不同季节潜流与表流人工湿地氨氮去除动力学对比研究
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摘要：研究了一个由自由表面流和水平潜流二级组合串联工艺处理污染河水，应用一级动力学模型，考察在恒定水力负荷的条件下温度及污染负荷对氨氮去除速率的影响。研究结果表明：系统对氨氮去除速率与温度呈正相关，四个串联湿地系统单元体积去除速率常数KV20分别为1.135、1.939、1.686及2.682，潜流湿地单元Kv20值高于自由表面流。在潜流单元温度系数θ值最高可到达1.187，然而氨氮的去除效率与温度呈负相关，主要原因在于进水氨氮负荷随季节周期变化的缘故,季节变化直接影响着系统的进水温度及进水氨氮负荷，进而决定了湿地系统对氨氮的去除速率。
关键词：人工湿地；氨氮；季节影响；负荷率；温度
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-08-0070-3
1 概述
人工湿地是19世纪70年代出现的新型污水处理技术，具有投资低、操作和维护简单、生态友好等优点，在生活污水、工业废水、农田废水、河流污染治理等应用广泛，特别在处理村镇污水中具有显著优势，是政府、环保专家和受服务者一致推崇的技术。但这种系统脱氮规律认知尚存在盲点，不同类型人工湿地、不同条件下对总氮去除效果迥异，去除率20-80%不等（北美数据库关于湿地系统统计信息（USEPA，1993）），严重制约了其应用。
植物及其根系微生物是人工湿地除污染的重要执行者，其生长受季节影响严重，相应地，季节对人工湿地系统除氮效果也显现出一定影响，明确不同季节人工湿地系统除氮规律对其管理优化具有重要意义。目前关于季节对人工湿地去除NO2--N, NO3--N, NH4+-N,TN速率的影响均有报道[1-4]，结合前人研究成果和课题组前期研究结果，本文拟从水温和污染负荷率这两个关键季节影响因素出发，分析表流人工湿地和潜流人工湿地串联工艺对NH4-N的去除动力学受季节影响的规律，为明确人工湿地系统除氮规律提供支持，为北方地区人工湿地常年稳定运行管理提供借鉴。
2 材料与方法
2.1 人工湿地系统
试验系统由两个自由表面流（FWS）和两个潜流型单元（SSF）间接串联组成，如图1所示，1#表面流单元长15m，宽15m，高1.0m；3#表面流单元长30m、宽15m、高1.0m；两个潜流型单元均长30m、宽15m、高1.5m，基质厚度1.0m，水面距基质表面0.15m。
图1 人工湿地系统的工艺流程图
Fig.1 Schematic diagram of the constructed wetland system.
在自由表面流湿地(FWS)及潜流湿地（SSF）分别种植水葫芦、大瓢和芦苇植物，芦苇最初种植密度为2株/m2，经过几个月运行之后，已经长成了60株/m2。
表1 原水水质指标
Table1 Raw water quality indicators
2.2 系统的运行操作
本文通过连续监测了一年期各湿地单元进出水指标，进水温度变化范围为0.4-26℃，进水污染物组分随着河水流速及流量成季节性周期变化，本次的研究目的主要是评价人工湿地在北方地区氨氮的去除效率随季节性的变化规律，同时研究与季节相关参数温度和进水污染物负荷率等之间的关系对氨氮的去除效果的影响，为人工湿地在中国北方地区的推广提供支持。
系统首先由原水泵将水抽至原水箱，再由进水泵及流量计控制进水流量，保证湿地内的水力负荷率（HLR）在一个常数值，由于1# FWS与其他单元湿地面积不同，在1#FWS的HLR为1.62m/d, 其他单元为1.51m/d两个不同值，在FWS里我们假设内部植物及挂膜体积相对于整个湿地对流量影响甚微，可以忽略不计,因此1#及3#FWS里HRT分别为7.81和15.62h,再加上在2#及4#SSF里的停留时间分别为3.85h，因此在人工湿地内的总停留时间为36.13h，进水通过FWS之后再由重力作用进入到SSF里，最后从砂率池出水直接排入河流。
2.3 分析方法
每周取水样一次，分析指标包括氨氮、PH、DO、CODmn、Temp等，采用《水和废水监测分析方法》（第四版）中的标准方法分析各水质指标。
2.4 反应速率和温度系数的计算
通常来说，基质的降解服从一级反应动力学为基础，生物反应过程经常用一级动力学反应来描述[5]，在研究过程中以污染物各组分每月的平均值作为基础来研究反应速率及温度系数。一级动力学模型通常的表达方式为
式中表示氨氮的出水浓度（mg/L）； 表示氨氮的进水浓度（mg/L）； 表示体积去除速率常数（d-1）； 表示面积去除速率常数；HRT表示水力停留时间（d）；HLR为水力负荷（m/d）。温度对体积去除速率常数及面积去除速率常数的影响可以用Arrhenius 方程来修正。
表示温度在20℃时表示体积去除速率常数（d-1）； 表示温度系数；T表示水温（℃）；将（3）式两侧同时取对数，得到ln（ ）关于（T-20）的线性回归方程，以ln（ ）为斜率，以ln（）为截距。通过相关系数R来评价所有线性回归的适应性。
3 结果与讨论
3.1 温度的影响
1月至3月及11、12月，湿地的月平均进水温度为2.28℃（范围0.8-3.6℃），高于当时的月平均环境温度，FWS与SSF出水温度相比较进水温度而言没有明显变化。在整个研究期间，河水中氨氮的浓度范围在0.5-16mg/l之间波动，其浓度在温度较低季节含量相对高，在温度较高季节含量相对较低，从图2可以看出，氨氮的浓度与水温成显著负相关，分析认为，这一规律与季节有关。每年的冬季和春季气温、水温较低，同时永定河处于干枯季节，降雨量少直接导致河流中污染物组分浓度升高，反之，夏季水温高，降雨量大，这种现象发生变化。
图2 氨氮的进出水浓度、温度随时间变化情况
Fig.2 The influent AN concentrations and Temperature changed with tim。
通过计算，当湿地内部月平均温度从1.35℃到24.3℃时，体积去除速率常数Kv变化从0.13-7.0d-1，并且其变化情况是与温度成正相关（图3），因此在整个系统的个单元内，可以看出氨氮的去除率随温度的升高而增大。其各单元Kv20的值分别为1.135、1.939、1.686及2.682，也可以看出两个SSF（1#，3#）的Kv20要高于两个FWS（2#，4#）值，水生植物芦苇起到了一定的作用。然而θ对于氨氮的去除在四个单元内没有明显的区别，其值在1#、2#、3#、4#分别是1.077、1.187、1.086、1.079。
然而，氨氮的总去除率却是随着温度的升高而成指数降低的趋势，在四个单元里选择3#FWS及4#SSF进行研究分析，在3#FWS单元氨氮去除率从1.9℃的2.99g N•m-2•d-1到24.8℃的0.015g N•m-2•d-1；在3#FWS单元氨氮去除率从1.6℃的1.38g N•m-2•d-1到22.8℃的0.015g N•m-2•d-1（图4）。在3#及4#单元内即使在高温较大θ值时，也没有出现较大的氨氮去除率，这个可能是因为在高温季节，与河水中的氨氮负荷率较低有关系。
图3 氨氮体积去除速率KV与温度的关系
Fig.3 The relationships between kV for AN removal and the monthly mean water temperature
通常生物反应取决于温度，因此具有一定的季节性，在温度低于15℃时硝化作用是更敏感的，温度系数（θ值）相对来说也更高。本研究中，计算得出的θ值（15-26℃）要高于其他参考文献[6-8]所述，并且更接近于所能查到已知文献记录θ值的上限。这个结果意味着，在本研究中存在着其他季节性的相关参数增强了温度对氨氮去除率的影响。在FWS单元KV20的值（1.135和1.686 d-1）及潜流SSF单元KV20的值(1.939和2.682 d-1)均要高于文献所记录值，并且FWS单元KV20值低于潜流SSF单元，这可能因为整个系统作为一个串联工艺，后端单元的污染负荷低于前端单元，即使在相同去除量的情况下，污染负荷基数小去除速率则越大。
通常认为，较高的温度系数（θ值）可以代表随着温度的升高可提高氨氮的去除率。但是事实上，氨氮的去除率随着温度的升高而逐渐降低，这种说法是矛盾的，温度系数（θ值）并不是提高氨氮去除率的唯一相关参数，其他与季节性相关的参数也影响氨氮的去除率。
人工湿地内氨氮的污染负荷也是随季节性变化的，并且与水温成负相关。因为人工湿地的进水来自于永定河，在寒节氨氮的浓度随着流量的减少而增加，在暖季节正好出现与前者相反的状态，氨氮的去除率随着污染负荷的增大而增加，直到到达一个极点。
3.2 氨氮负荷率的影响
表2 与氨氮去除有关的温度动力学参数
Table.2 The kinetic parameters related to temperature for nutrient removal
在3#FWS与4#SSF单元氨氮的总去除率随着污染负荷率（MLR）的增加而达到一个峰值(图4)，在FWS单元里氨氮的最大稳定去除率(1.75g Nm-2d-1)是在负荷率为15g Nm-2d-1情况下达到的；在SSF单元里氨氮的最大稳定去除率(1.60g Nm-2d-1)是在负荷率为10g Nm-1d-1情况下达到的；但是在整个系统内部氨氮的去除百分比却是随着污染物负荷（MLR）的增大而逐渐降低的。
从图5可以看出氨氮的体积去除速率是随着氨氮负荷率的增加而逐渐降低的，为了消除温度对污染负荷（MLR）与去除速率常数关系的影响，通过温度校正后的KV20来取代KV值，来阐明真正的污染负荷率（MLR）对去除速率常数的影响（如图8）。其中KV20‘可以通过KV值除以θ（T-20）来求得，θ值选1.05，主要是因为θ=1.05是经过研究者们针对温度的影响而进行修正后并得到大家认可[9-11]。本研究中所得到的θ值通过多元线性回归也能很明显的反映污染负荷率（MLR）与去除速率KV的关系，污染负荷率（MLR）与校正后的去除速率KV20‘的也具有类似关系，KV20‘经过校正以后明显高于KV值（图6与图5相比）。在3#FWS单元（幂值-0.1784）污染负荷率（MLR）对KV20‘的影响程度要低于4#SSF单元（幂值-0.3559）。
图4 对氨氮去除率及去除效率随氨氮负荷率(MLR)的变化
Fig. 4The changes of AN mass removal rate and AN removal efficiency with the AN mass loading rate
图5 氨氮负荷率(MLR)与氨氮去除速率的关系
Fig. 5 The relationships between kV for AN removal and the AN mass loading rate (MLR)
图 6 校正后（θ=1.05）氨氮去除速率与氨氮负荷率(MLR) 的关系
Fig. 6 The relationships between temperature corrected kV (kV20′) based on θ=1.05 for AN removal and the AN mass loading rate (MLR)
氨氮的去除速率常数KV和KV20′与氨氮负荷率成幂函数负相关（KV和KV20′αMLR-n），氨氮负荷率对去除速率常数有一定的影响。然而当温度环境系数采用参考文献的θ=1.05校正以后，氨氮负荷率与去除速率常数的相关性在每个单元都有所下降，结果表明温度对去除速率常数的影响依旧存在，除了温度对较高的θ值有影响以外，污染负荷的主要因素之一。此外，氨氮的校正去除速率（KV20′αMLR-n）与负荷率的关系比（KVαMLR-n）更能真实反映负荷率对去除速率的影响。
4 结论
（1）通过计算，本研究的四个串联湿地系统单元去除速率常数KV20分别为1.135、1.939、1.686及2.682，且潜流湿地单元Kv20值高于自由表面流。通过温度系数（θ=1.05）校正以后，结果表明除氨氮负荷对去除速率有一定影响外，温度也是影响主要影响因素之一。
（2）本研究选择在恒定水力负荷条件下运行，主要目的是为了减少影响因素，因为一级动力学方程是描述负荷与处理效率之间的关系，并且假设系统处于稳态和推流，虽然一级动力学方程对考虑因素比较单一，但是对描述湿地运行处理状态还是有一定意义。研究通过人工湿地系统现场处理污染河水，对于几个因素同时变化的可能性，在今后的更加深入的试验研究中中应加以区分这些参数的影响。
（3）冬春季节河流水量小、污染重的季节最需要且有利于湿地净化，但温度会成为限制因素，考虑通过人工措施（比如大棚温室）适当提高湿地温度，可提高净化效率并缩小湿地规模。
参考文献
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作者简介：修海峰（1982-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，从事水资源与水污染控制技术研究。