爱尔斯微课堂|间歇增氧垂直流人工湿地在不同曝气参数下脱氮的分层效应

不同工况对NH+4-N分层去除影响

不同工况下IA-VFCW对NH⁺₄-N的分层去除效果如上图所示。进水NH⁺₄-N质量浓度为25mg·L^-1，各工况(AP1-AP8)下细砾石层和煤渣层中NH⁺₄-N质量浓度变化不大，分别为21.83-22.67mg·L^-1和18.33-19.67mg·L^-1，且平均去除率分别为10.8%和13.3%，说明两区域对NH⁺₄-N去除效果较差。造成这种情况的原因可能是∶一方面湿地填料物理吸附对-N去除贡献较低；另一方面，因曝气装置位于细砾石层和煤渣层上端，所提供的氧气扩散到下部的含量有限，无法返混复氧，微生物硝化反应所需氧气只能由湿地自身复氧及进水溶解氧来提供，供氧不足难以形成好氧环境，且硝化菌对氧气亲和力低于异养微生物，在对氧气竞争中处于劣势，从而进一步抑制了氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的活性，无法对NH⁺₄-N进行有效降解。此外，工况的改变并未引起细砾石层和煤渣层中NH⁺₄-N浓度的明显变化，这也与两区域处于曝气区前端有关，曝气条件改变造成的溶解氧波动对2个区域干扰较小。

废水自煤渣层汇集后进入曝气区、湿地植物区和出水区，各工况下NH⁺₄-N浓度均显著下降，其中曝气区、湿地植物区和出水区NH⁺₄-N质量浓度分别为1.33-12.33、1.17-11.17、0.67-6.33mg·L^-1，NH⁺₄-N去除率分别为54.2%、6.3%、3.2%。曝气区对NH⁺₄-N去除率显著增加的主要原因是，间歇曝气使废水中溶解氧含量充足，好氧硝化细菌代谢活性提升，NH⁺₄-N被氧化为亚硝酸盐或硝酸盐而去除。随后，废水流经湿地植物区，NH⁺₄-N的浓度进一步下降。这是因为湿地植物区种植芦苇，且芦苇根系交错形成根系屏障墙，增大废水与根系接触面积，根系对废水中氮素吸收加强，并协同根系硝化微生物进一步提高了NH⁺₄-N的降解效果。 

由图可知，工况的改变显著影响了曝气区和湿地植物区NH⁺₄-N去除情况。随曝气量、曝停比、曝停周期的变化，各个曝气工况下NH⁺₄-N出水浓度及去除率呈规律性变化。曝气区中，在相同曝停周期下，曝停比为3的AP2、AP4工况NH⁺₄-N去除率较曝停比为1∶3的AP1、AP3工况分别提高了20.3%、41.3%。当曝气量为1m³·h^-1时(R1组)，AP2工况下曝气区NH⁺₄-N去除率较AP1工况下提高了20.3%，AP4工况下曝气区NH⁺₄-N去除率较AP3工况下提高了41.3%；AP4工况下曝气区对NH⁺₄-N去除率较AP2工况下提高了6.5%，AP3工况下曝气区对NH⁺₄-N去除率较AP1工况下则降低了14.5%。可知在1m³·h^-1曝气量下，高曝停比工况(AP2、AP4)曝气区NH⁺₄-N去除率显著高于低曝停比工况(AP1、AP3)，且高曝停比下曝停周期的延长更有利于NH⁺₄-N的去除。这主要因为∶高曝停比及长时间曝气更有利于好氧区域的扩大并稳定存在，使硝化反应进行的更充分；低曝停比下曝停周期延长将扩大厌氧区域，造成DO不足，导致硝化反应进行不彻底。在湿地植物区中，R1组的AP3工况下NH⁺₄-N浓度最高，NH⁺₄-N去除率也仅有4.7%，与曝气区情况类似，仍归因于低曝气量、低曝停比和长曝停周期的影响。 

当曝气量提高到2m³·h^-1时(R2组)，相较R1组，

AP5-AP8工况下的曝气区和湿地植物区中NH⁺₄-N去除率变化并不显著。这可能是因为：在2m³·h^-1的高曝气量下，单位时间内硝化细菌可利用的氧气更多，活性高，从而对其他工况(曝停比、曝停周期)的响应不强，且R2组在湿地植物区各工况下的NH⁺₄-N质量浓度较低(平均值2.76mg·L^-1)，去除率也普遍高于R1组。 

结合上表中的出水区NH⁺₄-N浓度，IA-VFCW在AP3工况下(曝气量1m³·h^-1、曝停比1∶3、曝停周期12h)对NH⁺₄-N去除率最低。这主要因为曝气量较低(1m³·h^-1)，同时由于曝气间隔的延长(9h)，氧气不足以维持整个曝停周期的好氧环境，厌氧区域形成并长时间存在，从而抑制了硝化反应进行。曝气量提升到2m³·h^-1的R2组出水NH⁺₄-N平均去除率(92.4%)高于R1组(82.9%)，结合各工况下NH⁺₄-N分层变化情况，可见曝气量的提高是NH⁺₄-N去除性能增强的关键。

不同工况下NO−2-N、NO−3-N分层累积

不同工况下NO₂^--N和NO₃^--N分层浓度如上图所示。各曝气工况下(AP1-AP8)细砾石层和煤渣层的NO₂^--N质量浓度分别为0.02-0.06mg·L^-1和0.02-0.07mg·L^-1，平均质量浓度分别为0.04mg·L^-1和0.04mg·L^-1；细砾石层和煤渣层中NO₃^--N质量浓度分别为0.18-0.58mg·L^-1和0.46-0.92mg·L^-1，平均质量浓度分别是0.34mg·L^-1和0.74mg·L^-1。可见，NO₂^--N和NO₃^--N在两区域并无明显积累，这与各工况下细砾石层和煤渣层较低的NH⁺₄-N去除率相对应。这主要是由于湿地下部溶解氧含量有限，区域内主要为厌氧空间，硝化过程产生的NO₂^--N和NO₃^--N可直接在反硝化微生物作用下转化为N2。

废水进入曝气区，NO₂^--N和NO₃^--N质量浓度在各工况下均有着显著升高，NO₂^--N和NO₃^--N平均质量浓度较煤渣层增幅分别为440%、1117%，NO₃^--N质量浓度的增幅是NO₂^--N的2.5倍。这表明，亚硝酸盐氧化菌活性较高，可迅速将氨氧化细菌产生的NO₂^--N进一步氧化为NO₃^--N，未造成NO₂^--N明显积累。

如上表所示，所有工况下曝气区NO₂^--N平均积累量为0.23mg·L^-1，受工况影响不明显。曝气量为1m³·h^-1的AP1-AP4工况下曝气区NO₃^--N质量浓度变化较小(平均值为7.93mg·L^-1)，较煤渣层的平均值(0.80mg·L^-1) 增幅为896%；而曝气量为2m3·h^-1工况 (AP5-AP8)下，曝气区NO₃^--N积累明显，且受工况影响程度不一，其较煤渣层NO₃^--N质量浓度增幅分别为660%、1142%、1210%、1592%。可见，AP5工况(曝气量2m³·h^-1、曝停比1∶3、曝停周期6h)下NO₃^--N质量浓度增幅最小，AP8工况(曝气量2m³·h^-1、曝停比3、曝停周期12h)下增幅最大。这可能由于高曝气量与高曝停比会压缩IA-VFCW厌氧空间，反硝化作用受限引起NO₃^--N积累。废水进入湿地植物区后，NO₂^--N和NO₃^--N质量浓度均呈现下降趋势(平均值分别为0.21mg·L^-1和8.25mg·^L-1)，较曝气区降幅分别为8%和9%。褚润等人的研究表明，植物根系能够吸收一定的NO₃^--N。本研究所采用的IA-VFCW中独特的同心圆环设计，使芦苇根系紧密交织成根系屏障墙，提高了芦苇根系对NO₃^--N的吸收效率，同时使功能菌得以富集。低曝停比工况(AP1、AP3、AP5、AP7)下湿地植物区NO₃^--N质量浓度低于相应的高曝停比工况 (AP2、AP4、AP6、AP8)，其原因在于低曝停比下因停曝时间相对较长，IA-VFCW厌氧区空间相对扩大，利于微生物进行反硝化。

不同工况对TN分层去除的影响

不同工况下TN分层浓度和TN去除率变化如上图所示。进水NH⁺₄-N质量浓度为25mg·L^-1，各工况(AP1-AP8)下细砾石层和煤渣层中TN浓度无明显差异，工况的改变对细砾石层、煤渣层TN去除影响较小。各工况下细砾石层TN平均质量浓度为22.69mg·L^-1、平均去除率为9.6%。各工况下煤渣层TN平均质量浓度为19.78mg·L^-1、平均去除率为11.6%。结合NH⁺₄-N、NO₂^--N和NO₃^--N变化情况可见，细砾石层、煤渣层因自然复氧速率差，区域内溶解氧浓度较低，导致NH⁺₄-N向硝酸盐的转化过程受到抑制，反硝化进行所需要的硝酸盐不足，从而造成TN的去除效果差。

AP1-AP8各工况下曝气区TN浓度及去除率如表所示。在曝气量为1m3·h^-1的R1组(AP1-AP4)，AP2工况下曝气区对TN的去除率较AP1工况下提高了19.1%，AP4工况较AP3工况提高了40.1%；AP4工况下曝气区对TN的去除率较AP2工况下提高了9.3%，AP3工况较AP1工况降低了11.7%。数据表明，在1m³·h^-1曝气量下，高曝停比(AP2、AP4)时曝气区对TN去除率均显著高于低曝停比时(AP1、AP3)，且高曝停比时曝停周期的延长有利于TN的去除，低曝停比时曝停周期的延长会降低对TN的去除效果。结合各曝气工况下曝气区NH⁺₄-N的去除及NO₂^--N、NO₃^--N积累结果分析可得，TN去除过程的限速步骤为硝化过程，高曝停比与长曝停周期会使硝化反应进行较为充分，从而提高TN去除率。

曝气量提升到2m³·h^-1的R2组(AP5-AP8)，AP5工况下曝气区对TN的去除率较AP1工况下提高了23.6%，AP7工况较AP3工况提高了29.5%。这表明低曝停比时，曝气量的增加将提高曝气区对TN去除率，因曝气量增加会使低曝停比时生物硝化过程进行的更加彻底。AP6工况下曝气区对TN的去除率较AP2工况下降低26.3%，AP8工况下较AP4工况下降低37.1%。这表明高曝停比时，曝气量的提高反而会降低曝气区对TN去除效果，高曝停比时提高曝气量虽会使NH⁺₄-N浓度下降，但会压缩厌氧空间，使反硝化进程受阻，造成NO₃^--N的积累。

各工况下废水流经湿地植物区时TN得到进一步去除，TN去除率为1.8%-14.6%。可以看到，不同工况下湿地植物区对TN去除率存在较大差异，AP2工况下湿地植物区TN浓度较曝气区降幅最大(27%)。结合图中的结果可知，湿地植物区中NH⁺₄-N浓度降低了61%，NO₂^--N浓度降低了19%。根据好氧硝化理论，NH⁺₄-N和NO₂^--N经硝化反应的去向为NO₃^--N，而湿地植物区的NO₃^--N浓度却不升反降(较曝气区降幅达16%)，说明湿地植物区同时发生着反硝化作用降解硝酸盐。有研究表明，湿地植物可通过根系释放、死亡分解等来调控氮素转化途径和反硝化进程，其为湿地进行反硝化的主要场所。同时，芦苇根系周围的环境中可依次呈现好氧、厌氧及缺氧状态，可创造有利于多种微生物生存的微环境，通过硝化反硝化作用实现对TN的有效去除。

如表所示，不同曝气工况下IA-VFCW出水TN浓度及去除率差异较大。在AP5工况下有着最高的TN去除率(77.0%)，这与图中较高的NH⁺₄-N去除率和图(b)中较低的NO−3-N浓度积累相对应。同时，AP3、AP6、AP8工况下IA-VFCW对TN去除率都很低(分别为37.9%、37.2%、35.1%)。AP3工况下TN去除率低的原因主要在于∶受低曝气量(1m³·h^-1)、低曝停比(1/3)和长曝停周期(12h)的影响，厌氧区域扩大，硝化反应受限，导致氨氮无法转化为硝态氮而去除。AP6和AP8工况下TN去除率低的原因有2点∶其一，受到高曝气量(2m³·h^-1)、高曝停比(3∶1)的影响，AP6和AP8工况中湿地曝气区NO₃^--N大量积累(平均质量质量浓度分别为10.89mg·L^-1和15.23mg·L^-1)；其二，在AP6和AP8工况下，废水在湿地植物区NO₃^--N质量浓度分别为10.85mg·L^-1和15.21mg·L^-1，相对曝气区几乎没有下降。这可能与湿地植物区废水有效C∶N(COD/NO₃^--N)低有关，C∶N可衡量反硝化反应能否充分进行，是影响TN降解率的关键因素之一。结合湿地植物区中COD值和图(b)中的NO₃^--N浓度，可得在AP6和AP8工况下C∶N分别为1.85和1.26，远低于反硝化效果最佳时的C∶N(4-6)，而对于TN去除率最高的AP5工况，湿地植物区C∶N为4.68。