廖 頡，劉迎云，陳小明

（南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421000）

針對(duì)上述問題，采用的對(duì)策是通過(guò)水位調(diào)整來(lái)有效提高大氣復(fù)氧。本試驗(yàn)以模擬垂直潛流人工濕地為研究對(duì)象，考察了水位大幅度和小幅度變化對(duì)DO濃度的影響，以提高氮和有機(jī)物去除效率。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行

采用2個(gè)規(guī)格為D32cm×45cm的PVC塑料桶，在裝置1內(nèi)，底部鋪約10cm的珍珠沙（直徑0.5～1cm），中部放上約15cm的碳渣，上部墊上15cm的土壤；在裝置2內(nèi)，底部鋪約10cm的礫石（直徑2～4cm），中部放上約15cm的蛭石（呈鋸末狀），上部墊約15cm的陶瓷環(huán)。污水進(jìn)水從填料表層的布水裝置均勻的自上而下流經(jīng)填料，最后從底層布水小孔流出至出水軟管，出水軟管可以調(diào)整出水口位置。模擬垂直潛流人工濕地中的植物為菖蒲和美人焦，菖蒲2株，美人蕉2株，間距9cm，2個(gè)裝置種植的植物種類和密度相同。

試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水流量8L/d，水力負(fù)荷10cm/d。

試驗(yàn)分為2個(gè)階段，第1階段是水位小幅度變化階段，設(shè)置4個(gè)不同高度的出水口，先在滿水位（40cm）處出水，再降低水位至30，20，10cm，后提升水位至20，30，40cm，分別在各個(gè)水位處連續(xù)運(yùn)行5d再進(jìn)行水位的調(diào)整；從2009年3月中旬開始正式運(yùn)行，試驗(yàn)運(yùn)行到4月中旬，污水調(diào)試后，平均水溫22℃（如圖1）。

第2階段是水位大幅度變化階段，水位只在滿水位（40cm）和落空水位（0cm）之間不斷的變化，也是5d變化一次水位；從2009年4月中旬開始正式運(yùn)行，試驗(yàn)運(yùn)行到5月中旬，污水調(diào)試后，平均水溫27℃（如圖2）。

1.2 試驗(yàn)污水水源

試驗(yàn)采用人工污水，污水由硝酸鉀、葡萄糖、蛋白胨、磷酸氫二鉀溶于自來(lái)水中靜置而成。試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)污水水質(zhì)條件

1.3 測(cè)試項(xiàng)目和方法

采用 《水和廢水監(jiān)測(cè)方法》［6］，COD采用測(cè)定儀消解—滴定法，BOD5采用哈鈉 BOD5儀測(cè)定，TN采用COD測(cè)定儀消解—紫外分光光度法，凱氏氮采用消解—蒸餾—滴定法，DO采用便攜式溶氧儀測(cè)定，pH采用PHS－3C型精密pH計(jì)直接讀數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水位小幅度變化下運(yùn)行試驗(yàn)

2.1.1 模擬人工濕地水位小幅度變化對(duì)DO濃度的影響水位變化直接影響DO的變化，如圖3。

圖3 水位變化與出水DO濃度的關(guān)系

每一次變換水位時(shí)，無(wú)論是水位上升還是下降，出水DO濃度都會(huì)有不同程度的上升，因?yàn)樗簧稻鶎儆诹黧w紊動(dòng)，而紊動(dòng)復(fù)氧是大氣復(fù)氧的重要過(guò)程［7］；在保持水位不變的情況下，出水DO濃度則有不同程度的降低，可能是靜止水體中，氧分子擴(kuò)散系數(shù)很小，可以忽略對(duì)水中溶解氧濃度的貢獻(xiàn)［7～8］，此時(shí)復(fù)氧能力很小。在不同水位下，出水DO的含量也不同，水位較低時(shí)，DO含量則相對(duì)較高，主要是水面之上的填料通過(guò)空隙直接與氧氣接觸的原因。出水DO濃度主要在2～4mg/L之間變化，裝置雖然沒有曝氣，但是出水DO濃度始終沒有低于1.5mg/L，一直處于好氧狀態(tài)。2個(gè)裝置出水DO變化趨勢(shì)一致，相對(duì)于裝置1來(lái)說(shuō)，裝置2的出水DO含量稍高，主要是上層填料中陶瓷環(huán)比土壤的空隙率大，過(guò)水性能更好，使得復(fù)氧情況有所差別。

2.1.2 模擬人工濕地小幅度水位變化對(duì)COD、BOD5去除的影響

水位變化間接影響COD和BOD5的去除，如圖4。2個(gè)裝置去除COD和BOD5無(wú)明顯差異，可能是因?yàn)橛袡C(jī)物污染負(fù)荷較低，削弱了DO降解成為去除COD和BOD5的主要途徑。兩者去除率較高，COD去除率在85%～93%之間，BOD5去除率在91%～95%之間，這是良好的DO環(huán)境作用的結(jié)果。COD和BOD5都是在40cm處時(shí)去除率要高于其他水位的去除率，這是因?yàn)樵谒辉龃蟮?0cm時(shí)，此區(qū)域植物根系發(fā)達(dá)，生物膜生長(zhǎng)旺盛，即加深了對(duì)不溶性有機(jī)物的過(guò)濾攔截作用，又促進(jìn)了生物膜對(duì)可溶有機(jī)物的降解。

圖4 水位變化與COD、BOD5去除率關(guān)系

2.1.3 模擬人工濕地小幅度水位變化對(duì)TN、TKN去除的影響

水位變化也間接影響TN和TKN的去除，如圖5。進(jìn)水TN在25～50mg/L、TKN在20～45mg/L時(shí)，2個(gè)裝置中TN去除率主要在65%～75%之間，TKN去除率主要在75%～85%之間。TN包括TKN和氮氧化物，其中TKN包括有機(jī)氮和氨氮，氮氧化物包括硝酸氮和亞硝酸氮。模擬人工濕地中TN的去除率要比TKN要低，說(shuō)明有機(jī)氮和氨氮去除率較高，氮氧化物去除率不高，可能濃度還有上升，因此氮氧化物的積累限制了TN的去除率。人工濕地微生物硝化、反硝化是主要的、長(zhǎng)期有效的脫氮機(jī)制起主導(dǎo)作用［9～10］，顯而易見，硝化反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，此裝置TKN去除率的差異受到硝化菌和DO的限制，DO充足促進(jìn)硝化菌的生長(zhǎng)和繁殖，水位變化使得水面能夠充分進(jìn)行大氣復(fù)氧，但裝置沒有提供反硝化的環(huán)境，脫氮還是不能徹底地進(jìn)行。特別是在10cm處水位時(shí)，裝置1和裝置2TKN的去除率分別在79.5%和82.2%，而TN的去除率分別在69.2%和65.5%，在這一階段，氮氧化物累積得最為嚴(yán)重。

圖5 水位變化TN、TKN去除率的關(guān)系

在裝置1和裝置2中，隨著水位的升高，TN去除率逐漸升高；TKN的去除率緩慢降低。這說(shuō)明水位較高時(shí)，TN的去除不僅僅限于硝化反應(yīng)，它還有反硝化作用的反應(yīng)環(huán)境，因此在40cm時(shí)TN去除率最好。TKN的去除則依賴于有氧環(huán)境，變化趨勢(shì)大致與出水DO濃度高低相關(guān)。相比較裝置1，裝置2中去除TKN效果好，經(jīng)分析是因?yàn)檠b置2的陶瓷環(huán)是非常好的過(guò)濾材料，表面布滿微小氣孔，比裝置1的任何一種填料的吸附能力更強(qiáng)一些，吸附時(shí)間也更久；裝置2去除TN效果較差，因?yàn)榈撞砍鏊瓺O均大于1.5mg/L，限制了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 水位大幅度變化下運(yùn)行試驗(yàn)

2.2.1 模擬人工濕地大幅度水位變化對(duì)DO濃度的影響

如圖6，出水DO濃度浮動(dòng)相對(duì)于第1階段更大。出水DO濃度大部分在1～4mg/L之間，在0cm處和40cm處明顯出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，因此落空水位下的大氣復(fù)氧能力強(qiáng)。相對(duì)于裝置2來(lái)說(shuō)，裝置1的出水DO濃度變化范圍更大，經(jīng)分析裝置1的填料利于植物生長(zhǎng)，它的葉片比裝置2的長(zhǎng)1倍，表層填料好養(yǎng)微生物繁殖更多。

圖6 水位變化與出水DO濃度的關(guān)系

2.2.2 模擬人工濕地大幅度水位變化對(duì)COD、BOD5去除的影響

如圖7，2個(gè)裝置的COD和BOD5都是在40cm處時(shí)去除率較高，在0cm處去除率較低，與第1階段比較，COD和BOD5去除率變化趨勢(shì)一致，但是去除率普遍偏低，這是因?yàn)榇藭r(shí)填料已經(jīng)飽和。2個(gè)裝置的COD去除率還是達(dá)到80%～88%，BOD5去除率達(dá)到85%～90%，裝置去除BOD5、COD相對(duì)較穩(wěn)定，表明裝置已成熟運(yùn)行，主要是微生物的降解COD和BOD5。

圖7 水位變化與COD、BOD5去除率關(guān)系

2.2.3 模擬人工濕地大幅度水位變化對(duì)TN、TKN去除的影響

從圖8可以看出。 進(jìn)水TN在25～50mg/L、TKN在20～45mg/L時(shí)，2個(gè)裝置中TN去除率主要在70%～80%之間，TKN去除率主要在80%～90%之間。與第1階段比較，TN和TKN的去除率都有所提高，因?yàn)閺?到40cm之間變化水位時(shí)，高差變化較大，大氣復(fù)氧能力更強(qiáng)。在這兩個(gè)水位之間出現(xiàn)好氧區(qū)和厭氧區(qū)，硝化反應(yīng)得以順利進(jìn)行，反硝化反應(yīng)也有充足的環(huán)境。

圖8 水位變化TN、TKN去除率的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水位升降變化都有利于大氣復(fù)氧，而且能提供良好的好氧環(huán)境；水位大幅度變化下大氣復(fù)氧能力更強(qiáng)，這種運(yùn)行方式利于好氧與厭氧的交替運(yùn)行。

（2）良好的DO環(huán)境使COD和BOD5去除能力都得以提高，但是水位變化幅度對(duì)COD和BOD5去除的影響不大。

（3）良好的DO環(huán)境去除TKN能力較高，但是去除TN的能力相對(duì)偏低；水位大幅度變化時(shí)，TN和TKN的去除率相對(duì)較高。

（4）考慮到優(yōu)化運(yùn)行條件，大幅度水位變化更適合于處理有機(jī)物和氮。

［1］黃娟.潛流型人工濕地硝化和反硝化作用強(qiáng)度研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2007，28（9）：1966－1969.

［2］王寶貞，王琳.水污染治理新技術(shù)：新工藝、新概念、新理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［3］LiongSY，ChanW T， Lun L H.Knowledge－based system for SWMM runoff component calibration［J］.Journal of Water Resources Planning and Managment，1991，117（5）：507－524.

［4］關(guān)偉，肖莆，周曉鐵，等.人工濕地脫氮技術(shù)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2009，28（4）：13－16.

［5］籍國(guó)東，倪晉仁.人工濕地廢水生態(tài)處理系統(tǒng)的作用機(jī)制［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，5（6）：71－75.

［6］國(guó)家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［7］程香菊.水體大氣復(fù)氧能力研究綜述［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2008，26（17）：89－92.

［8］雒文生，李莉紅，賀濤.水體大氣復(fù)氧理論和復(fù)氧系數(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.水利學(xué)報(bào)，2003，11（11）：64－70.

［9］Lin Ying－Feng， Jing Shuh－Ren， Wang Tze－Wen，et al.Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wetlands［J］.Environmental Pollution，2002， 119： 413－420.

［10］Tanner C C，Kadlec RH，Gibbs MM，et al.Nitrogen processing gradients in subsurface－flow treatment wetlands－influence of wastewater characteristics［J］.Ecological Engineering， 2002，18：499－520.