曝气对人工湿地氮去除效果的影响

曝气对人工湿地氮去除效果的影响方焰星1，何池全1*，梁霞1，金海2，詹跃武1，张亚克1，张绚璇1(1.上海大学环境与化学工程学院，上海200444；2.上海浦东新区绿化管理署，上海201210)摘要：选择不同的植物组合，分别在6组复合垂直流人工湿地的下行池、上行池种植金边石菖蒲(Acorusgramine⁃us)、宽叶泽苔(Caldesiareniformis)；慈姑(Sagittariasagittifolia)、水葱(Scirpusvalidus)；灯芯草(Juncuseffuses)、梭鱼草(Pontederiacordata)，并设置对应的曝气组合。在人工气候室条件下，研究曝气对复合垂直流人工湿地氮的净化效果。结果表明，不同植物组合的人工湿地连续曝气能有效的提高对氨氮和亚硝态氮的去除效果，金边石菖蒲和宽叶泽苔曝气人工湿地组合对氨氮的平均去除率最高，达到84.88%，灯芯草和梭鱼草人工湿地组合对亚硝态氮的去除率最高，达到94.91%，但连续曝气产生的富氧环境不利于硝态氮的去除，甚至会引起硝态氮的富集；曝气组合人工湿地硝化作用强度略大于非曝气组合，而反硝化作用强度相反；沿进水方向硝化作用强度逐渐减低，反硝化强度沿程变化不明显，非曝气组合反硝化作用强度大于曝气组合；各人工湿地反硝化作用强度明显大于硝化作用强度，曝气能够有效地提高人工湿地硝化作用强度和降低反硝化作用强度。关键词：曝气；复合垂直流人工湿地；硝化作用强度；反硝化作用强度；净化效果中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-5948(2011)03-270-07人工湿地作为一种水处理的新技术，近20多年来，在全球范围内，特别是在欧美国家被广泛应用于处理各种类型的废水，如生活污水、工业废水、农业退水、酸性矿水和垃圾渗滤液等[1~4]。氮含量高的生活污水和工业废水的排放会造成水体富营养化，因此对氮的去除是污水处理中的重要问题。人工湿地对水中各种形态的氮具有良好的去除效果，其对氮的去除机制包括基质的吸附、过滤、沉淀以及氮的挥发、植物的吸收和湿地中微生物硝化与反硝化作用[5]。一些中试规模的潜流型湿地处理生活污水可达到90%的脱氮率，但也有部分湿地脱氮率低于40%[6,7]。研究表明，湿地系统去除的氮元素中近90%是依靠植物根系和填料表面微生物作用去除的[8,9]。微生物硝化和反硝化作用是主要的、长期有效的脱氮机制，起主导作用[10,11]。溶解氧利用率较低是导致垂直潜流湿地氮去除效果较差的主要因素[12,13]，充足的溶解氧供给是保证氨氮硝化过程顺利进行的关键(湿地生物除氮的限速步骤)[14]。硝化过程中需要硝化菌群的存在以及必要的好氧条件，湿地系统内部，特别是非根际区，经常处于厌氧状态，从而限制了硝化菌的增长和硝化反应的发生[15]。本研究通过对复合垂直流人工湿地(integratedverticalflowconstructedwetland，IVCW)在曝气条件下的硝化及反硝化作用强度的对比，评价人工湿地系统内部氮的变化规律，了解其对氮的去除机理，为今后人工湿地的研究和设计提供参考。1材料与方法1.1实验设计实验采用连续进水的方式，水力停留时间为2d，水力负荷为7.5～10cm/d。人工气候室温度设置为25℃，湿度为70%，二氧化碳浓度为300×10-6,日间光照强度为1000～5000lux。设置S1～S6六个采样层次，如图1所示。实验共设计三组实验。第一组实验，下行池种植金边石菖蒲收稿日期：2011-01-05；修订日期：2011-07-02基金项目：国家自然科学基金项目(40871243)、国家林业局林业公益性行业科研专项项目(201104088)、上海市科委重点攻关项目(10231201600)、上海市能源作物育种及应用重点实验室项目(10DZ2271800)和上海市重点学科项目(S30109)资助。作者简介：方焰星(1986-)，男，湖北省通山人，硕士研究生，主要从事水污染控制和人工湿地净化机理研究。E-mail:fangyanxing9@yahoo.com.cn﹡通讯作者：何池全，教授。E-mail:cqhe@shu.edu.cn第9卷第3期湿地科学Vol.9No.32011年9月WETLANDSCIENCESept.2011DOI:10.13248/j.cnki.wetlandsci.2011.03.005(Acorusgramineus)，上行池种植宽叶泽苔(Caldesiareniformis)；第二组实验，下行池种植慈姑(Sagittar⁃iasagittifolia)，上行池种植水葱(Scirpusvalidus)；第三组实验，下行池种植灯芯草(Juncuseffusus)，上行池种植梭鱼草(Pontederiacordata)。实验