摘要
人工湿地作为一种低成本的生态污水处理技术已经广泛应用于污水厂尾水深度净化和黑臭水体的修复治理中。但是此类污染水体大多数都有高氮低碳的特性，致使反硝化过程的碳源不足，限制了人工湿地的脱氮效果。目前较为常用的外加碳源有小分子有机物、可生化性较好的回流污水/污泥以及植物生物质等，但是这些材料在实际工程应用中均有一定的限制条件。由于藻类细胞在死亡降解过程中会分解释放有机质，故本研究探讨将其作为人工湿地潜在碳源的可行性。 本文首先在实验室进行藻粉静态释放有机物的试验，发现藻细胞在裂解过程中释放大量的有机物，分解过程前期较快，符合指数函数规律；后期速率变慢趋于稳定可用线性函数拟合。碱性预处理因破坏藻细胞壁，使得胞内有机物更易溶出，会提升碳源和氮元素的释放速率以及累积释放量。无预处理藻粉在稳定时期累积释放的碳源含量是51.3mg?L-1，而经过碱性预处理的藻液累积释放量为106.8mg?L-1，是前者的2倍。此外，由于碳元素是藻类细胞壁所含纤维素的主要组成元素，较难分解，所以随着降解过程的进行，释放的C/N比值后期逐步升高。 之后，将藻粉和碱处理之后的藻液分别加入水平潜流人工湿地小试装置，通过比较两个试验组及对照组的净化效果可以发现，添加藻粉作为碳源的CW-B和碱处理藻液为外加碳源的CW-C相较于无外加碳源的CW-A系统的TN去除率分别提高11.7％和21.6％。结果表明，藻粉可作为外加碳源提升人工湿地系统的脱氮效果，而且经过碱性预处理的藻粉因藻细胞的细胞壁破裂，更易释放出有机碳源，因此更有利于TN的去除。不同氮形态的分析结果表明，CW-B和CW-C因藻类在死亡降解过程中产生的有机碳源会被湿地系统的反硝化菌吸收和利用，从而提升了系统的反硝化效果，因此对于硝氮的去除效果大幅提升；对三个系统的反硝化过程进行一级动力学模拟，得出CW-A、CW-B、CW-C的反硝化速率常数分别为0.1052，0.1807和0.3001。三个系统对于氨氮的平均去除率为CW-A＞CW-B＞CW-C，但是三者之间并无显著性差异。这是因为外加碳源一方面在释放有机物的同时会释放出一部分NH4+-N，另一方面，有机物的降解也会竞争消耗溶解氧而降低湿地系统的硝化作用，因此系统对于NH4+-N的去除效果变差。 最后，本研究选择水力停留时间和进水C/N两个因素，研究其对于湿地脱氮的影响。结果表明，湿地系统对NO3--N的去除率与水力停留时间符合对数函数关系。系统水力停留时间越长，系统内有机物水解的时间也就越长，可溶解碳源的释放越多，越有利用反硝化过程；不过，当水力停留时间增加到一定程度，虽然有更多的可利用碳源溶出，但与此同时，进水流速也降低，影响碳源被反硝化菌群利用的速度，致使NO3--N去除率的增长速度降低。此外，湿地系统对于NO3--N的去除效果和进水C/N呈正向的线性相关关系。系统内C/N过低，不足以为反硝化菌体提供充足的碳源，抑制了反硝化作用，从而导致了系统硝酸盐去除率下降。系统对NH4+-N的去除率与水力停留时间符合二次线性函数规律。随着停留时间的增长，人工湿地内微生物和污染物的接触越充分，越有利于微生物对NH4+-N的去除；但是当停留时间增加到某一峰值之后，水力停留时间过长会导致湿地系统内部缺氧，不利于硝化反应的发生。而且，人工湿地系统对于NH4+-N的去除率随C/N比的增加而降低。这是因为随着C/N比的上升，造成在硝化阶段，有机物与氨氮竞争消耗溶解氧，导致氨氮因缺乏足够的溶解氧而无法得到有效的去除和转化。 湿地系统对TN的去除和水力停留时间符合对数关系。水力负荷越小，污水的停留时间越长，TN的去除效率越高；但随着水力停留时间的增大，进入到湿地内部的有机物增多，致使湿地系统内部溶解氧含量不足，这有利于反硝化作用的同时却抑制了硝化作用，TN去除率随HRT延长而增加的速率有明显下降。此外，对于TN的去除效果与进水C/N同样符合对数关系。在进水有机物负荷较低的情况下，有机碳源的不足是抑制反硝化过程的关键因素，随着系统C/N的增加，TN的去除效率提高的较快；而当进水C/N持续增大后，提高的幅度相对较小，因为有机物含量此时并不是反硝化菌生长的限制因素，因此湿地系统的TN去除效率并不会因为有机物浓度的增大而大幅度的提高。
NETL