氧调控下复合垂直流人工湿地脱氮研究

第)’卷第)期’(""年)月环!!境!!科!!学+,-./0,1+,23456.+,6+-7;B )’$,7B )1C D B $’(""氧调控下复合垂直流人工湿地脱氮研究陶敏"$’$)$贺锋"$$徐栋"$周巧红"$梁威"$成水平"$吴振斌"$""‘中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室$武汉!F)(($’’’‘黄石理工学院环境科学与工程学院$黄石!F)*(()’)‘中国科学院研究生院$北京!"(((F##摘要!溶解氧是人工湿地脱氮的重要限制性因子$调控湿地内氧状态分布是提高其脱氮效果的关键所在B 为此$研究了夏(冬季时氧调控下复合垂直流人工湿地".-6e #中氧状态的变化规律(脱氮效果及净化机制B 结果表明$氧调控下.-6e 中氧状态改善明显$夏(冬季时好氧-区范围"以深度表示#分别从’’L G ("$L G 扩大至*)L G (FF L G ’即使冬季植物枯萎时$氧调控下.-6e 沿水流方向仍可依次形成好氧-区E 缺氧区E 好氧!区"0E 3E 0#)个功能区$而冬季时常规.-6e 仅有好氧-区E 缺氧区"0E 3#’个功能区B 氧调控下.-6e 的有机物降解和硝化能力显著增强$尤其是冬季时60W (2,(,\cF E ,的平均去除率分别提高了"’‘’m (%‘#m ("*‘"m ’并且采用&:p "%:的间歇停曝方式$出水中,0b )E,浓度无明显增加B 另外$好氧-区是.-6e 中污染物去除的主要区域$氧调控主要是增强了该功能区的净化能力B 因此$氧调控措施对于.-6e 系统的优化与应用具有重要意义B关键词!复合垂直流人工湿地’氧调控’脱氮’氧化还原功能区’净化机制中图分类号!_$()‘"!文献标识码!3!文章编号!(’*(E ))(""’(""#()E ($"$E (%收稿日期#’("(E ()E "&’修订日期#’("(E ($E (*基金项目#国家自然科学基金项目"*(&(&"$’$’(&$$(#)$)(&$(’’"#’湖北省杰出青年基金项目"’("(6W 3(#)#’国家水体污染控制与治理科技重大专项"’((#[_($"(%E ((’E ((F #’贵州省教育厅自然科学研究项目"黔教科’((#(($%#作者简介#陶敏""#&’a #$男$博士$讲师$主要研究方向为水环境生态工程$+E G C A ;!9G A A A K"%)B L 7G$通讯联系人$+E G C A ;!:@R @8U KA :QB C L B L 8$P >g QKA :QB C L B L 8L %6+MK4@’)&+9%(+1B ()%9&K)%*c %&)’7K4.84+P -+(,)&#7)%*X%)4K(*>(*%&?%&K)’+(-+(*’)’+(2301A 8"$’$)$\+=@8U "$_XW 78U "$[\0Xd A C 7E :78U "$4.3,Ze @A "$6\+,5:>A E NA 8U "$e X[:@8E QA 8"""‘59C 9@^@<4C Q7D C 97D <7R =D @M :P C 9@D +L 7;7U <C 8?T A 79@L :87;7U <$.8M 9A 9>9@7R \<?D 7QA 7;7U <$6:A 8@M @3L C ?@G <7R 5L A @8L @M $e>:C 8F)(($’$6:A 8C ’’‘5L :77;7R +8S A D 78G @89C ;5L A @8L @C 8?+8U A 8@@D A 8U $\>C 8U M :A .8M 9A 9>9@7R 2@L :87;7U <$\>C 8U M :A F)*(()$6:A 8C ’)‘Z D C ?>C 9@X 8A S @D M A 9<7R 6:A 8@M @3L C ?@G <7R 5L A @8L @M $T @A H A 8U "(((F#$6:A 8C #?3,)&K7)!0J <U @8A M C 8A G N7D 9C 89;A G A 9R C L 97D 7R 8A 9D 7U @8D @G 7S C ;A 8L 78M 9D >L 9@?P @9;C 8?M $M 7A 9A M 9:@I@<N7A 89R 7D A G ND 7S A 8U 8A 9D 7U @8D @G 7S C ;@R R A L A @8L <7R L 78M 9D >L 9@?P @9;C 8?M9:C 99:@7N9A G A g C 9A 787R 7J <U @8?A M 9D A Q>9A 78P A 9:A 8P @9;C 8?M B2:@D @R 7D @$7J <U @8M 9C 9>M $8A 9D 7U @8D @G 7S C ;C 8?N>D A R A L C 9A 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&*’尤其当植物枯萎时$植环!!境!!科!!学)’卷物根系输氧减少$导致湿地冬季脱氮效果更差)#*B目前$人工湿地溶解氧调控脱氮措施主要有!预曝气)"(*(种植泌氧强的植物)""*(频繁调节液面高度"潮汐流#)"’*(设置通气管)")a"**(鼓风曝气)"%a"&*等B但是$持续增氧会导致湿地出水中硝态氮浓度的大量增加$使总氮去除效率下降)"#*B因此$如何调控与优化湿地沿程的溶解氧状态$创造硝化(反硝化反应各自所需要的环境条件对湿地脱氮效果显得尤为重要B复合垂直流人工湿地"A89@U D C9@?S@D9A L C;E R;7PL78M9D>L9@?P@9;C8?$.-6e#是一种新颖的湿地处理系统$其独特的下行流池E上行流池结构以及间歇式进水方式$形成了好氧E缺氧不断变化的氧化还原环境$使系统具有良好的净化效果)’(a’’*$但脱氮仍不彻底B为此$本试验研究了夏季"植物生长#和冬季"植物枯萎#时$氧调控下人工湿地中氧状态的变化规律及脱氮效果$并从湿地系统氧化还原功能区的角度分析其/黑箱0净化机制$以期为人工湿地技术的优化提供理论指导B<Q材料与方法<R<!试验系统试验系统位于温室中$由’套大小相同的复合垂直流人工湿地"A89@U D C9@?S@D9A L C;E R;7PL78M9D>L9@?P@9;C8?$.-6e#小试系统组成’每套.-6e系统由底部相通的下行池""Gn"Gn(‘%*G#和上行池""Gn"Gn(‘**G#串联而成$基质填料为砂和砾石B下行流池和上行流池内分别栽种美人蕉"O#..#1!.!)#$*2#和石菖蒲"K,0)E2"#)"#)*.0P**#B其中一套湿地下行池底部的排空管内平行埋有曝气管$其以软管与空气压缩机连接$曝气量采用气体流量计计量$另一套湿地作为不曝气对照系统$如图"B)期陶敏等!氧调控下复合垂直流人工湿地脱氮研究.-6e在夏季常规运行状态下$下行池表层"5"#(两池底层"5)(5F#(上行池表层"5%#的氧化还原电位分别表现为好氧环境"i)((G-#(缺氧环境"b"((a)((G-#(好氧环境"i)((G-#$即沿水流方向湿地内依次形成了好氧-区E缺氧区E好氧!区)个氧化还原功能区’.-6e在冬季时则仅形成了好氧区E缺氧(厌氧区’个氧化还原功能区$这主要是由于冬季植物枯萎导致根系泌氧减少的缘故B通过人工强化曝气$即使是在冬季$.-6e都可形成好氧-区E缺氧区E好氧!区)个氧化还原功能区B这种不同的氧化还原环境分别为好氧(兼性和厌氧微生物提供了适宜小生境$从而提高了系统的脱氮效果B环!!境!!科!!学)’卷解氧的需求B 无论是夏季还是冬季$曝气.-6e 的硝化能力都显著高于不曝气.-6e ’尤其是冬季时$曝气.-6e 对,\c F E,的平均去除率为$%‘&m $较不曝气.-6e 提高了"*‘"m $且与夏季时不曝气.-6e 对,\cF E,的平均去除率相当B 因此$从某种程度上说明$氧调控措施能完全补偿冬季低温以及植物枯萎对湿地系统硝化能力的影响B :R U !2,的去除人工湿地脱氮的主要途径是依靠微生物的硝化与反硝化作用$通过氧调控措施可以促进微生物的硝化作用$实现了,\c F E ,向,0b )E ,(,0b ’E,的转化’但如何创造厌缺氧的环境条件促进微生物的反硝化作用$是实现总氮完全去除的关键所在B ]C G A @M 78等)"#*研究表明$持续增氧可为湿地中的好氧微生物提供充足的氧源$提高湿地对60W (,\cF E,的去除率’但持续增氧会导致湿地出水中硝态氮浓度的大量增加$使2,的去除效率下降B 本试验采用&:p "%:的间歇停曝方式$结合.-6e 独特的下行流E 上行流的复合水体流态$形成了时空上动态变化的好氧O 厌缺氧环境条件$促进了硝化与反硝化反应的充分进行$从而提高了总氮的去除B 冬季植物枯萎时$氧调控下.-6e 对2,的平均去除率达到*&‘*m $较不曝气.-6e 提高了%‘#mB 另外$由图F 可以看出$曝气与不曝气.-6e 系统出水中,0b)E,的浓度差别不大$进一步说明采用&:p "%:的间歇停曝方式提供了反硝化反应所需的缺氧环境条件$促进了反硝化作用的进行B SQ 讨论SR <!氧调控下.-6e 中氧化还原功能区范围的变化为了定量比较氧调控下.-6e 中氧化还原功能区范围的变化$对基质氧化还原电位"+:#与深度"3#之间进行拟合$然后利用拟合方程推算出各氧化还原功能区的范围$结果见表"B 可见$夏(冬季时氧调控下.-6e 中好氧-区范围"以深度表示#分别从’’L G ("$L G 扩大至*)L G (FF L G $有利于有机物好氧分解和硝化反应的进行B表<Q 曝气与不曝气B c -X 中各氧化还原功能区的范围2C Q;@"!W @N9:7R ?A R R @D @89D @?7J R >8L 9A 78>8A 9M A 8C @D C 9@?C 8?878E C @D C 9@?.-6e M条件拟合方程:’范围"以深度表示#O L G好氧-区"i )((G -#缺氧区"b "((a )((G -#好氧!区"i )((G -#夏季曝气+:k(‘((’3)b(‘’%*F 3’c)‘F&%*3c*%"‘(&(‘#’"*)*""%冬季曝气+:k(‘((’)3)b(‘)"&*3’c*‘*F&&3cF$&‘%$(‘#F)FF %%"(夏季不曝气+:k(‘"&$3’b’F‘**$3c$F$‘$)(‘#$)’’&$""冬季不曝气+:k(‘’()3’b’%‘"")3c%$%‘#$(‘##*"$"()(SR :!氧调控下.-6e 中氧化还原功能区净化效率的变化由图*可见$在氧调控措施和季节"植物(气温等#的影响下$.-6e 中氧化还原功能区范围会发生变化$从而影响着沿程污染物浓度的变化B 好氧-区是有机物好氧分解和硝化反应的区域$承担了大部分60W (氨氮的去除B 夏季时$曝气促进了.-6e 的硝化能力$氨氮含量大大降低$在5’采样口氨氮浓度就已经降到F G U 14b "以下’但是$曝气对.-6e 沿程60W (总氮浓度影响不显著B 冬季时$氧调控下好氧-区的范围扩大至FF LG $增强了基质微生物活性$加快了好氧反应速率$显著提高了有机物和氮的去除$该功能区"以(a *(LG 计#内60W (2,(,\c F E ,的去除率较不曝气时分别提高了约"’‘*m ("(‘$m (’)‘&mB缺氧区主要是进行有机物的厌氧分解和反硝化反应B 不曝气.-6e 中缺氧区范围偏大$尤其是冬季时其范围达到"()L G $几乎占据整个湿地区域$极大限制了60W 的降解以及氨氮的硝化过程B 在氧调控的作用下$夏(冬季缺氧区与好氧区范围大小的比值分别从’‘%(%‘"降至(‘$("‘’$由此可见.-6e 中各氧化还原功能区的范围得到了优化$从而提高了系统的脱氮效果B好氧!区是继续降解60W 以及氨氮的硝化过程B 夏季时$由于大气复氧和植物根系输氧的作用$不曝气.-6e 中此功能区可恢复为好氧环境$其范围与曝气.-6e 仅相差*L G $因而功能区沿程污染物浓度变化差别不大B 冬季时$由于植物枯萎以及湿地表层冰封的影响$不曝气.-6e 中此功能区变为缺氧环境’而在氧调控作用下$好氧!区仍然存在$促进了60W (,\cF E,的去除B 一般的水平潜流人工湿地$水流方式为水平推(’$)期陶敏等!氧调控下复合垂直流人工湿地脱氮研究环!!境!!科!!学)’卷用&:!"%:的间歇停曝方式$出水中,0b)E,浓度没有明显增加B")#好氧-区是.-6e中污染物去除的主要区域$氧调控主要是增强了该功能区的净化能力$特别是冬季时功能区"以(a*(L G计#内60W(2,(,\cFE,的去除率较不曝气时分别提高了约"’‘*m( "(‘$m(’)‘&mB致谢!张甬元教授(刘保元教授(付贵萍(梁威和张丽萍等在实验过程中给予了指导’李明(佘丽华(孔令为(曹湛清等在实验数据测定中给予帮助$在此表示感谢B参考文献#)"*!^C?;@L/\$^8A U:9/4B2D@C9G@89P@9;C8?M)1*B6:@;M@C$ 1A L:A U C8$X53!4@P A M V>Q;A M:@D M$"##%B)’*!T@8:C GT4$179@6/B.8S@M9A U C9A8U?C A D<;C U7789D@C9C QA;A9<A8 C;C Q7D C97D<E M L C;@L78M9D>L9@?P@9;C8?M 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