污水处理技术工艺

人工湿地脱氮技术分析

发布日期:2019-03-21 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

氮是引起水体富营养化的主要因素之一。水体脱氮对水环境保护具有重要意义。人工湿地作为一种高效节能的生态污水处理技术,能够承受较大的水力负荷和污染物负荷,特别适用于去除水体中的有机物、悬浮物、氮、磷等。是控制水环境中点源和非点源氮污染的有效技术。人工湿地的反硝化机理很多,包括植物吸收、基质吸附、氨挥发、硝化-反硝化等,其中硝化-反硝化作用被认为是最重要的反硝化过程。结果表明,硝化反硝化作用占≤的60%,占总氮去除率的86%(4)。

硝化反硝化过程中,硝化反应主要由湿地溶解氧水平控制,反硝化反应由碳源(5)的量控制。湿地结构有限,湿地溶解氧水平一般较低,抑制了好氧微生物和生化反应的活性,严重影响了人工湿地脱氮除磷的效果(6)。另外,目前许多城市污水的C/N比一般较小,难降解有机物占其中一定比例(7),不利于湿地脱氮的正常过程,也严重影响湿地(8)脱氮的效率。通过添加外源碳源,可以提高人工湿地的脱氮速率。然而,由于溶解氧的竞争,过量的碳源可能限制硝化的效率。如何保证硝化反硝化除氮机理,是提高湿地脱氮效率的关键。

在现有研究中,已有许多关于通过提高溶解氧水平和添加外源碳源来改善湿地脱氮效果的报道,但报道了人工湿地脱氮过程中溶解氧与碳源的耦合关系。报道很少,没有系统的总结。作者描述了溶解氧和碳源在人工湿地反硝化中的作用和主要来源,并讨论和分析了人工湿地反硝化过程中溶解氧与碳源的耦合关系,同时保护了湿地硝化 - 反硝化。这一重要的脱硝机制的顺利进行提出了建议。

1。溶解氧和碳源的作用及其主要来源

1.1溶解氧和湿地反硝化

污水中的氮主要以有机氮和无机氮两种形式存在。废水进入人工湿地后,有机氮被氨化为无机氮,再经硝化反硝化进一步去除。硝化作用受床内溶解氧(DO)含量的影响很大。当湿地中DO的含量足以支持好氧硝化细菌的生长时,硝化作用可以顺利进行(9)。许多文献提到,只有当DO浓度超过1.5 mg/L(10)时,才会发生硝化作用;当DO浓度过低时,不仅降低了硝化速率和总反硝化速率,而且还积累了亚硝酸盐,而人工湿地系统中的氧气不仅被氮、磷等营养物质的降解消耗,还被有机物的降解消耗,在湿地系统的反硝化过程中,有限的DO含量变得更加有限。因此,湿地的氧环境关系到湿地的正常运行及其净化效果(11)。改善湿地供氧环境,提高湿地DO含量是提高湿地硝化反硝化效果的关键。

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人工湿地DO的主要来源是植物氧输送、大气复氧和水的更新与复氧(12)。大气复氧是湿地供氧的主要来源,对湿地系统的有效去污和正常运行具有重要意义。温度对人工湿地大气氧回收有重要影响(13)。标准压力下的饱和溶解氧浓度公式如下:

Os=14.54-0.39T+0.01T2

式中:Os - 饱和DO质量浓度,mg / L;

T——温度,℃。

人工湿地系统中水的再生和复氧特性是每次更新都会将溶解氧(DO14)带入所有进水中。植物供氧的特点是植物可以通过气道将光合氧输送到根区,在根区附近形成好氧、厌氧和缺氧的根区微环境,为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供适宜的生存环境,发挥其作用。角色。其中,植物供氧和大气复氧是人工湿地天然供氧的主要途径。由于湿地结构的不同,其主要获取氧气的途径也不同。对于面流人工湿地,大气复氧可以直接通过水体表面进行。对于地下人工湿地,由于污水流量和基质的阻碍,大气复氧只能提供非常有限的含氧量。植物氧转移是地下人工湿地溶解氧的主要来源。与水平潜流人工湿地相比,垂直流人工湿地具有独特的结构设计和水力流态,更有利于湿地内部供氧,创造更好的氧气环境[11]。考虑到垂直流人工湿地具有较好的硝化能力,水平潜流人工湿地具有较好的反硝化能力,两种人工湿地技术的结合已成为提高湿地氮污染去除效率的有效途径。但是,大气复氧和植物氧转移不能满足污水中各种污染物的生化需氧量要求,进一步导致湿地溶解氧不足,无法有效去除各种污染物,严重影响了湿地的脱氮除污效果。为了提高人工湿地中各种污染物的去除效率,人工曝气技术逐步应用于人工湿地,包括改善湿地工艺设计和进水方式、自动曝气、预曝气进水、铺设曝气管道等[15]合理的应用。各种曝气技术的应用对提高湿地的溶解氧水平和脱氮效率具有重要作用。

1.2湿地的碳源和脱氮

根据反硝化原理,反硝化过程是在反硝化细菌的作用下,NO3-被还原为N2或N2O,反硝化细菌可以利用碳源作为电子供体来脱氮。因此,碳源对湿地的反硝化和反硝化有很大的影响(16,17)。

人工湿地的碳源主要包括进入湿地的污水中的碳源、内部碳源和外部碳源。湿地内碳源主要包括微生物分解或植物根系分泌产生的有机质,植物凋落物分解产生的有机质和沉积在基质中的有机质。添加的碳源包括糖(葡萄糖、蔗糖、果糖等)。和液态碳源(甲醇、乙酸等),它们是易生物降解的传统碳源(18)、天然植物材料(植物秸秆、农业废弃物等)。新碳源(19)以植物枯叶和天然有机物(报纸、棉花、稻壳等)为主。

当碳水化合物源和液态碳源作为碳源添加时,成本高,并且处理过程的操作成本也增加,并且有机碳源如甲醇和乙酸具有一定的毒性,这进一步阻碍他们的发展和使用。为了进一步降低水体反硝化成本,一些新的碳源,如天然植物材料和天然有机材料,来源充足,材料方便,成本低,受到越来越多的关注[20]。研究表明,[21]是以天然植物材料为代表的新型碳源,富含纤维素物质,能有效解决人工湿地利用低碳氮处理污水时氮素去除效率低的问题。

反硝化过程中溶解氧与碳源耦合关系分析

在湿地的硝化和反硝化过程中,硝化只将nh 4++-n转化为no 3-n,不从根本上去除水体中的氮。反硝化是将NO3-n转化为n2或n2o,最终将水体中的氮转化为气态的氮逸出系统。因此,反硝化通常被认为是控制湿地脱氮的一个限制因素。有机碳源是反硝化的主要电子供体,碳源的短缺是制约反硝化的关键因素。增加碳源增加了水体中的碳和氮比例,为微生物脱氮提供了足够的电子供体。因此,提高进水量的碳氮比被认为是提高湿地反硝化和反硝化效果的有效途径。然而,随着碳和氮比例的增加,碳源与nh 4++-n竞争,在硝化阶段消耗溶解氧,导致nh 4++-n由于缺乏足够的溶解氧而无法有效的移除和转化。"陈庆昌"等研究也发现,碳和氮的比例越大,人工湿地系统对nh 4+-n的去除效果越差,碳和氮比例的增加抑制了湿地的硝化。从而抑制了nh 4++-n的有效转化,nh 4++-n的去除率随碳氮比的增加而降低。因此,合理调整湿地水中的碳氮比是提高湿地除氮效率的关键。

易丁等人(4)湿地系统进水中检测到的DO在3.8~4.7 mg/L之间,而出水中检测到的DO仅为0.5±1.7 mg/L。DO主要通过好氧呼吸和化学好氧过程消耗。考虑到部分DO在有机物氧化过程中可能被消耗,可供硝化的氧含量较为有限。随着碳氮比的增加,DO含量降低,NH4 ++ - N的去除率随碳氮比的增加而降低。认为6.0的C/N比是最合适的进水C/N比,此时总氮的平均去除率达到51%。甚至小莹等研究发现,当潜置人工湿地的摄取碳和氮比例由2.0上升至6.0,总除氮效率由45上升至70;当摄取碳与氮的比率由6.0上升至14.0时,总氮的去除效率只由70上升至85,增幅相对较小。潜流人工湿地对总氮的去除效率随NH4+-N/TN的增加而降低,随NO3-N/TN的增加而增加。碳氮比为6.0,是湿地有机物浓度成为氮去除的限制因子的临界点。因此,它也被认为是进水中碳氮的最佳配比。陈庆昌等[17]发现,碳氮比为7.1~8.1是最适合系统脱氮的进水碳氮比。贾文林等[23]研究发现,随着碳氮比的增加,TN的去除率逐渐增加。当碳氮比为5时,TN的去除率可达63.8%。当碳氮比大于5时,TN去除率变化不大。nh 4++-n去除率随碳氮比的增加而降低。碳、氮含量越高,反硝化过程越彻底,NO3-N的去除越彻底。因此,C/N比为5.0是去除氮最适宜的进水C/N比。通过合理调节进水碳氮比,不仅可以提高系统的脱氮效率,而且可以降低系统脱氮的成本[21]。以往研究表明,进水C/N比为5.0~8.0是充分发挥人工湿地硝化反硝化效果的最佳进水范围。

3 结论

氧的溶解和碳源是影响人工湿地硝化反硝化和反硝化的两个关键因素。其中硝化主要受湿地溶氧水平的影响,反硝化则受碳供给量的影响。脱氮主要依靠微生物脱氮转化为气体逸出系统。因此,在总氮浓度相同的情况下,摄入物中有机物浓度的增加有利于反硝化的顺利进行。然而,随着碳和氮比例的增加,碳源与nh 4++-n竞争,在硝化阶段消耗溶解氧,导致nh 4++-n由于缺乏足够的溶解氧而无法有效的移除和转化。因此,合理调整湿地水中的碳氮比是提高湿地除氮效率的关键。通过调节碳与氮的比例,可以降低反硝化的成本。通过对人工湿地溶氧水平与碳源含量的耦合关系的定义和分析,确定了人工湿地水体中碳与氮的最佳配比。研究表明,最佳摄入量范围是5.0~8.0,以充分发挥人工湿地的硝化和反硝化作用。

人工湿地脱氮技术分析

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