removal
3期
郭士林等：水位波动对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响
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过程,溶解氧是其限制性因素之一[9].反硝化作用 是反硝化细菌将硝酸盐氮转化为 N2 和少量 N2O 的厌氧过程,部分反硝化细菌对碳源有一定的要 求[6,10].人工湿地有较高的反硝化能力[11],而硝化 作用由于对溶解氧的高需求量,使其成为人工湿 地脱氮的限速步骤[12].
中国环境科学 2017,37(3)：932~940
China Environmental Science
水位波动对水平潜流人工湿地脱氮效果的影响
郭士林 1,2,叶 春 2*,李春华 2,许士洪 1,吕美婷 2 (1.东华大学环境科学与工程学院,上海 201620；2.中国环境
科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012)
提高人工湿地运行管理效率.
1 材料与方法
1.1 试验设计 1.1.1 人工湿地模拟装置 水平潜流人工湿地 模拟装置采用 PVC 材质构建,其长×宽×高为 2.0m×1.0m×0.7m,设置 2 个装置,每个装置分 2 格, 每格宽 0.5m.湿地装置分为进水区、反应区、出 水区 3 部分,其尺寸如图 1 所示.污水由配水槽经 由蠕动泵送入湿地进水区,经过人工湿地的处理, 由出水区底部出水管排入出水槽.出水管设有活 接头,通过活接头摆动出水管,调节出水水位高低, 进而调整湿地水位,模拟水位变化.4 组湿地系统 进水水量恒定为 125L/d,水力负荷随水位变动有 所变化.反应区填充天然斜发沸石,孔隙率为 40%, 粒径 2~4mm,填充高度 0.65m;沿程种植香蒲和水 芹,栽种密度 20 株/m2.
水质 TN 测定采用碱性过硫酸钾消解紫外 分光光度法[HJ 636-2012],NH4+-N 测定采用纳 氏试剂分光光度法[HJ 535-2009],NO3--N 测定 采用紫外分光光度法[HJ/T 346-2007].DO、pH 值测定分别采用哈希 LDO-HQ30d 溶氧仪、梅 特勒-托利多 SevenGo-SG2pH 计.
试验装置运行期间,每 10d 取湿地进水口、 反应区沿程 1/8、沿程 1/2、沿程 7/8、出水口水 样测定 TN、NH4+-N、NO3--N;每 10d 现场测定 DO、pH 值;每 10d 在反应区沿程 1/8、1/2、7/8 处 取 沸 石 基 质 样 , 并 在 沿 程 1/2 处 沿 深 度 (10~20cm、30~40cm)取上、下层基质样带回实 验室测定硝化强度和反硝化强度.
水位参数 初始水位(cm) 水位变幅(cm/d) 最大变动水深(cm)
CW1 -5 0 -5
CW2 -5 3 -20
CW3 -5 6 -35
CW4 -5 9 -50
1.1.2 水位变动幅度设计 实验设计 4 组水位 变动幅度,每组对应一个实验装置(分别记为湿 地 CW1、CW2、CW3、CW4),以沸石表面水位
湿地系统水位变化会直接对水体溶解氧、 pH 值、氧化还原电位等理化指标产生影响[13-16]. 水位变动影响湿地植物根系形态结构、根系泌氧 速率以及根系分泌有机碳[17-19],进而影响附着在 根系表面微生物的硝化反硝化过程[20-21].然而,国 内外对于水位变化对水平潜流人工湿地微生物 硝化反硝化强度影响的研究较少.本文通过人为 调控人工湿地水位波动,研究微生物硝化反硝化 强度以及人工湿地脱氮效果对不同水位变动幅 度的响应规律,探讨合理的水位变动幅度,以期为 人工湿地通过水位调控强化脱氮提供理论依据,
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中国环境科学
37 卷
表 2 实验进水水质参数 Table 2 Water quality of influent wastewater
COD (mg/L) 106.33
TN (mg/L) 22.72
NH4+-N (mg/L) 19.56
NO3--N (mg/L)
0.84
TP (mg/L)
3.25
为 0cm 水位,表面以下水位为负值,各组初始水位, 每天水位变幅及最大变动水深如表 1 所示,每 10d 循环一次(前 5d 水位由初始水位下降到最大 变动水深,后 5d 水位由最大变动水位上升至初始 水位,以此循环). 1.1.3 实验用水水质 试验进水采用人工配制 污水,以硫酸铵、尿素、磷酸二氢钾、葡萄糖、 硫酸镁、氯化钙、碳酸氢钠以及其他微量元素与 自来水混合配置而成.其水质特征如表 2.
摘要：通过构建水平潜流人工湿地模拟装置,设置水位变幅 0,3,6,9cm/d 的 4 组湿地系统 CW1、CW2、CW3、CW4,探讨水位变化对湿地脱
氮效果的影响规律.结果表明:水位变化确能通过改善湿地理化环境和硝化反硝化强度最终提高湿地脱氮效果.4 种不同水位变动幅度
下,DO 平均质量浓度依次为(0.99±0.20),(1.14±0.19),(1.30±0.27),(1.34±0.27)mg/L,差异性显著(P<0.05),且随水位变动幅度增大而升高.微生物
pH 值 6.74
1.2 采样及测定 实验于 2016 年 3 月 15 日开始,将香蒲和水
芹植物幼苗置于预先配制的自配污水中预培养 15d,预培养期间每 3d 换一次污水.于 3 月 31 日选 取形态特征相差不大的植物移植到人工湿地模 拟装置内,并与 4 月 1 日运行人工湿地模拟装置, 采样测定至 6 月 30 日,为期 90d,实验于江苏省宜 兴市八房港藻水分离站温室大棚内进行.
水平潜流人工湿地已广泛应用于多种污水
的处理,对水体中氮磷等污染物有较高的去除效 果[1-2].其主要通过植物、基质和微生物的共同作 用净化污染物[3-5].而微生物的硝化反硝化作用 被认为是人工湿地脱氮的最主要过程[6-8].硝化
作用是硝化细菌将氨氮转化成硝酸盐氮的好氧
收稿日期：2016-07-28 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101009) * 责任作者, 研究员, yechbj@163.com
的硝化强度表征值与 DO 浓度差异性规律一致,且其随湿地沿程逐渐减小,沿深度方向则是湿地上层大于下层;反硝化强度表征值则随水位
变动幅度增大而减小,其随湿地沿程先增大后减小.TN 平均去除率依次为(89.04±0.80)%、(91.04±1.14)%、(93.94±1.23)%、(91.45±1.11)%, 其中 CW3 系统去除率最高且与其他 3 组显著差异(P<0.05).CW3 和 CW4 系统对 NH+4-N 去除效果较好且差异性不显著,其去除率分别为
穿孔板
ຫໍສະໝຸດ Baidu反应区
穿孔板
700
配水槽 蠕动泵
进水区
出水区 活接头
出水槽
200
1600
200
图 1 水平潜流人工湿地模拟装置示意(mm) Fig.1 Simulation equipment of horizontal subsurface flow constructed wetlands (mm)
表 1 各组湿地水位参数 Table 1 Water-level parameters of four wetlands