【复合垂直流人工湿地对TN去除效果的正交试验】 垂直流人工湿地

　　摘要：以农村生活污水为研究对象，通过正交试验设计，考察了复合垂直流人工湿地系统在选定的影响因素及水平下对污水中ＴＮ的去除效果。通过四因素三水平的正交试验，在控制进水碳氮比、水力负荷、ｐＨ值及流程高度的情况下，测定湿地系统对ＴＮ的去除效果，以寻求优化的因素组合。结果显示，间歇运行的复合垂直流人工湿地系统对ＴＮ有良好的去除效果，４个控制因素进水碳氮比、水力负荷、ｐＨ值及流程高度对污水中ＴＮ的处理效果具有极显著影响，当进水碳氮比为８，水力负荷为４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值为７，流程高度为１ 0００ ｍｍ时，湿地系统对污水中ＴＮ的去除效果最佳。
　　关键字：复合垂直流人工湿地；正交试验；ＴＮ
　　中图分类号：Ｘ７０３．１文献标识码：Ａ文章�号：0439－８114（２０11）14－2859-03
　　
　　Orthogonal Experimental Studies on Influence of Intergrated Vertical Flow Constructed Wetland on Total Nitrogen Removal
　　
　　ＬＩ Ｆａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｑｕａｎ－ｊｉｎ
　　（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３， Ｃｈｉｎａ）
　　
　　Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｒｕｒａｌ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙ， ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｌｅｖｅｌｓ， ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ（ＩＶＣＷ） ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ． Ｂｙ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ of ４ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ３ ｌｅｖｅｌｓ， ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ C/N， ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ， ｐＨ value， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ， ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｂｙ ｔｈｅ ｗｅｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＶＣＷ ｈａｄ ａ ｇｏｏｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ， ｆｏｕｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｈａｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ ｒｕｒａｌ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ， ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｔ C/N was ８， ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ was ４０ ｍｍ／ｄ， ｐＨ ｖａｌｕｅ was ７， ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ of ｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ was １ 0００ ｍｍ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗｅｔｌａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｓｅｗａｇｅ ｗａｓ ｂｅｓｔ．
　　Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｅｔｌａｎｄ； ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ； ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｍｏｖａｌ
　　
　　水体中氮的存在会导致水体富营养化，近年来污水中的除氮备受关注。目前我国的大中型污水处理厂多采用普通活性污泥法及其改良工艺，但其对氮的控制效果并不理想，运行成本高更是其显著弱点［１］。农村地区的污水处理具有缺乏专业技术管理人员和要求运行费用低廉这两个特点，人工湿地系统最大的优势就在于其简单性［２］，其中，复合垂直流人工湿地是新型的人工湿地处理方式，而且在脱氮除磷方面具有明显的优势，该系统独特的下行流-上行流复合水流方式形成了下行流池部分区域好氧、上行流池部分区域厌氧的复合净水结构，促成了硝化和反硝化作用，明显提高了系统的脱氮效果；同时系统采用间歇式的进水方式也有利于系统复氧［３］。
　　对人工湿地影响水体中氮去除的影响因素，学者们从不同的角度进行了大量的研究。严格来讲，构成湿地的所有因素都会影响湿地的除氮效果，通常认为湿地脱氮的主要影响因素为基质、微生物、水生植物［４］，这是从湿地的主要构成要素的角度来考虑的。湿地中脱氮的主要限制步骤是硝化作用，张政等［５］指出溶解氧、ｐＨ值和温度均影响湿地的除氮效果；Ｂａｙｌｅｙ等［６］认为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；黄娟等［７］指出除此之外湿地运行参数的选择和控制直接影响湿地脱氮效果。通过正交试验研究进水碳氮比、水力负荷、ｐＨ值及流程高度４个因素及每种因素在不同水平下对污水中氮去除的影响，明确各因素对湿地脱氮效果的影响程度大小，确定最佳运行工况，有助于有针对性地提出强化脱氮措施。
　　１材料与方法
　　１．１复合垂直流人工湿地处理系统
　　试验系统整体尺寸为２．０ ｍ×１．８ ｍ×１．０ ｍ，分隔成两个１．０ ｍ×１．８ ｍ×１．０ ｍ的并联床体（记为１号床体和２号床体），每个床体的上下行池的表面积均为１．０ ｍ×０．９ ｍ，出水渠宽０．２ ｍ，下行池深为６００ ｍｍ，上行池深为５５０ ｍｍ，两池中间设有隔墙，底部连通。湿地床体基质选用砾石为主，最下层基质是粒径为６０～１００ ｍｍ的砾石层２５０ ｍｍ，上层基质是炉渣层，其中下行池的炉渣层比上行池厚５ ｃｍ，床体表面铺设以江西当地的红土壤为主，厚度为５０ ｍｍ，并掺入一定量石灰石。系统进水采用ＤＮ２０ ｍｍ穿孔管布水，出水采用侧孔出水，每个单元床的侧孔数为２０个。湿地系统的两个单元两侧在不同高度分别设置了取样口及出水口，并对其进行�号，记为取样口①～⑥及出水口⑦。１号湿地处理单元下行池和上行池分别种植香根草和荻，２号湿地处理单元下行池和上行池分别种植灯芯草和香根草，种植密度均为８株／ｍ２。系统剖面图如图１所示。
　　１．２正交试验设计方法
　　正交试验［８，９］是采用正交设计方法处理多因素的试验，它广泛应用在各研究领域，在理论上和应用中已被证明是一种科学的试验方法。它是利用规格化的正交表，对选定因素和水平合理安排试验，只需做较少的试验，就可获得相对多的信息，得出可取的结论，获得较好的研究结果。对于多因素、多水平的试验具有设计简便、节省试验单元而统计效果高等特点［１０］。
　　１．２．１控制因素的选择研究选用进水碳氮比、水力负荷、ｐＨ值及流程高度为控制因素。张迎颖等［１１］的研究指出碳氮比因素对湿地系统的脱氮效果有显著影响。因为Ｃ／Ｎ通过影响湿地中微生物的硝化／反硝化作用来影响水质脱氮效果，而提高人工湿地ＴＮ去除效果的关键是强化湿地的硝化／反硝化能力［１２］，因此保证适宜的碳氮比是保证有效的反硝化反应的必要条件。徐乐中［１３］，陈旭良等［１４］指出在生活污水处理过程中，ｐＨ值对脱氮除磷效果起着重要的作用。它是生物硝化的重要影响因素，它不仅影响硝化细菌的生长和代谢，决定硝化作用的强度，而且影响硝化基质和产物的有效性和毒性。水力负荷的大小直接影响着湿地的除氮效果，针对某一特定的湿地系统，其处理能力主要是通过其能承受的水力负荷来表现。龚琴红等［１５］研究发现当水力负荷提高到一定值时，水流流态的改变有利于改善湿地内部的硝化和反硝化环境，能增大ＴＮ的去除效果。栾晓丽等［１６］针对复合垂直流人工湿地对各污染物的流程高度去除规律进行了研究，结果发现污水在湿地床层中的运行距离对ＴＮ的去除有影响。基于这些因素对ＴＮ的去除有着重要的影响，故采用进水碳氮比、水力负荷、ｐＨ值及流程高度为控制因素。
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　　多年来，国内外许多研究者就Ｃ／Ｎ对不同工艺性能的影响进行了很多探讨。彭永臻等［１７］的研究表明，当进水ＣＯＤ／ＴＮ小于４时，碳源不足成为Ａ／Ｏ系统脱氮的限制因素。金春姬等［１８］指出，当ＣＯＤ／ＴＮ为６．８时，可保障ＳＢＲ的处理效果和稳定运行。而在实际工程中，由于采用的工艺、污水水质及系统的运行参数的不同，最佳碳氮比也略有差异，在此对人工湿地的研究中，选取进水碳氮比水平分别为３、８和１５进行试验分析。张黎［１９］综合考虑各方面因素，认为水力负荷０．１５６ ｍ3／（ｍ２・ｄ）是垂直流湿地模拟系统运行的最佳水力负荷。较高的水力负荷意味着污水在湿地床层中的停留时间较短，但较低水力负荷意味着较大的占地面积，吴振斌［3］比较了不同水力负荷条件对中试系统的净化效果发现，在大部分的水力负荷条件下，复合垂直流人工湿地对污水的净化都表现了较好的效果，因此，水力负荷水平从小到大选取为４０、２００和６００ ｍｍ／ｄ进行试验分析。目前，对硝化过程的最佳ｐＨ值尚无定论，Ｓｈａｍｍａｓ［２0］认为硝化过程理想的ｐＨ值范围是８～９，Ａｎｔｏｎｉｏｕ等［２1］综述了相关文献后认为最佳ｐＨ值为７．０～８．２，对于整套系统而言，生物除磷又要求在厌氧区有有机酸存在［１３］，考虑到系统同时脱氮除磷的效果，试验ｐＨ值的各水平确定为５、７和９。基于现有的复合垂直流人工湿地试验系统，此两个湿地床两侧均设置了６个取样点外加一个出水口，由于在下行池表面污水刚进入湿地去除率较小，作为研究对象意义不大，所以主要考查后４个取样点和出水口，为使高度分布均匀，取图１中的③、⑤、⑦取样点为研究对象，即取流程高度的水平分别为５５０、８６０和１ ０００ ｍｍ。
　　１．２．３正交试验因素与水平设计正交试验因素与水平设计见表１。
　　１．２．４测定方法为保证试验进水水质的稳定性，试验用水为人工配置模拟生活污水。进水水质见表２。试验按水力停留时间运行，每组试验３次重复，每次试验均取３个水样测定求平均值，分析进水和出水水质。ＣＯＤ以葡萄糖溶液调节，ＴＮ以尿素调节，ＮＨ３－Ｎ以氯化铵调节，ＴＰ以磷酸二氢钾调节，ｐＨ值以Ｈ２ＳＯ４溶液（ｐＨ值２．０）和ＮａＯＨ溶液（ｐＨ值１２．５）调节，实际ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ误差控制在５％之内，ｐＨ值误差控制在±０．５以内。ＴＮ测定采用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法；ＮＨ３－Ｎ测定采用纳氏试剂光度法［２2］。
　　２结果与分析
　　两组湿地床对ＴＮ去除正交试验结果见表３。由表３可知，复合垂直流人工湿地对ＴＮ去除的各因素影响大小为水力负荷＞碳氮比＞流程高度＞ｐＨ值，１号湿地床各因素的最优水平组合为Ａ２Ｂ１Ｃ３Ｄ３，即在进水碳氮比为８，水力负荷为４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值为９，流程高度为１ 0００ ｍｍ时去除效果最好；２号湿地床各因素的最优水平组合为Ａ２Ｂ１Ｃ2Ｄ３，即在进水碳氮比为８，水力负荷为４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值为７，流程高度为１ 0００ ｍｍ时，湿地系统对污水中ＴＮ的去除效果最佳。
　　２．１碳氮比对ＴＮ去除效果的影响
　　从表3和图２可以看出，碳氮比对ＴＮ去除效率的影响较大，两组湿地床Ｒ值分别为１１．５7、１３．３６，在碳氮比为８的条件下，ＴＮ的去除率最好，两组湿地床去除率分别为７６．７５％和７２．６７％，其次为碳氮比为１５条件下的７４．４５％和６４．８１％，碳氮比为３时ＴＮ去除率分别为６５．１８％和５９．３１％。
　　这是因为在较低碳氮比的情况下，表现为有机碳源的缺乏，这导致反硝化速率较低，此时随着有机物浓度的增大，人工湿地脱氮效果会大幅度提高；而在较高碳氮比的情况下，有机物已经超过反硝化菌脱氮所需碳源，碳源相对“过剩”，有机碳源不是反硝化菌生长的限制性因素，此时反硝化作用仅受ＮＯ３－－Ｎ浓度的影响，而且自养硝化菌对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，有机碳源的增加会有利于人工湿地中不以硝态氮为电子受体的异养菌的增长，这便与反硝化菌竞争生存空间［２3］，从而导致异养菌占优势，使得氨氮不能很好地转化为亚硝酸盐或硝酸盐，致使脱氮率低。但这种竞争并不明显，所以在高碳氮比的情况下，人工湿地对ＴＮ去除效果有所下降，但下降幅度并不大。因此过高或过低的碳氮比都对ＴＮ的去除产生限制，适宜的碳氮比对复合垂直流人工湿地去除污水中的ＴＮ显得尤为重要。
　　２．２水力负荷对ＴＮ去除效果的影响
　　从表３可以看出，水力负荷这一因素的Ｒ值为４个因素中的最大值，分别为１５．６４、２０．０６，说明水力负荷对ＴＮ去除效果的影响最大。从图３中的数据趋势可直接看出，随着水力负荷的增加，复合垂直流人工湿地对ＴＮ的去除率下降趋势很明显，水力负荷分别为４０、２００和６００ ｍｍ／ｄ时，ＴＮ的平均去除率分别为８０．６１％（７６．３５％）、７０．80％（６４．１６％）、６４．９７％（５６．２９％）。
　　ＴＮ的去除主要是微生物的硝化和反硝化作用，受微生物的影响较大［２4］。在一定范围内水力负荷越大，污水的停留时间就越短，ＴＮ的去除效果越低。当水力负荷从４０ ｍｍ／ｄ增加到６００ ｍｍ／ｄ时ＨＲＴ从５ ｄ缩短至８ ｈ，水力负荷变大，水力停留时间缩短，微生物的硝化和反硝化作用不完全。从图3中还可以看出复合垂直流人工湿地对ＴＮ的去除效果均在５５％以上。
　　２．３ｐＨ值对ＴＮ去除效果的影响
　　从图４的趋势可以直观地看出，１号湿地床在ｐＨ值为９时ＴＮ的平均去除率最高，为７４．８７％，其次是ｐＨ值为７时的７３．８０％，最低是ｐＨ值为５时的６７．７１％；而２号湿地床在ｐＨ值为７时ＴＮ的平均去除率最高，为６８．５１％，其次是ｐＨ值为９时的６６．３５％，最低是ｐＨ值为５时的６１．９３％。
　　由于人工湿地脱氮系统对ＴＮ的去除主要是通过硝化作用和反硝化作用实现的，因而影响这两个过程的环境因子会对整个系统的ＴＮ去除产生影响。其中环境ｐＨ值是影响硝化和反硝化速度和反硝化最终产物的重要因素，硝化细菌对ｐＨ值十分敏感，亚硝化细菌和硝化细菌分别在ｐＨ值７．０～７．８和ｐＨ值７．７～８．１时活性最强［３］，这个范围以外，其活性便急剧下降；对于反硝化作用而言，它的发生是在各种非专业的反硝化细菌共同参与下进行的，大多数学者认为，反硝化的最佳ｐＨ值在中性和微碱性范围，通常把硝化段运行的ｐＨ值控制在７．２～８．０，反硝化段ｐＨ值控制在７．５～９．２［３］。
　　２．４流程高度对ＴＮ去除效果的影响
　　从图５可以看出，ＴＮ去除随着污水在湿地中的流程高度的增加去除效果增加，当流程高度从５５０ ｍｍ增加到８６０ ｍｍ时，ＴＮ平均去除率从６７．３９％（５８．１８％）增大到７３．５２％（６８．７８％），增幅相对较大，说明在该区间内流程高度对ＴＮ的去除率的影响作用很大，随着流程高度增加到１ ０００ ｍｍ时，ＴＮ的平均去除率为７５．４７％（６９．８４％），增幅变缓，说明该段对ＴＮ去除率的贡献效果变低。增加湿地流程高度会增加ＴＮ的去除率，但是其去除率增大的速度会变慢，增加湿地流程高度来提高ＴＮ的去除率的效果不明显。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　在复合垂直流人工湿地中，污水随着流程高度的增加交替地流过下行池和上行池的表层好氧区和底层厌氧区，有利于含氮污染物的硝化、反硝化反应，从而为脱氮造成了良好的条件。
　　３结论
　　１）间歇运行的复合垂直流人工湿地系统对ＴＮ有良好的去除效果。
　　２）通过正交试验得出，复合垂直流人工湿地对ＴＮ去除的各控制因素的最佳水平组合１号湿地床为Ａ２Ｂ１Ｃ３Ｄ３，即在进水碳氮比为８，水力负荷为４０ ｍｍ／ｄ， ｐＨ值为９，流程高度为１ ０００ ｍｍ时去除效果最好；２号湿地床是Ａ２Ｂ１Ｃ２Ｄ３，即在进水碳氮比为８，水力负荷为４０ ｍｍ／ｄ，ｐＨ值为７，流程高度为
　　１ ０００ ｍｍ时，湿地系统对污水中ＴＮ的去除效果最佳。
　　３）复合垂直流人工湿地对ＴＮ的去除效果随Ｃ／Ｎ的增加而提高，但提高至一定程度时又有所下降；随着水力负荷的提高，ＴＮ的去除效果有所下降；复合垂直流人工湿地在中偏微碱的条件下对ＴＮ有良好的去除效果；随着污水在复合垂直流人工湿地床层中的流动，ＴＮ去除效果呈增加的趋势，但ＴＮ去除率随流程高度增加的增幅变缓，这意味着在达到了排放要求的时候，不必增加湿地流程高度，从而降低湿地的工程造价。
　　
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