固体碳源补给强化人工湿地脱氮研究

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人工湿地具有工艺简单、净化效果好、运行管理方便、投资省等优点,已经广泛应用于国内外污水处理,但是在处理低C/N污水时,反硝化过程中所需的碳源不足会影响人工湿地对污染物中氮的去除效果。针对人工湿地在处理低C/N污水时TN去除率低下的问题开展试验研究,力求通过投加碳源来强化人工湿地对TN的去除效果。选择湿地中常见的芦苇秸秆、芦苇枯叶、香蒲枯叶作为补充固体碳源,进行不同预处理方式植物碳源释放规律实验,采用扫描电子显微镜观察不同预处理植物碳源表面结构性状,分析其释放量、释放C/N比,并分析了氮、磷元素释放对水质造成的影响,筛选出可投加的最佳碳源形式及投加量;通过对不同预处理的芦苇秸秆、芦苇枯叶、香蒲枯叶模拟静态反硝化实验,分析不同预处理的植物碳源反硝化性能及脱氮稳定性;构建水平潜流人工湿地试验装置,将优选出的碳源添加到湿地中,研究外加植物固体碳源对人工湿地污染物去除效果的影响,分析人工湿地中添加碳源至不同C/N对TN去除效果的影响,提出固体碳源补给强化人工湿地总氮去除效果的策略。研究结果表明:(1)通过采用扫描电镜观察不同预处理方式下植物碳源的表面性状变化,可知经过碱泡、碱热处理的植物碳源表面结构破坏严重,纤维素出现断裂,使得植物碳源在后期能够更容易的释放碳源。(2)3种植物碳源经过简单处理、碱泡处理和碱热处理后其COD平均释放量分别为:芦苇秸秆28.80、30.40、35.91 mg/(L·d);芦苇枯叶30.39、31.24、39.17mg/(L·d);香蒲枯叶30.38、31.99、33.89 mg/(L·d)。TN平均释放量分别为:芦苇秸秆1.46、1.33、1.07 mg/(L·d);芦苇枯叶1.79、1.54、1.37 mg/(L·d);香蒲枯叶1.81、1.62、1.56 mg/(L·d)。碱热处理芦苇秸秆能够释放较多的碳源,较低的氮、磷,C/N较高,适宜作为人工湿地系统的反硝化作用碳源。(3)静态反硝化实验表明,添加碱热处理的芦苇秸秆能够持续强化系统的反硝化能力,在运行44d后NO3--N的平均去除率最高。碱泡、碱热处理的芦苇枯叶、香蒲枯叶在前期反硝化效果好,但长期脱氮效果不稳定。3种不同预处理下NO3--N的平均去除率分别为:芦苇秸秆19.45%、78.06%、85.65%;芦苇枯叶57.19%、58.63%、60.10%;香蒲枯叶35.36%、68.88%、70.20%。经过碱热处理的芦苇秸秆反硝化速率最高。3种不同预处理植物碳源作反硝化碳源和生物载体时具有稳定体系pH值的能力。碱泡、碱热处理的植物碳源出水NO2--N积累量显著低于简单处理的植物碳源。(4)在不显著提高系统出水COD浓度的前提下,添加碱热处理芦苇秸秆的碳源湿地较空白湿地TN去除率从23.12%提高到62.48%,TP去除率从25.32%提高到41.33%,添加碳源达到了同步强化脱氮除磷效果的目的。NO3--N去除率从16.57%提高到71.63%,碳源的添加有效地促进了人工湿地系统内微生物的反硝化作用,提高了湿地系统TN去除效果,NH4+-N去除率从48.44%提高到54.47%。(5)在湿地系统内添加碳源至C/N为5.5、7时可以显著提高湿地内的COD浓度,其出水COD浓度与投加碳源至C/N为4时相差不大,不会导致湿地系统出水COD浓度显著增加,说明人工湿地系统对COD具有较强的抗冲击能力。(6)在湿地系统内添加碳源至C/N=5.5时,既有利于硝化反应的发生,同时也能为反硝化反应提供足够的碳源,从而提高湿地系统TN去除率。湿地系统内C/N为5.5时,TN、NO3--N去除率最高分别为83.08%、95.47%。(7)随着湿地系统内C/N的提高,TP的去除率逐渐增加,表明湿地系统内C/N是影响TP去除效果的重要因素。
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