复合垂直流-水平流人工湿地系统除氮效果的影响因素

夏艳阳，崔理华

1.武汉中科水生环境工程股份有限公司，湖北 武汉 430071 2.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642

复合垂直流-水平流人工湿地系统除氮效果的影响因素

夏艳阳1，崔理华2*

1.武汉中科水生环境工程股份有限公司，湖北 武汉 430071 2.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642

氮；复合垂直流-水平流人工湿地；水力负荷；溶解氧；植物；季节

人工湿地系统是20世纪70年代发展起来的污水处理工艺，利用系统中基质、水生植物、微生物的物理、化学和生物三重协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化[1]。人工湿地具有投资和运行费用低、处理效果稳定、出水水质好等优点，并且具有良好的生态、社会、经济效益。人工湿地应用非常广泛，在生活污水、农业和畜牧业废水、垃圾场渗滤液以及水产养殖废水、污水处理厂尾水等方面均有应用[2-6]。

1 材料与方法

1.1 复合垂直流-水平流人工湿地中试系统

复合垂直流-水平流人工湿地中试系统如图1所示。从图1可以看出，该系统由垂直流(VF)和水平流(HF)组成。每套系统均包含2组相同规格的垂直流-水平流池，1组种植植物(风车草和美人蕉)，另1组无植物作为对照。

图1 复合垂直流-水平流人工湿地中试系统示意Fig.1 Profile of integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands pilot system

垂直流系统规格为100 cm×100 cm×85 cm，水平流系统规格为200 cm×100 cm×80 cm。试验组中垂直流系统和水平流系统分别种植风车草和美人蕉，种植密度为12兜/m2。

1.2 供试污水

试验所用污水来自某厂的化粪池，其水质如表1所示。

表1 供试污水水质

注：样本数为12。

1.3 水样采集与数据处理

采用Duncan方法分析各阶段试验数据，最小显著法(LSD)比较多个样本的平均值。

2 结果与分析

2.1 水力负荷(HRL)对系统除氮效果的影响

图2 复合垂直流-水平流人工湿地系统在高、中、低水力负荷条件下对和TN的去除效果in high, middle, low load

2.2 间歇式灌水或充氧对系统除氮效果的影响

相对于连续灌水而言，间歇式灌水可有效提供系统硝化作用所需的氧气，从而提高系统氮的硝化作用。吴振斌等[16]在复合垂直流人工湿地系统中采用间歇式灌水，每天分8次进水，每次停留2 h，结果表明，系统对氮的去除效果较好。彭举威等[17]的研究表明，间歇式进出水可最大程度地利用床体上层的大气复氧，缓解了水生植物根系放氧不足的矛盾。适当缩短间歇周期，可以提高系统处理废水的能力。

图3 不同停留时间、氧气是否充足条件下系统对的去除效果in different HLR under aerobic or anoxia

2.2.2 TN的去除效果

由2.2.1节可知，系统经过改良增加了通气阀并采取了间歇式灌水后，系统的硝化效果得到了提高，从而为系统的反硝化作用提供了充足的硝化氮源，可提高TN的去除效果。

系统运行前期，由于充氧不足，其硝化和反硝化效果并不明显；经过改良，增强了充氧条件，改善了系统进水方式，其硝化和反硝化效果得到显著提高。从图4可以看出，在停留时间为23、1和2 d条件下，氧气不足时，系统对TN的去除率分别为31.00%、25.66%和33.70%；氧气充足时，系统对TN的去除率提高到77.20%、76.85%和78.15%。氧气是否充足对系统去除TN的效果有显著影响。由此可知，在设计人工湿地参数时，要尽可能为系统提供充足的氧源，如改进灌水方式、增加通气阀或增加打气系统等，都是有效提高人工湿地溶解氧浓度的实际运用方式，为人工湿地更好地运用于生产实践提供有效的技术参数，同时有助于解决目前人工湿地除氮效果较差的问题。

图4 不同停留时间、氧气是否充足条件下系统对TN的去除效果Fig.4 The removal rates of TN in CW in different HLR under aerobic or anoxia

2.3 植物对系统除氮效果的影响

停留时间∕d系统平均浓度∕(mg∕L)去除率∕%2∕3对照58.797.01植物62.006.971对照58.017.20植物61.327.082对照61.455.70植物65.025.13

注：样本数均为12。

2.3.2 TN的去除效果

植物对系统去除TN效果的影响见表3。从表3可以看出，有植物系统对TN的去除效果要比对照系统好，但二者差异并不显著(P>0.05)。同样，因为植物的生长量不是很大，根系也不很发达，从而对硝化-反硝化作用产生的影响较小，因此，植物并不是系统去除TN的主要影响因子。

表3 植物对系统去除TN效果的影响

注：同表2。

2.4 季节对系统除氮效果的影响

不同季节对系统去除氮的影响很大，温度的变化会对植物的生长和微生物的繁殖及其活性有一定的影响。在去除氮污染物过程中硝化细菌和反硝化细菌对温度的变化极其敏感。

停留时间∕d去除率∕%冬季春季夏季秋季2∕336.01b43.95b84.63a83.86a133.15b39.78b79.33a81.39a246.54b53.57b80.44a78.34a

注：数据为3次重复试验的平均值；采用Duncan法进行多重比较，同一停留时间下含相同字母表示差异不显著。

2.4.2 TN的去除效果

从表5可以看出，夏季系统对TN的去除率最高，达86.62%，春季系统对TN的去除率最低，只有28.28%～48.65%，二者有显著差异(P<0.05)。由于冬季系统刚运行，微生物数量很少且活性较低，植物也刚种植，因TN数据不稳定，未进行比较。春季气温回升，但不及夏秋季节，且系统也开始稳定，这时系统对TN的去除率虽比冬季要好，但仍较低。夏季气温上升到最高点，且此时植物稳定生长，微生物数量和活性也达到顶峰，因此该季节系统对TN的去除效果最好。秋季气温回落，植物的生长减慢，硝化细菌和反硝化细菌对温度变化非常敏感，硝化细菌和反硝化细菌繁殖率及其活性都不及夏季，因此系统对TN的去除效果减弱，去除率下降。细菌的硝化作用只是改变氮在湿地中的存在形式，氮的最终去除是通过反硝化作用完成的。而且，湿地植物的生长为细菌的反硝化作用提供了碳源，然而细菌的反硝化作用受温度的影响很大。有研究表明[19]，在温度为10～30 ℃时，高温有利于反硝化作用，最佳温度为30 ℃左右。综上，TN的去除主要靠微生物的作用，季节的变化影响了微生物的繁殖和活性，因此季节的变化对系统去除TN效果影响很大。

表5 季节对系统去除TN效果的影响

注：同表4。冬季因系统刚运行，数据不稳定，而未考虑。

3 结论

(2)在2/3、1和2 d停留时间条件下，氧气不足时，系统对TN的去除率分别为31.00%、25.66%和33.70%；系统改良增加了通气阀，并由连续式灌水换成间歇式灌水以后，对TN的去除率提高到77.20%、76.85%和78.15%。氧气是否充足对系统去除TN的效果有显著影响。

[1] HAMMER D A.Constructed wetlands for wastewater treatment:municipal[M].Michigan:Lewis Publishers Inc,1989.

[2] 方志坚,钱午巧,包武.人工湿地处理畜牧场污水的研究进展[J].安徽农学通报,2012,18(17):119-121. FANG Z J,QIAN W Q,BAO W.The research progress of artificial wetland treatment livestock farm wastewater[J].Anhui Agricultural Science Bulletin,2012,18(17):119-121.

[3] OGATA Y,ISHIGAKI T,EBIE Y,et al.Water reduction by constructed wetlands treating waste landfill leachate in a tropical region[J].Waste Management,2015,44:164-171.

[4] ÇAKIR R,GIDIRISLIOGLU A,ÇEBI U.A study on the effects of different hydraulic loading rates (HLR) on pollutant removal efficiency of subsurface horizontal-flow constructed wetlands used for treatment of domestic wastewaters[J].Journal of Environmental Management,2015,164:121-128.

[5] VYMAZAL J.Constructed wetlands for treatment of industrial wastewaters:a review[J].Ecological Engineering,2014,73:724-751.

[6] 卢少勇,金相灿,余刚.人工湿地的氮去除机理[J].生态学报,2006,26(8):2670-2677. LU S Y,JIN X C,YU G.Nitrogen removal mechanism of constructed wetland[J].Acta Ecologica Sinica,2006,26(8):2670-2677.

[7] GREEN M,FRIEDLER E,SAFRAI S.Enhanging nitrification invertical flow constructed wetland utilizing a passive air pump[J].Water Research,1998,32(12):3513-3520.

[8] SAEED T,SUN G.A review on nitrogen and organics removalmechanisms in subsurface flow constructed wetlands:dependency on environmental parameters,operating conditions and supportingmedia[J].Journal of Environmental Management,2012,112:429-448.

[9] SPIELES D J,MITSCH W J.The effects of season and hydrologic and chemical loading on nitrate retention in constructed wetlands:a comparison of low-and high-nutrient riverine systems[J].Ecological Engineering,1999,14(1/2):77-91.

[10] KADLEC R H,KNIGHT R L.Treatment wetlands[M].Florida:CRC Lewis Publisher,1996:1-5.

[11] VYMAZAL J.Removal of nutrients in various types of constructed wetland[J].Science of the Total Environment,2007,380(1/2/3):48-65.

[12] 刘慎坦,王国芳,谢祥峰,等.不同基质对人工湿地脱氮效果和硝化及反硝化细菌分布的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2011,41(2):400-405. LIU S T,WANG G F,XIE X F,et al.Effect of matrixon denitrification efficiency and distribution of nitrifying and denitrifying bacteria in constructed wetlands[J].Journal of Southeast University (Natural Science Edition),2011,41(2):400-405.

[13] 卢少勇,张彭义,余刚,等.人工湿地处理农业径流的研究进展[J].生态学报,2007,27(6):2627-2635. LU S Y,ZHANG P Y,YU G,et al.Research progress of constructed wetland treating agricultural runoff[J].Acta Ecologica Sinica,2007,27(6):2627-2635.

[14] 吴振斌,任明迅,付贵萍,等.垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响[J].环境科学,2001,22(5):45-49. WU Z B,REN M X,FU G P,et al.The influence of hydraulic characteristics on waste water purifying efficiency in vertical flow constrcuted wetlands[J].Environmental Science,2001,22(5):45-49.

[15] 王世和,王薇,俞燕.水力条件对人工湿地处理效果的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2003,33(3):359-362. WANG S H,WANG W,YU Y.Influence of hydraulic condition on treatment effect of constructed wetland[J].Journal of Southeast University (Natural Science Edition),2003,33(3):359-362.

[16] 吴振斌,徐光来,周培疆,等.复合垂直流人工湿地对不同氮污水的净化[J].环境科学与技术,2004,27(增刊1):30-32. WU Z B,XU G L,ZHOU P J,et al.Study on purification of different nitrogen contaminated wastewater in integrated vertical flow constructed wetland[J].Environmental Science & Technology,2004,27(Suppl 1):30-32.

[17] 彭举威,崔玉波,赵可.间歇流人工湿地处理啤酒废水的特性[J].吉林建筑工程学院学报,2004,21(3):4-6. PENG J W,CUI Y B,ZHAO K.Brevery wastewater treatment using batch flow constructed wetlands[J].Journal of Jilin Architectural and Civil Engineering Institute,2004,21(3):4-6.

[18] 吴建强,黄沈发,丁玲,等.人工湿地中的SND机理以及DO、pH对其的影响[J].环境污染与防治,2005,27(6):476-478. WU J Q,HUANG S F,DING L,et al.Mechanism on simultaneous nitrification and denitrification (SND) in constructed weltands with emphasis on DO and pH effect[J].Environmental Pollution & Control,2005,27(6):476-478.

[19] 陈家长,何尧平,孟顺龙,等.表面流人工湿地在池塘养殖循环经济模式中的净化效能研究[J].农业环境科学学报,2007,26(5):1898-1904. CHEN J Z,HE Y P,MENG S L,et al.Purification effect of free water surface constructed wetland on circular economy pattern of pond culture[J].Journal of Agro-environment Science,2007,26(5):1898-1904.□

Influential factors of nitrogen removal efficiency by the integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands

XIA Yanyang1, CUI Lihua2

1.Wuhan Zhongke Hydrobiological Environment Engineering Co., Ltd., Wuhan 430071, China 2.College of Natural Resources and Environmental Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

Influential factors of ammonia nitrogen () and total nitrogen (TN) removal efficiency by the integrated vertical-horizontal flow wetlands mainly include hydraulic loading rate，dissolved oxygen，plant and season，etc.The research results showed that the removal efficiency of TN andby the constructed wetland under high，mid and low-loads hydraulic loading rate were 58. 28%，61. 71%，63. 94%，and 71. 71%，59. 74%，68. 37%，respectively.Removal efficiency ofand TN under well-oxygenated conditions were obviously improved from 40%-50% to 80% and 30% to 70%，respectively.Despite the 3%-4% higher removal ofand TN from the influent sewage in the system vegetated with plants，no significant differences in performance were observed between units with or without plants (P>0.05).removal efficiency in summer and autumn was significantly higher than spring and winter at different retention time (P<0.05) .TN removal efficiency in the wetland system was also remarkably different in different seasons (P<0.05) ，which reached the highest value in summer (86.62%) and the lowest value in spring (about 30%-40%) .The temperature and dissolved oxygen were the most important limiting factors forand TN removal in the integrated verticalhorizontal flow constructed wetland．

nitrogen；integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands；hydraulic loading rate; dissolved oxygen; plant; season

2016-06-28

国家自然科学基金项目(41271245)；广东高校工程技术研究中心建设项目(2012gczxA1004)；广东省水利科技创新项目(2015-15)；广东省科技厅农业科技创新团队项目(2012A020100003)

夏艳阳(1976—)女，工程师，硕士，主要从事环境工程设计工作，281667713@qq.com

*通信作者：崔理华(1962—)，男，教授，博士，研究方向为水污染处理工程，lihcui@scau.edu.cn

X703

1674-991X(2017)02-0175-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.026

夏艳阳，崔理华.复合垂直流-水平流人工湿地系统除氮效果的影响因素[J].环境工程技术学报,2017,7(2):175-180.

XIA Y Y, CUI L H.Influential factors of nitrogen removal efficiency by the integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):175-180.