不同基质类型潜流式人工湿地脱氮效果对比研究

不同基质类型潜流式人工湿地脱氮效果对比研究

我国农村经济基础薄弱，废水收集系统不完善，导致农业排水、剩余水、农村废水、家禽废水和部分雨水径流的大量排放。。。农业废水具有面广、量大、分布平衡、间歇性高、高机沉淀负荷等特点。采用传统的废水处理技术，处理困难、维护管理复杂、投资运营成本高的特点。湿地修复工程是由土壤（或其他基质）、植物和微生物组成的独特生态系统。充分利用了自然湿地系统的净化废水特点和自然生态系统中物理、化学和生物的双重功能。过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解，以便高效、顺畅地处理废水。因此，人工湿地具有投资少、能耗低、维护管理简单的特点。从国内外各种生态技术的研究和应用来看，人工湿地技术是管理和控制农业废水的最现实、最有效的工程措施之一。人工湿地中植物、微生物、土壤基质以及污水的组成都会影响氮的去除效果,由于这些复杂因素的相互作用使得人工湿地的脱氮效率在11%~90%之间变化.基质是人工湿地中水生植物和微生物赖以生存的场所,一方面为水生植物提供载体和营养物质,同时也为微生物的生长提供了稳定的依附表面,是污水中有机物转为无机物的枢纽.Vacca等的研究表明,人工湿地对营养物质和有机物起转移和矿化作用的主要是基质中的微生物,而基质中硝化菌和反硝化菌的代谢则是人工湿地去除氮的主要作用.因此,本文在相同进水水质和水力负荷下,研究2种不同基质类型(组合基质和煤渣基质)潜流式人工湿地的脱氮效果,同时研究2组潜流式人工湿地中硝化细菌和反硝化细菌的空间分布,以及基质和溶解氧对硝化细菌和反硝化细菌数量的影响,进一步分析人工湿地采用不同基质时硝化及反硝化细菌对脱氮效率的影响,为人工湿地的优化设计及运行参数提供理论依据和指导.1材料和方法1.1潜流式人工湿地建设人工湿地试验装置位于宜兴市大浦镇林庄村,湿地采用砖砌结构,分为2组,每组平面长宽尺寸为7m×0.7m,有效深度0.75m,坡度为0.5%,如图1所示.为考察基质条件对污染物去除的影响,采用组合基质和煤渣基质2种不同基质组成的潜流式人工湿地进行了对比试验研究,其中组合基质人工湿地由底部向上依次填充40cm厚的碎砖(粒径为30~50mm)、30cm厚的砾石(粒径为10~20mm)和5cm厚的细砂(粒径为5~10mm);煤渣基质人工湿地中填充烧煤锅炉的弃渣.湿地种植芦苇,栽植密度为25株/m2.本研究对象的人工湿地为稳定运行1a以上的人工湿地,该湿地建于2008年3月,本研究试验期间为2009-05-28—07-12.湿地采用连续进水方式,进水采用经化粪池预处理后的农村生活污水,主要水质指标见表1,水力负荷为10cm/d,相应HRT约7d.1.2细菌总数及细菌基因型测定为了监测湿地沿程水质、DO等变化情况,在湿地廊道前、中、后段埋设了管径为30mm的PVC取样管,如图1所示,3个取样点距进水口距离分别为1.5,3.5,5.5m.同时在水样取样点钻取上下2层基质样品分析细菌总数及硝化细菌和反硝化细菌的数量分布情况,其中上层为基质层表面下5~10cm处,下层设在基质层表面下30~40cm处,检测项目COD,TN,NH4+-N均采用国家标准方法测定,DO采用溶解仪测定,硝化细菌数采用荧光原位杂交法测定,反硝化细菌数采用最大可能数(MPN)法测定.2结果2.1组人工湿地运行过程中总氮的去除效果比较图2(a)为组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地运行过程中的进、出水氨氮浓度变化情况.整个试验阶段,进水氨氮浓度在7.9~47.5mg/L范围内变化,组合基质人工湿地出水的氨氮平均浓度为4.0mg/L,对氨氮的平均去除率(去除率的平均值)达到81.9%,而煤渣基质人工湿地出水的氨氮平均浓度为8.7mg/L,对氨氮的平均去除率仅为59.6%.图2(b)为组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地运行过程中的进、出水总氮浓度变化情况,整个试验期间,进水的总氮浓度变化范围较大,最小时仅为9.1mg/L,而最大时则为48.4mg/L.组合基质人工湿地出水总氮的平均浓度为6.6mg/L,对总氮的平均去除率为75.7%,而煤渣基质人工湿地出水总氮的平均浓度为13.1mg/L,对总氮的平均去除率只有51.8%.从以上实验结果可以看出:在相同进水水质和水力负荷运行条件下,不同基质的选择关系到人工湿地整体的脱氮效果.在人工湿地中,对于氮的去除,除植物吸收与过滤作用外,硝化反硝化等微生物反应是净化主体,对2组人工湿地中硝化细菌数及反硝化细菌数的检测表明,组合基质人工湿地中硝化细菌数量多于煤渣基质人工湿地,且组合基质人工湿地通过合理的选择搭配碎砖、砾石和细砂,形成了明显的微生物量分层,从而大大提高了氮的去除效率;而煤渣基质人工湿地由于采用单一基质,湿地整体孔隙率较小,影响了基质的渗透性能,导致湿地的脱氮效果较差.另外,多种基质之间的协同效应也是造成组合基质人工湿地的脱氮效果好于煤渣基质人工湿地的一个重要原因.2.2不同基质人工湿地对氮的去除速率人工湿地稳定运行阶段,2种基质人工湿地的氨氮和总氮沿程的变化曲线分别如图3所示.对于氨氮和总氮的沿程变化,2种基质人工湿地均有显著的差异.组合基质人工湿地氨氮变化基本呈直线下降,进水氨氮平均浓度为24.6mg/L,出水氨氮平均浓度则为4.2mg/L,表现出较高的氨氮去除率;煤渣基质人工湿地前段(0~2.5m)氨氮浓度变化高于组合基质人工湿地,从24.6mg/L下降到14.0mg/L,中段和后段(2.5~5m,5~7m)下降趋势相对缓慢,从14.0mg/L下降到8.2mg/L.2组人工湿地中总氮的沿程变化与氨氮的沿程变化较为相似.组合基质人工湿地中总氮浓度基本呈直线下降,从29.2mg/L下降到7.0mg/L,煤渣基质人工湿地前段总氮浓度下降较快,从29.2mg/L下降到14.7mg/L,中后段则较为平缓,从14.7mg/L下降到12.1mg/L.从图3可以看出,前段部分煤渣基质人工湿地对氮去除速率高于组合基质人工湿地,可能是因为煤渣基质的吸附作用强于组合基质;当污水进入中后段,由于基质对氮的吸附是快速可逆的,随着氮浓度的降低,导致吸附效果大幅降低,而微生物的降解成为主导作用,组合基质人工湿地对氮的去除效果反超煤渣基质人工湿地.2.3煤渣人工湿地硝化细菌数量图4(a)为组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地中硝化细菌(亚硝酸细菌、硝酸细菌)的空间数量分布情况.2组人工湿地中硝酸细菌数量分布有较大的差异.组合基质人工湿地的上层(基质层0~20cm):前、中段数量在1.40×108cells/g左右变动,后段数量减少到7.68×107cells/g.组合基质人工湿地的下层(基质层20cm以下):前段和中段数量分别为4.72×107和4.49×107cells/g,后段数量仅为2.37×107cells/g.组合基质人工湿地前段与中段硝酸细菌数量较多,后段有所减少.而煤渣基质人工湿地的上层:前、中段硝酸细菌数量都比较接近4.00×107cells/g,后段增加到8.32×107cells/g.下层:前、中段硝酸细菌数量在2.00×107~3.00×107cells/g范围内,后段增加到5.15×107cells/g.煤渣基质人工湿地则是前段与中段硝酸细菌数量较少,后段数量有所增加.2组人工湿地中亚硝酸细菌数量分布较一致,均是前段最(较)多,中段最少.组合基质人工湿地的上层:前段亚硝酸细菌数量为2.03×108cells/g,中段只有1.01×108cells/g,后段又增加到1.70×108cells/g.下层:前段亚硝酸细菌数量为5.15×107cells/g,中段为3.32×107cells/g,后段略微增加到3.75×107cells/g.煤渣基质人工湿地上层:前段亚硝酸细菌数量为6.12×107cells/g,中、后段都接近3.50×107cells/g.下层:前段亚硝酸细菌数量为4.20×107cells/g,中段只有2.73×107cells/g,后段增加到3.34×107cells/g.人工湿地的基质类型、粒径大小会对人工湿地中细菌的数量分布产生影响.人工湿地稳定运行后上下层之间硝化细菌的数量呈现明显的分层状态,组合基质人工湿地中由于将不同粒径的基质进行组合、分层布置,使得硝化细菌(包括硝酸细菌和亚硝酸细菌)数量分布分层现象更为显著,组合基质人工湿地中上层的硝化细菌数量约为下层硝化细菌数量的3.5倍.相对而言,采用煤渣作为单一基质的人工湿地中,上下层之间的硝化细菌数量差异则并不明显,硝化细菌在上层的数量约是下层的1.4倍.对比2组基质人工湿地中的硝化细菌数量:上层中,组合基质人工湿地硝化细菌平均数量为2.76×108cells/g,煤渣基质硝化细菌平均数量仅为9.93×107cells/g,组合基质人工湿地是煤渣基质人工湿地的2.8倍;下层中,组合基质人工湿地硝化细菌平均数量为7.93×107cells/g,煤渣基质人工湿地硝化细菌平均数量为7.30×107cells/g,组合基质人工湿地与煤渣基质人工湿地相当.组合基质人工湿地中上层硝化细菌数量的增加,以及人工湿地上层较高的溶解氧水平使得组合基质人工湿地在上层形成具有较高硝化活性的区域,上述原因是组合基质人工湿地氮去除效果优于煤渣基质人工湿地的重要因素之一.图4(b)为组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地中反硝化细菌的空间数量分布情况.组合基质人工湿地中反硝化细菌数量均沿流程方向呈逐渐减少的趋势,前段上层和下层数量分别为1.82×106和4.05×106MPN/g,后段上层和下层仅有3.24×105和6.65×105MPN/g.煤渣基质人工湿地上层的反硝化细菌数量基本持平,均在4.0×105MPN/g基质上下变动;下层的反硝化细菌数量则是沿流程方向逐渐减少,前段最多为1.62×106MPN/g,中段次之为1.38×106MPN/g,后段最少为6.11×105MPN/g.人工湿地中反硝化细菌数量沿程递减,主要是由于污水中有机物质不断被降解,导致中、后段的碳源越来越少,抑制了反硝化细菌的增长繁殖.对比2组基质人工湿地中的反硝化细菌数量:上层中,组合基质人工湿地反硝化细菌平均数量为1.33×106MPN/g,煤渣基质人工湿地反硝化细菌平均数量为4.0×105MPN/g,组合基质人工湿地是煤渣基质人工湿地的3.3倍;下层中,组合基质人工湿地反硝化细菌平均数量为2.15×106MPN/g,煤渣基质人工湿地反硝化细菌平均数量为1.20×106MPN/g,组合基质人工湿地为煤渣基质人工湿地的1.8倍.从以上分析可看出,无论是上层还是下层,组合基质人工湿地中反硝化细菌数量均高于煤渣基质人工湿地,组合人工湿地中反硝化细菌数量的增多提高了湿地中微生物反硝化脱氮活性,有利于湿地氮去除效果的提高.而对于单个人工湿地,上层的反硝化细菌数量均明显低于下层,人工湿地底层较低的溶解氧水平和较高的反硝化细菌数量均表明,人工湿地下层是反硝化生物反应的活性区域,但在推流型潜流式人工湿地中由于水的流态呈前、后推流形态,加之湿地中水流的流速小,使得湿地中水流上下混合能力相对较弱,影响了在湿地上层硝化反应活性区域中形成的硝酸及亚硝酸进入湿地下层进行反硝化脱氮,这是影响推流型潜流式人工湿地氮去除效能提高的重要因素.2.4基质层为细砂质细菌的基质人工湿地组合基质人工湿地和煤渣基质人工湿地中沿程溶解氧的变化如图5所示.2组人工湿地前段各层的溶解氧都有不同程度的降低,此后溶解氧降低幅度减小或有所回升.在湿地的上层,后段及出水中的溶解氧值又恢复到一个较高的水平;而在湿地下层,后段及出水中溶解氧值则相对中段有所降低.2种基质的人工湿地相比较,煤渣基质人工湿地上层的溶解氧浓度较高,平均为1.50mg/L左右,而组合基质人工湿地上层只有0.95mg/L,主要是由于组合基质按大小分层,组合基质湿地的表层为细砂质厚密的介质层阻止了系统的氧交换过程,较大数量的硝化细菌消耗部分溶解氧,使得上层溶解氧相对低于煤渣基质人工湿地;下层的溶解氧浓度相比较则是组合基质下层的稍高一些.人工湿地中溶解氧对硝化细菌和反硝化细菌数量的影响则较为显著,如图6所示,溶解氧水平越高,硝化细菌密度越大,而反硝化细菌密度则较小.人工湿地表层溶解氧水平较高,硝化细菌密度大,底层溶解氧水平较低,反硝化细菌密度大.硝化细菌和反硝化细菌数量的不同分布特点使人工湿地中形成上、下分层的硝化与反硝化活性区域.人工湿地中溶解氧浓度受到微生物活动、植物供氧和大气复氧等因素的影响.湿地前段大量的有机物被降解,因此在这一区域出现了溶解氧浓度的降低;进入湿地中段,有机物降解速率变慢,耗氧速率同时降低,此时由于植物光合作用产氧以及大气复氧作用,使土壤层的溶解氧得到补充,溶解氧浓度开始有所回升,表层由于植物根系密集、大气复氧作用强烈,因此溶解氧恢复得很快,到湿地后段甚至超过了进水的原有水平.而湿地中下层因得不到有效的氧补充,溶解氧变化幅度相对较小.此外湿地中水流流态对溶解氧也会有一定的影响,在湿地后段,由于采用上部出水方式,表层的溶解氧浓度较高,与出水中表层的溶氧水平相当,而湿地后段的下层