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氮和细菌的去除在人工湿地处理生活废水的应用

摘要

本次研究旨在比较两种组合系统的性能：第一个组合系统由芦苇种植的垂直流床和种植有香蒲的水平流床组成。 第二个组合系统是一个未被植入的系统。每个垂直流动床被放置在水平流动床的上游间歇地流量为0.144m³，其对应于0.24m³/m²/天的液压施用率。

这些参数例如凯氏氮、氨和硝酸盐、亚硝酸盐、总氮和粪大肠菌群均在湿地系统的进出污水中被检测，由此得出相应的去除率。种植系统中的氮气去除效果大于未植入的系统，特别是氮气凯氏氮（27％和5％）和氮气氨（19％和6％）。而在种植系统中除去硝酸亚硝酸盐则少于未植入的（4和13％）。 然而，种植和未植入系统中的细菌的去除结果都相似。

关键词：水生植物；垂直流动；水平流动；氮的去除

1.介绍

生活污水的处理一直是许多专业文献的主题[1-3]。水生植物的利用如今正在成为一个可行的选择，特别是对于小型社区和孤立地区而言。该系统由于成本低、易于操作和维护，而具有较大的吸引力[4]。

当前，水污染以及水资源短缺已成为世界各国所面临的共同问题。近年来，由于社会经济的快速发展及人民生活水平的提高，工业废水和生活污水量与日俱增。大量未经处理的污水排入各类水体，引起水环境极度恶化，水生生态系统遭到破坏。生活污水的处理过程数量之众多，根据其流动类型（表面流，地下垂直流和地下水平流动），植物种类，系统概念（床的尺寸和数量）和底层（土壤或砾石）的结构不同而分类。人工湿地一般由人工基质和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲等）组成，形成基质——植物——微生物生态系统。基质除作为湿地的填料骨架和为微生物提供附着表面外，其吸附、离子交换等功能，也在人工湿地的污染物净化中发挥着重要作用。不同基质材料对不同污染物的吸附性能及微生物附着性能不同。芦苇是一种多年水生或湿生的高大禾草，生长在灌溉沟渠旁、河堤沼泽地等，世界各地均有生长。芦茎、芦根还可以用于造纸行业，以及生物制剂。香蒲多年生水生或沼生草本植物，根状茎乳白色，地上茎粗壮，向上渐细，叶片条形，叶鞘抱茎，雌雄花序紧密连接，果皮具长形褐色斑点。种子褐色，微弯。花果期5-8月。

过去几年，垂直和水平流动相结合的系统越来越受到人们关注，并自1990年以来得到越来越多的众人关注[5]。这个想法旨在将垂直流动的优点与水平流动的优点相结合。垂直式硝化反应器硝化能力非常高，而水平反硝化反应器即使在低C/N比下也显示出非常有效的反硝化作用[6]。然而，种植大型植物构建的湿地从废水中除去氮素的效率仍然是研究人员之间的争议问题。Rogers等人[7]和Farahbakhshazad等[8]在大型植物存在下发现水处理有所改善，如Tanneret等[9]没有发现种植和未植入系统之间的任何显着差异。湿地是地球上有着多功能的、富有生物多样性的生态系统，是人类重要的生存环境之一，与森林、海洋并称全球三大生态系统。湿地生态系统中生存着大量动植物，是珍贵的自然资源，具有不可替代的综合功能。湿地位于陆生生态系统和水生生态系统之间的过渡性地带，在土壤浸泡于水中的特定环境下，沼泽湿地就像是天然的过滤器，它有助于减缓水流的速度。当含有毒物和杂质（农药、生活污水和工业排放物）的流水经过湿地时，流速的减慢为湿地中的生物提供了充分反应的时间，有利于毒物和杂质的沉淀和排除。另外，湿地的生物多样性也为分解、净化水中的污染物提供了良好的条件，如氮、磷、钾及其他一些有机物质，通过复杂的物理、化学变化，可被生物体降解转化，或被生物体贮存起来，通过生物转移的途径脱离湿地，从而使流入的污水得到净化。

这项研究的目的是比较由芦苇种植的垂直流动床和香蒲种植的卧式床组成的组合系统，和从突尼斯的生活废水中去除氮和细菌的未植入联合系统的性能表现。

2.材料和方法

2.1.系统总体设计

组合种植系统由种植垂直流动批量的芦苇组成，形状为圆柱形，表面积为0.6平方米，废水通过管道，以每天四小时的排放周期进入罐体表面。水平布朗种植的横向流动批料是矩形的，表面积为1.2平方米，并从垂直批料的出口进给，如图1所示。一个月大的芦苇和香蒲在最初种植了8棵植物。支撑介质由底层的（25-40毫米）砾石组成，中层为12厘米，（2-4毫米）的砾石，（0.4-0.6毫米）的砂子为20厘米的顶层。组合未植入系统具有与种植系统中使用的相同的特征。

2.2.实验设计

实验从2003年2月至2003年8月进行。两种系统（种植和未植入）以相同的水力负荷率0.024 m³/j运行，有机装载量为208 kg COD/ha·d，COD约为524 mg/l，流速为6l/h。经处理和未处理的出水样品在与4个罐的入口和出口相对应的6个固定取样位置处收集（见图1）。在运送到实验室前，将样品储存在冰冷箱中，分析TKN、NH4 、NO3^-、NO2^-，根据法国标准联合会[10]进行总大肠菌群、粪大肠菌群和大肠杆菌的测数计量。

在实验结束时，分析植物样品（茎和根）以确定氮同化。砂砾样品被用来发现氮吸附作用。通过统计学分析，比较了种植系列和未种植系列的水分析结果，以评估植物和流动类型对处理效率的影响。

图1.试点规模构建湿地示意图。

（进水流量Q=24/天；泵废水进水；芦苇；香蒲；出口：处理水）

3.结果与讨论

在本次研究中，我们通过检查不同形式的氮气，研究了废水中氮的演变：NK、NH⁴ 、NO₂^-和NO₃^-平均浓度和去除量可以在下表中得出。

3.1.凯氏氮的去除

通过对种植和未种植系列出口的NK平均浓度比较显示，由方差分析测试，证明有显着性差异。种植和未植入系统出口的平均浓度分别为44和58 mg / l。植物的存在似乎对NK去除有影响。然而事实上，植物需要氮以使其新陈代谢生长繁殖。他们根据其吸收氮氨以将其并入其生物质。然而，植物分析显示，氮同化过低（1％），这无法说明种植和未植入系统出口的显着差异。Gersberg等人[11]表明植物同化不显著。在两个垂直床的出口处证实了该结果，其中方差分析测试显示浓度之间无显著差异。

在未移植的水平床中，观察到阴性去除（图2）。这可能归因于在氨态下浸出氮，或氨化速率超过硝化速率[12]。然而，媒介分析显示猜想展现了低氮浓度（0.5％），并且清楚地表明砾石不吸收氮。

通过微生物将无机氮重组为有机氮，也可以解释水平未移植床中的阴性去除。在水平种植床上，不同的处理（植物氨同化，硝化限于根部的氧输入和植物组织内储存的氮的恢复）的总和可以解释在 出苗种植和未移植的卧床。

表1. NK、NH⁴ 、NO₂^-和NO₃^-的平均浓度

3.2.氨的去除

方差分析测试显示种植和未植入系列出口的平均浓度之间有显着差异，约为19％和6％。植物和流动类​​型的综合作用似乎是这种差异的起源。此外，我们比较垂直种植和未植入系统的出口中的氨的平均浓度以及水平种植和未植入的排水口的平均氨浓度。方差分析试验可以表明，垂直床的出口氨浓度差异无统计学意义，假设植物氨同化及其在流域氧合作用中的作用与硝化过程相比较，这被认为是主要的氨去除过程。这个结果与Brix[13]和Reed[14]是一致的。而在另一方面，我们可以在水平种植组合床和未种植组合床的出口的氨浓度之间观察到清晰而又显著的差异，其值分别为38mg/l和44mg/l。在水平种植中，氨浓度从入口到出口保持不变（输入为37.72mg/l，产量为38.29mg/l），由这些数据我们假设硝化过程受到水流中低氧浓度的抑制。根系厌氧条件下，氧释放量太低，不能增强氨的氧化[4,13,15]。在同一系统中观察到的NK的去除，通过由自养细菌矿化的有机级分的降低来解释，所产生的低氨浓度可能被植物吸收。水平移植床出口NH⁴ 浓度的增加可能归因于植物的缺乏。高的NH ⁴ 浓度因为这种系统的缺氧条件发育从而抑制了硝化作用[16]。

图2.NK在不同床中的平均去除率（去除率%）

3.3硝酸盐和亚硝酸盐的去除

在水平流动床中，低氧浓度会造成硝化抑制的过程。我们从以往的一些经验中可以明显地知道，在湿润地带，水平流系统中的湿地氧合不足以具有良好的硝化作用和良好的除氮性能[17]。在两个垂直床（种植和未种植）中，出口处硝酸亚硝酸盐的平均浓度高于种植系统的入口（29和22 mg/l，对种植系统而言），（25和22 mg/l对非种植系统而言），这两者产生了一种负氧化氮的条件。硝酸盐和亚硝酸盐是这个水平的高硝化作用的结果（图3）。事实上，间歇性的废水供应可以使底层表面干燥一段时间，并可以实现支撑通气。因此，确定了硝酸盐和亚硝酸盐中氨的硝化作用。图。图3显示了这种流动中氧化氮的增加。证明在自然条件下，其中唯一稳定的形式是N₂和NH⁴ 的形式，其他形式例如硝酸盐和亚硝酸盐的存在，与其动力学原因有所关联[18]。在种植和未移植的水平流动床中，硝酸盐和亚硝酸盐的去除率分别为约27％和24％；测试不重要的3％的差异可能是由于植物吸收或植物枯枝落叶矿化所消耗的氧气；这产生更多的还原环境，因此更有利于脱氮。对于种植和未植入的系列，垂直和卧式床层之间的比较显示脱氮取决于流动类型。在这项研究中，硝酸盐的去除在水平方向发生，因为有利于脱氮的厌氧条件占主导地位。冈特[19]的研究表明，硝化作用是一个主要的限制因素，即使在水平流动系统中反硝化是完全反应完成的。

图3.氮素在种植系统和未种植系统中的变化进程

（浓度（mg/l）；抽样点；NK,NH4，N03-NO2）

3.4.细菌的去除

我们通过两种组合系列（种植和未种植）的比较结果，表明没有显著的差异。 细菌的去除量约为4个对数单位（表3），其结果与Rivera等人相符。[20]在砾石介质上研究可以发现，与土壤培养基中的细菌消除相比，种植和未植入的细菌消除系统之间没有显着差异。通过两个系列消除细菌（CT，CF和EC）是重要的，每个床的去除率约为90％（表4）。细菌去除牵涉可变机制，如物理（根系机械过滤），化学（杀生物剂分泌）Batcheloretal。[21]，这与植物的存在直接相关。 我们注意到生物过程如抗生素，线虫捕食，裂解细菌攻击和自然死亡也涉及细菌的去除[22]。

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