低温季大型表流湿地对微污染水体脱氮效果及优化运行

2017-03-15 08:06:26 4

  人工湿地的脱氮效果受微生物、植物、基质、水力条件、温度等多因素的影响,呈多参数相互关联的非线性复杂生态过程,而低温季人工湿地对TN的去除效果下降又是业内公认的难题。黄翔峰等[1]总结了国内外的研究案例发现,在冬季低温条件下,人工湿地对NH3-N、TN 的去除率分别比夏季低12.0% ~40.0%、12.3% ~27.0%。而在我国平原河网地区,受到气候、农业生产的周期变动等影响,冬季原水水质TN超标又是一个普遍的现象。在内外因素的共同作用下,人工湿地在低温季的脱氮效果面临着巨大考验。

  目前,国内外学者针对改善人工湿地低温季TN去除效果开展了若干研究[2-10],研究对象多为室内试验或中小规模下的潜流湿地,重点集中在保温、强化供氧等工程措施。对于表流湿地而言,由于占地面积较大,一般的工程措施从经济、技术和管理成本上均不适用,长期以来一直缺少针对性的研究。本文综述了表流湿地脱氮机理及低温季限制因素,以盐城市区饮用水源地盐龙湖工程的表流湿地单元为实例,分析了在低温季该湿地对各形态氮素的净化效果,通过回归分析对影响脱氮效果的因素进行了论证,并从优化运行度角度出发,验证或归纳了若干适用于大型表流湿地处理微污染水体的脱氮效果提升措施。旨在为表流湿地在冬季低温地区的应用与推广提供参考,为今后表流湿地的设计优化、运行和研究提供理论依据。

  1 表流湿地脱氮机理及低温季限制因素

  自然界水体中氮素存在的基本形态为:颗粒有机氮(PON)、溶解有机氮(DON)、氨氮(NH3-N)和硝态氮[11,12],不同形态的氮素在表流湿地中的脱除机理有所不同。含氮水体进入表流湿地后,PON可经水生植物的茎叶拦截过滤、土壤吸附、离子交换、自然沉降等作用暂时离开水体,但对于连续进水的表流湿地而言,土壤吸附与离子交换仅是一个短暂可逆的过程[11],沉积在土壤上的PON最终仍将在微生物的分解作用下逐步转化为DON而重新进入水体,而DON在氨化细菌的作用下将转化为NH3-N,其转化速率主要与pH值、水温有关[12];NH3-N在水温适宜、pH值大于9的条件下,可直接通过大气挥发去除[11,12],但由于表流湿地内部通风条件不佳,通常这一过程并不显著[13],部分NH3-N也可通过水生植物根系直接吸收利用,但大部分NH3-N将通过硝化及亚硝化细菌的作用转变为硝态氮;硝态氮可直接被水生植物吸收,但并非主要去除途径[14],硝态氮的最终去除主要依靠表流湿地中的反硝化细菌在有机碳源存在的厌氧条件下,通过反硝化作用转化为气态氮(N2、N2O)离开水体[15,16]。

  综上,影响表流湿地脱氮效果的中间过程及最终途径的主要因素可分为环境因素与生物因素两类,其中环境因素主要包括:水温、氮素本底值及其形态组成、pH值、有机碳源、溶解氧等;生物因素主要包括:水生植物、微生物(氨化细菌、硝化及亚硝化细菌、反硝化细菌等)。表流湿地的脱氮效率具有明显的季节性特点[5]。对于环境因素而言,低温期水温降低,原水中总氮浓度通常会受微生物活性下降而有所增加,氮素形态组成也将发生相应变化;表流湿地土壤有机质含量较高,有机碳源的供给量受温度的影响不大;氧气的溶解度将随水温的降低而大大升高。对于生物因素而言,低温期大多数水生植物停止生长并开始枯萎,不仅对氮素无吸收作用,相反可能会因为植物残体的浸泡而释放氮素;各类微生物的生化过程显著放慢,其中硝化速率在10℃以下受抑制,在6℃以下急剧下降[17],在4℃以下趋于停止[6],反硝化速率在15℃ 以下急剧下降[1],在温度低于5℃时反硝化速度很慢[11]。

  2 盐龙湖表流湿地单元实例研究

  2.1 湿地基本情况

  盐龙湖位于江苏省盐城市龙冈镇境内蟒蛇河南岸,是目前我国规模最大的饮用水源地原水生态净化工程,其总占地面积223hm3,按水流方向依次由预处理区、湿地生态净化区(挺水植物单元、沉水植物单元)以及深度净化区串联构成。本研究的对象是该工程的挺水植物区(图1),该区占地规模约42hm2,由左右对称的18个表流湿地单元并联而成,现阶段日均处理水量为2.0×104 m3/d,水深0.3~0.5m,水力停留时间在5~20h之间。湿地基质以轻粉质壤土、粉质粘土组成,按照根系深浅搭配原则,湿地滩面主要种植芦苇、狭叶香蒲与茭草,3种挺水植物种植面积比例分别约为16.7%、33.3%和50.0%。该表流湿地为连续不间断进水运行,自2012年6月建成通水以来,目前已稳定运行了近2a。湿地对微污染原水有较强的脱氮效果,全年对TN、NH3-N的平均去除率可达20%和29%左右。

  2.2 实验设计与实验方法

  本文所述低温季,是指平均水温低于硝化-反硝化作用出现急剧下降的转折点(通常认为15℃),水生植物停止生长并完全枯萎的季节。我国各地气象、物候条件不尽相同,根据盐城地区的实际情况,将低温季确定为11月至次年4月。

  我们于2013年2—4月、2013年11月—2014年3月期间,在表流湿地的进出水口分别设置取样点,每旬进行3次取样,共计进行82组实验。其中:(1)在2013年2—4月湿地植物已收割,为全幅运行工况实验;(2)2013年11月—2014年1月湿地植物未收割,为表流湿地的半幅运行工况实验;(3)2014年2—3月湿地植物已收割,为表流湿地全幅—半幅交替工况实验。实验期间表流湿地连续进水运行,进水负荷根据调度需求不断调整,日进水量在1.0×104 ~4.0×104m3/d之间,水温变化幅度在3~15℃之间。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  水质实验的分析指标为:总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、硝态氮、水温以及pH值等。各水质指标的分析方法来源为国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法》(第4版),有机氮(Org-N)的数据为同测次水样的TN值减去NH3-N与硝态氮的值所得出。在实验过程中对湿地的运行工况进行了同步记录。数据统计分析采用了SPSS19软件。

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