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人工沟湿地农村生活污水处理：进水流量比分布的影响
摘 要
人工湿地（CWs）是一种用于去除废水中污染物的可持续技术；然而，它们的总氮（TN）去除效率低仍然是一个紧迫的问题。人工沟湿地系统（CDWs）不同于人工湿地（CWs）的地方在于它是窄的和浅的。这项研究观察了CDWs在整个运行期间的性能，并调查了其TN去除率低的原因。为了提高TN的去除率，我们提出了一种方法，其中将进水分成具有不同进水流量比的两个部分。并行试验了四个系统，以检查进水流量比分布对有机物去除和氮转化的影响。在对四个实验性CDWs进行比较之后，认为1：2的流量比是最佳的。对照CDW（进水流量比3：0）在冬季的化学需氧量（COD）和TN的去除效率分别为91.15％和25.87％，而性能最佳的CDW（进水流量比为1：2）的去除效率分别为91.59％和50.40％。在分析氮素转化的基础上，建立了四个污水处理厂污水中总氮和硝态氮浓度的模型。
关键词 人工沟湿地进水分布；除氮；有机物去除
Rural domestic wastewater treatment in constructed ditch wetlands:Effects of influent flow ratio distribution
Abstract
Constructed wetlands (CWs) are a sustainable technology used to remove pollutants from wastewater;however, their low total nitrogen (TN) removal efficiency remains a pressing issue. Constructed ditch wetland systems (CDWs) differ from CWs in being narrow and shallow. This study observed the performance of CDWs throughout their operational period and investigated the causes of their low TN removal rates. To enhance TN removal, we propose an approach where the inflow is divided into two parts with different influent flow ratios. Four systems were trialed in parallel to examine the effects of the influent flow ratio distribution on organics removal and nitrogen transformation. A flow ratio of 1:2 was considered optimal following comparison of the four experimental CDWs. The removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD) and TN in the control CDW(influent flow ratio 3:0) during winter were 91.15% and 25.87%, respectively, whereas the removal efficiencies of the best-performing CDW (influent flow ratio 1:2) were 91.59% and 50.40%, respectively. Based on an analysis of nitrogen transformation, a model of effluent TN and nitrate nitrogen concentration in the four CDWs was constructed.
Keywords Constructed ditch wetlands domestic wastewater influent distribution;
Nitrogen removal;Organics removal
目 录
第一章 介绍
农村生活污水与城市污水具有不同的特征；特别是它的污染物浓度较低。此外，它始终分布广泛，多达90％的未经处理的废水被不加选择地直接排放到附近的表面（Chen and Yao，2015)。随着时间的流逝，这会导致地下水受到污染，从而危害公共卫生和农村居民的健康。
近年来，中国在农村地区建立了许多污水处理厂。处理方法和设施包括厌氧处理，氧化罐，生物膜反应器和乡村使用的工程土壤处理（Deng and Wheatley，2016)。但是，所有这些处理都需要污水收集器，由于其经济地位低和地形崎岖，很难在农村地区建造污水收集器。
人工湿地（CWs）被认为是一种有效且低成本的处理系统，可通过使用有机材料和养分来减少生活污水中化学物质和生物的水平（Nivala等人，2019)。氮是农村生活污水中的主要污染物，主要以铵态氮和有机氮的形式存在，可能导致接收水体富营养化。连续式污水处理厂有很多脱氮途径。例如，经典的硝化反硝化，生物量同化，硝酸盐异化还原，植物吸收，氨气挥发，吸附，部分硝化-反硝化和厌氧氨氧化（Lee等，2009)。通常，与传统的硝化-反硝化相比，部分硝化-反硝化和厌氧氨氧化法具有更多的优势。但是，后一种方法需要更严格的条件，例如pH值和温度，由于缺乏管理资源，在农村地区很难达到这些条件。因此，许多研究已经研究了增强传统硝化-反硝化性能的方法。水平流人工湿地（HFCWs）为反硝化提供了合适的缺氧或厌氧条件，但通常溶解氧不足以促进硝化作用（Vymazal，2013)有氧降解有机碳、有机氮需要氧作为最终的电子受体（Garciacute;a等人，2010)。因此，在没有额外氧气供应的情况下，HFCWs中的氨去除率为0-20％。张等人（2014年）报告指出，就大多数人工湿地而言，从总悬浮固体（93.82％），化学需氧量（COD）（85.65％）和总氮（TN）（66.88％）的角度来看，氮的去除率低于有机物和固体的去除率。因此，HFCWs总是需要重新处理，以确保农村生活废水能够进行硝化。同时，是废水中N的主要形式，和HFCWs曝气过程中消耗的大部分有机物。
反硝化是人工湿地去除TN的主要机制（Bachand and Horne，1999；Chung等，2008；Matheson and Sukias，2010)。许多研究表明，单级人工湿地由于无法同时为有机碳提供硝化和反硝化条件，以至于正在进行的反硝化肯定不足。因此无法高效去除TN（Li等，2014;Liu等，2013;Saeed等，2018;Vymazal，2007年，2010年），因此，业已证明，添加外部碳是提高人工湿地反硝化效率的有效方法（Ding等人，2012;Ingersoll和Baker，1998；Lu等，2009;Wen等，2010)。但是，为了实现持续高效的反硝化，所需的碳和管理资源投资增加了系统的复杂性和成本（Rustige and Nolde, 2007)。同时，由于其水溶性，通常会丢失容易被微生物吸收并需要连续添加的低分子碳水化合物（Meng等，2014)。同时，必须注意，最佳C/N比在不同系统之间有所不同，很难为实现更高的反硝化率设定参考值，因为这些值取决于湿地构造，废水特性和植物材料的类型（Saeed and Sun，2012)。
人工沟湿地系统（CDWs）是根据常规排水沟开发的，传统排水沟是雨水和农村生活污水的主要收集渠道（Heistad等人，2006)。与CWs一样，CDWs由排水通道，基质，当地水生植物和流量控制设施组成。系统的每个部分都会影响最终的污染物去除效率。特别是，由于其强大的污染物吸收能力，基质是此类系统的核心区域（Aguedal等，2019，2017;Ait Mahamed等，2017;Bensalah等人，2018），因为它为微生物提供了栖息地。与CWs不同，CDWs既窄又浅。CDWs的形状就像是生态沟渠，用于农田的面源污染，目前正在仔细研究最佳管理措施以减少养分（Chen等，2015)。总而言之，CDWs是具有空沟和地下构造的湿地模式的综合单元，其设置是为了验证农村生活污水处理系统中有机物和脱氮的性能。即使CWs表现出有限的降低氮含量的能力，去除效率lt;50％（Verhoeven和Meuleman，1999年），但CDWs除氮能力却很少被观察到，值得进一步研究。
本研究探讨了集中式进水 CDWs 的性能和缺点，并提出了一种简单实用的分散式进水农村生活污水处理方法。由于其沟渠结构，CDWs 通过不同沟渠区的化粪池收集分散的农村生活污水。相应地，有机碳输入被重新分配，导致不同的碳和氮去除效率。有机碳在系统的前部区域排出。在这种情况下，分散的流入可通过提供更多的碳源用于反硝化作用来提高CDWs 的TN去除效率。为了支持这一假设并确认CDWs的效率，以下是两个具体追求目标：（1）评估分布式入水对 CDWs中氮净化过程的影响；（2）沿水流方向判别氮去除途径，以建立四个不同的进水流量比的CDWs的TN浓度的模型。
第二章 材料和方法
2.1实验性人工沟湿地
实验在四个实验室级别的水平地下流（HSSF）人工沟湿地（CDW1-4）中进行，这些湿地利用聚氯乙烯制成，工作容积为 130 L（长 x 宽 x 高=130 cm x 20 cm x 50 cm ;图1).每个 CDWs 包括两个入口区域，两个矩阵区域和一个出口区域，用于模拟分散式流入。第一入口区域（入口 A）配备了由细小气泡曝气管组成的曝气系统（图1），而第二个入口区域（入口 B）接收的废水没有曝气。入口 A 通过入口 B 的进水流量比和采样点的设置如图所示表格1，水流方向如图图1.
图1 改进的水平地下流人工沟湿地剖视图
表1 人工沟湿地的进水设计参数
|
CDW |
入口 A：入口 B （流量比） |
输入值 |
中间样品 |
输出量 |
|||
|
样品 1 |
样品 2 |
样品 3 |
|||||
|
CDW1 |
3:0 |
I1 |
S1 |
S2 |
S3 |
O1 |
|
|
CDW2 |
2:1 |
I2 |
S4 |
S5 |
S6 |
O2 |
|
|
CDW3 |
1:1 |
I3 |
S7 |
S8 |
S9 |
O3 |
|
|
lt;
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