（环境工程专业论文）不同固体碳源人工湿地系统氮素迁移转化模拟试验研究.pdf

不同固体碳源人工湿地系统氮素迁移转化 模拟试验研究 摘要 近年来，由于受到众多不当人为活动的影响，地下水硝酸盐污染已经成为 世界性的环境问题。生物反硝化脱氮过程是目前控制地下水硝酸盐污染较为有 效的途径，但该过程同时受到多种环境因素的影响，其中选择何种碳源以及如 何控制其用量就是限制因素之一。同时发现，人工湿地反硝化脱氮效果还受到 水力停留时间以及污染负荷的影响。 本文首先利用砂柱试验在稻草和芦苇秸秆两种固体碳源中选择出较为有利 的一种，其后构建人工湿地模型，了解该模型内部水流特性，并将砂柱试验碳 源选择结果应用于人工湿地模型，研究该模型在不同水力负荷以及不同污染负 荷下的脱氮效果。得到主要结论如下： ( 1 ) 芦苇反应器出水氮素含量较低、出水色度较小、以及碳源降解更慢， 更为适合反硝化脱氮过程。 ( 2 ) 构建人工湿地模型，通过示踪剂试验掌握模型内部水流特性，结果发 现在水力负荷分别为10 6 5 6 l d 、5 3 2 8 l d 、2 6 6 4 l d o 时，平均水力停留时间 分别为3 0 3 6 h 、6 5 2 2 h 、2 0 3 6 1 h ；平均水力停留时间方差为0 1 1 、0 3 6 、0 0 8 ： 结果显示在水力负荷为5 3 2 8 l d 。1 时水体混合度最高，水力负荷为2 6 6 4 l d 。1 时 水体越接近推流状态，但其停留时间太长，不利于实际应用。 ( 3 ) 在水力负荷为1 0 6 5 6 l d 1 时，少量区域处于短流状态；出水口附近存在 一个自下而上的垂直流：沿水流方向，取样点电导率峰值有递减趋势。水力负 荷为5 3 2 8 l d 以时，也存在一定的短流现象；同样发现出水口附近有自下而上的 水流存在。水力负荷为2 6 6 4 l d o 时，出现大面积的水流短路现象，水流仅直接 从碳源层中一个取样点通过；其中各点电导率峰值较前两组实验结果均下降。 ( 4 ) 以芦苇为碳源，比较不同水力负荷下该模型除氮效率，以此模拟自然湿 地在丰、枯水期对氮素去除效果。结果显示：在进水硝态氮浓度为5 0 m g l ， 水力负荷分别为1 0 6 5 6 l d 、5 3 2 8 l d 、2 6 6 4 l d 。1 时，硝态氮去除率分别为4 0 、 7 6 3 l 、7 6 3 6 。 ( 5 ) 在进水硝态氮浓度为5 0 m g l ，水力负荷分别为1 0 6 5 6 l d 、5 3 2 8 l d 、 2 6 6 4 l d 1 时，亚硝态氮积累量分别为2 o o m g l 。左右、 2 0 5 m g l 一、 1 o o 1 4 m g l 。在该模型中的第一层，其亚硝态氮含量均低于后两层，但多数 情况下，第二层也就是碳源层下的基质层中亚硝态氮含量有所增加，说明该层 受到上部碳源的 补给，反硝化作用较好。 ( 6 ) 在进水硝态氮浓度为5 0 m g l 一，水力负荷分别为1 0 6 5 6 l d 、5 3 2 8 l d 、 2 6 6 4 l d 以时，氨氮积累量分别为 1 0 6 m g l 一、 4 0 1 m g l 一、 3 0 5 m g l 。三个不 同的水力负荷下，第一层中的氨氮含量均比后两层高，因为该层含氧量较高， 容易发生有机氮矿化作用。 ( 7 ) 多数情况下，h c 0 3 - 含量会随着n 0 3 含量的降低而有所上升；反硝化虽 然是厌氧反应，但实验结果表明d o 含量过高或过低都会引起n 0 2 - 的积累；但 n h 4 + - n 含量的上升伴随着水体p h 值的上升。 关键词：固体碳源水力停留时间硝态氮生物反硝化模拟试验 e x p e r i m e n t a ls t ud yo nn i t r a t em i g r a t i o na n d “ f o r m a t i o lruleslr a n s t o r m a t i o nr u l e si nco n s t r u c t e dw e t l a n dw i t h d i f f e r e n ts o l i dc a r b o ns o u r c e a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，d u et om a n yi n a p p r o p r i a t eh u m a na c t i v i t i e s ，t h en i t r a t ep o l l u t i o n i ng r o u n d w a t e rh a sb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e mi nw o r l d w i d e a tp r e c e n t ，t h em o r e e f f e c t i v ew a yo fc o n t r o ln i t r a t ep o l l u t i o ni s b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n ，b u tt h i s p r o c e s sw a se f f e c t t e db ym a n ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r s i nw h i c h ，h o wt oc h o o s e c a r b o ns o u r c et y p ea n dt h ea m o u n tu s ew a so n eo ft h el i m i t i n gf a c t o r s m e a n w h i l e ， d e n i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t e dw e t l a n dw a se f f e c t t e db yh y d r a u l i cl o a d i n g a n dp o l l u t i o nl o a d i n g i nt h i sp a p e r ，b ym e a n so f s a n dc o l u m ne x p e r i m e n t ，c h o o s et h em o r ee f f e c t i c e c a r b o ns o u r c ef o rd e n i t r i f i c a t i o nf r o mr i c es t r a wa n dr e e dm a r s h ，t h e nc o n s t r u c t c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，f i n di t sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，f u r t h e r ，a d dt h er e s u l to fs a n d c o l u m ne x p e r i m e n tt ot h ew e t l a n dm o d e l ，s t u d yt h en i t r a t er e m o v a le f f i c i e n c yo f t h em o d e lu n d e rd i f f e r e n th y d r a u l i cl o a d i n ga n dp o l l u t i o nl o a d i n g t h e ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ： ( 1 ) n i t r a t ei ne f f l u e n to fr e e dr e a c t o rw a sl o w e r ，i t sc o l o rw a sl e s s ，a n dr e e d m a r s hd e g r a d e dm o r es l o w l y , s oc o n s i d e r e di tw a sm o r es u i t a b l ef o rd e n i t r i f i c a t i o n ( 2 ) b u i l dc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，f i r s tt om a s t e rt h ef l o wc h a r a c t e r i c t i c si nt h e w e t l a n db yt r a c e re x p e r i m e n t ，f o u n dt h a t ：a v e r a g eh r tw a sr e s p e c t i v e l y3 0 3 6 h 、 6 5 2 2 h 、2 0 3 6 1 hw h e nh y d r a u l i cl o a d i n gw a s r e s p e c t i v e l y1 0 6 5 6 l d 、5 3 2 8 l d 、 2 6 6 4 l d 一，t h es z c o r r e s p o n d i n gw a s0 1 1 、o 3 6 、0 0 8 s ow h e nh y d r a u l i cl o a d i n g w a s5 3 2 8 l d ，t h ef l o wm i x e dm o s t ；w h e nh y d r a u l i cl o a d i n gw a s2 6 6 4 l d ，t h e f l o ww a sc l o s e rt op l u gf l o w ，b u ti t sh r tw a st o ol o n gt op r a c t i c a la p p l i c a t i o n ( 3 ) w h e nh y d r a u l i cl o a d i n gw a s10 6 5 6 l d ，af e wo fs a m p l ep o i n t ss e ti ns h o r t f l o wa r e a ，a n dt h e r em a yb eav e r t i c a lf l o wf r o mb e l o wn e a rt h eo u t l e t ；a l o n gw i t h t h ef l o w ，t h ec o n d u c t i v i t yv a l u eo fe v e r ys a m p l ep o i n td e c r e a s e w h e nh y d r a u l i c l o a d i n gw a s5 3 2 8 l d ，o n l yo n ep o i n ts e ti ns h o r tf l o wa r e a ；t h es a m ea sf o r m e r , t h e r em a yb eav e r t i c a lf l o wf r o mb e l o wn e a rt h eo u t l e t w h e nh y d r a u l i cl o a d i n g w a s1 0 6 5 6 l d ，m o r ea r e as e ti ns h o r tf l o wa r e a ，t h ef l o wo n l yf l o w i n g t h r o u g ho n e o ft h es a m p l ep o i n t si nc a r b o nl a y e r t h ec o n d u c t i v i t yp e a kv a l u eo fe v e r ys a m p l e p o i n tw a sd e c r e a s eb yt h eh y d r a u l i cl o a d i n gi n c r e a s e ( 4 ) a d dr e e dm a r s hi n t h ew e t l a n da sc a r b o ns o u r c eo fd e n i t r i f i c a t i o n ， c o m p a r e d t h ed e n i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi nd i f f e r e n th y d r a u l i cl o a d i n g ，s i m u l a t i n g n a t u r ew e t l a n dd e n i t r i f i c a t i o ne f 五c i e n c ui nw e ta n dd r ys e a s o nb yt h i s w h e n h y d r a y l i cl o a d i n gw a s1 0 6 5 6 l d ，5 3 2 8 l d 一，2 6 6 4 l d ，n i t r o g e nr e m o c a lr a t ew a s 4 1 1 3 ，7 6 3 1 ，6 7 7 8 ( 5 ) w h e nn i t r a t ec o n c e n t r a t i o nw a s5 0 m g l ，h y d r a u l i cl o a d i n gw a s10 6 5 6 l d ， 5 3 2 8 l d 。1 ，2 6 6 4 l d 。1 ，n i t r i t ea c c u m u l a t i o nw a sa b o u t2 m g l 。1 ， 2 m g l 1 a n d 1 4 m g l 一i nt h i sm o d e l ，n i t r i t ec o n c e n t r a t i o no ft h ef i r e sl a y e rw a sl o w e rt h a nt h e o t h e r1 a y e r s b u ti nm o s tc a s e n i t r i t ec o n c e n t r a t i o no ft h es e c o n dl a y e rw a s i n c r e a s e ，t h i ss u g g e s tt h a tt h i sl a y e rw a sr e c h a r g eb yt h ef i r s tl a y e r ( 6 ) w h e nn i t r a t e c o n c e n t r a t i o nw a s50 m g l ，h y d r a u l i cl o a d i n gw a s 1 0 6 5 6 l d 1 ，5 3 2 8 l d 1 ，2 6 6 4 l d 。1 ，a m m o n i an i t r o g e na c c u m u l a t i o nw a s 1 0 6 m g l 。1 ， 一pull口凹coo o 筋加垢加i。 一l 一 1 0 0 0 、8 0 0 黄6 0 0 丑粼 0 n o t 毛 旨 q 1 2 0 0 8 0 ( ) 4 0 0 o 1 ( ) 0 0 8 0 ( ) 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 1 0 0 ( ) 8 0 0 。i6 0 0 4 0 0 2 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 寸i 8 0 0 4 0 0 o 1 0 0 0 8 0 0 斜 6 0 0 由4 0 0 2 0 0 0 h i 寸 嚣 1 6 0 0 1 2 0 0 。i 8 0 0 。4 0 0 o 05 0 01 0 0 01 5 0 0 t i n r g m i n 图3 - 2 2 水力负荷为1 0 6 5 6 l d j 时各取样点电导率变化图( 二) 们、l mjl-_bap一一poj口鼬coo 1 2 0 0 1 0 0 0 n 8 0 0 南 黜 2 0 0 8 0 0 v - - 4 6 0 0 i4 0 0 2 0 0 1 2 0 0 叩1 0 8 0 0 0 0 氏6 0 ( ) 4 0 0 2 0 0 】6 0 0 n1 2 0 0 山8 0 0 4 0 0 0 1 6 0 0 h1 2 0 0 8 0 0 n 4 0 ( 、 0 1 2 0 0 8 0 0 土4 0 0 0 甲 裟 一8 0 0 4 0 0 o 2 0 0 0 h 1 5 0 0 上1 0 0 0 5 0 0 o 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0l0 0 0 0 t i m e r a i n 图3 2 3 水力负荷为5 3 2 8 l d j 时各取样点电导率变化图( 二) 3 1 一一；旨ujv 03一曲hph净hp03口ou * 丑 u 0 e q 、 h 旧 i 宦 u 1 0 0 0 h 8 0 0 i6 0 0 l 1 0 4 0 0 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 c 0 6 0 0 i寸4 0 0 2 0 0 n i 吲 _ 一 甘 a i 7 0 0 6 0 ( j 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 2 0 0 04 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 010 0 0 0 t i m e m i n 图3 2 3 水力负荷为5 3 2 8 l d 。时各取样点电导率变化图( 二) 3 2 o 0 0 o d 0 0 0 0 0 0 0 o 踟加 姒踟印约 踟们加 =31-瞄净hp一一p03口陇ou 3 v - 4 c 口 4 0 0 甲i 8 8 a 2 5 0 2 0 0 1 5 0 2 2 0 2 1 0 i 2 0 0 a 1 9 0 1 8 0 、 1 6 0 0 01 2 0 0 乏山8 0 0 v 7 - 44 0 0 七 。 磊 1 6 0 0 囊叩1 2 0 0 ul o 一8 0 0 4 0 0 1 6 0 0 e a 1 2 0 0 上8 0 0 4 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 ( ) 5 0 0 0 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 010 0 0 0 t i m e r a i n 1 5 3 2 4 水力负荷为2 6 6 4 l d 。时各取样点电导率变化图( 一) 3 3 溯瓤绷戮 ljl 1， n o n n ，n 一一，吕。j一 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 3 2 0 2 8 0 2 4 0 2 0 0 1 6 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 010 0 0 0 t i m e r a i n 图3 - 2 4 水力负荷为2 6 6 4 l d 。时各取样点电导率变化图( 二) 长语 l n l 吩 一i 崎 i 吲 n l 吲 一一昌q；v3【两ap州州pq3屯oo h i 叫 表7 不同水力负荷下各取样点电导率峰值浓度及峰值出现时刻表注：( ) 为峰值出现时刻，r a i n 3 3不同水力负荷对硝酸盐反硝化作用的影响 该组试验目的在于模拟自然情况下，湿地处于丰、枯水期不同水力负荷下， 湿地对硝酸盐污染的去除效果，试验结果对调节不同时期湿地脱氮功能参数有 一定参考。每日配水过程中，n 0 3 - - n 浓度为5 0 m g l ，n p 为5 ：l ，进水中无外 加碳源，水力负荷分别为1 0 6 5 6l d 、5 3 2 8l d 、2 6 6 4l d 一。 3 3 1水力负荷为10 6 5 6l d 。1 时试验结果 3 3 1 1硝态氮浓度变化情况 ( 1 ) 进出水硝态氮浓度变化趋势 该组实验中，模拟污水的硝态氮浓度为5 0 m g l 一，实际水力停留时间为 3 0 3 6 h ，检测时间为7 天，图3 3 1 1 为进一出水中硝态氮浓度变化趋势图。图 中结果显示，由于进水中未添加碳源物质，硝态氮浓度基本稳定，出水硝态氮 浓度在第二天时急剧上升，这是由于污水水流在此时才到达出水口引起的；之 后五天基本保持平衡状态，在2 9 m g l 。1 附近徘徊。在水力负荷为1 0 6 5 6l d 。时， 硝态氮降解率为4 0 。 o2468 图3 - 3 1 1 水力负荷为1 0 6 5 6l d q 时进一出水中硝态氦含量变化图 ( 2 ) 人工湿地模型中各点硝态氮浓度变化趋势 在水力负荷为10 6 5 6l d 。时，不同基质层中硝态氮浓度变化如图3 3 1 2 所示。在第一层中，2 1 点虽然是碳源层，但硝态氮浓度仍处于4 0 m g l 。1 以上， 一方面是由于污水初始浓度高，另一方面也许是因为该点处于兼氧状态，存在 硝化作用产生的硝态氮，其次该点由于d o 的存在，引起有机氮氨化作用发生， 导致氨氮含量较高，对反硝化脱氮存在一定的抑制作用；4 1 和5 1 处硝态氮浓 度较低，而3 1 处硝态氮浓度明显低于前二者。第二层中1 2 处硝态氮浓度一 直高于该层的其他各点，这是因为该点处于碳源之外，由此可见碳源对反硝化 作用的至关重要性；2 2 、3 2 中硝态氮含量均递减，然而4 2 、5 2 处硝态氮浓 度较3 2 却有所上升，这可能是因为5 2 处于碳源层之外，碳源量不足。第三 层中随水流方向，硝态氮浓度递减。 由于不同基质层处于该人工湿地的位置不同，由此引起各层碳源含量分布 不同以及d o 含量不同，从而对硝态氮的降解情况也不尽相同。图3 3 1 2 同时 显示出各取样点垂直方向上一一不同基质层之间硝态氮浓度对比图。2 3 点， 即碎石层硝态氮浓度高于第二层细砂层，低于第一层有机碳层，造成这种现象 的原因有两种可能：1 ) 第三层是碎石层，其水力渗透能力强，此处的污水水力 停留时间短，从而对硝态氮降解率小；2 ) 第三层可利用碳源不如第二层丰富， 而第一层由于硝化作用产硝酸盐，或氨化作用产生的氨氮影响反硝化进行。3 号点第一层中硝态氮含量低于第三层，这这是因为根据三号点第一层中取样点 的示踪剂实验表明该点基本位于短流状态。4 、5 号点第二层硝态氮含量位于第 二层与第一层之间，因为4 、5 号取样点上部均有一定深度水体覆盖，厌氧状态 较为完善，有利于反硝化进行，其中5 号点硝态氮含量较4 号点变化较小，可 能是由于碳源含量不同造成的，也可能是由于水流方向混乱造成的。 o 0 o o o o 0 6 5 4 3 2 1 毫m，n-noz 佣 删 j 啊 忍 翻 一棚 j l | _ ：1 一删 副磊 一7 7 萨瑙羹 。一 1 一j 夕1第一 - i i 。幽w 彤盔# ，j氖t m 纪。r ? z 4 # 口* ? 一1 2345 取样点 图3 - 3 1 2 水力负荷为1 0 6 5 6l d 1 时人工湿地中各取样点硝态氮含量分布图 3 3 1 2人工湿地中亚硝态氮浓度变化情况 ( 1 ) 进出水亚硝态氮浓度变化趋势 亚硝态氮是反硝化过程的一个中间产物，其产生量受到温度、碳源、d o 、 p h 值影响。由图3 3 。1 3 所示，亚硝态氮在初始阶段呈上升趋势，这也表明反 硝化过程正在进行，稍后从第三天开始总体呈下降趋势，亚硝态氮含量始终低 于2 m g l 一。 2 5 2 o 毒1 5 z o1 z 0 5 o o2468 t i m e d 图3 - 3 1 3 水力负荷为1 0 6 5 6l d 一时进一出水中亚硝态氮含量变化图 ( 2 ) 人工湿地中各点亚硝态氮浓度变化趋势 如图3 3 1 4 所示，亚硝态氮含量在不同基质层中含量并不相同，其中第 一层中亚硝态氮含量较低，基本位于1 1 5 m g l 以之间，第二层中亚硝态氮含量 有所上升，尤其是2 2 ，这也从侧面表明反硝化作用强弱，第三层中亚硝态氮 5 0 5 o 5 o 5 0 5 o 4 4 3 3 2 2 1 1 一m_皇i-j=oz 含量最高，一度超过3 m g l ，这有两方面的原因：一、该层反硝化厌氧条件充 分；二、该层碳源含量不比前两层，可能造成反硝化作用不完全。 各取样点垂直方向上一一不同基质层之间亚硝态氮含量结果如图所示。其 中各取样点的第一层中亚硝态氮含量基本是最小的，这可能是由于第一层中 d o 含量较高，影响了反硝化的进行，其次第一层中碳源也较丰富，反硝化作 用会比较完全。各取样点第三层中亚硝态氮含量均较大，这是由于第三层d o 含量较低，厌氧条件充分，另外碳源含量不比前两层丰富，对反硝化过程产生 了负面作用，促生了亚硝态氮量，由此也可看到第三层中反硝化作用较为强烈。 考， 墨 古 z l2345 取样点 层 图3 - 3 1 4 水力负荷为1 0 6 5 6l d 。1 时人工湿地中各取样点亚硝态氮含量分布图 3 3 1 3人工湿地中氨氮浓度变化情况 ( 1 ) 进出水氨氮浓度变化趋势 由图3 3 1 5 可知，模拟污水中氨氮含量较为稳定，出水氨氮含量有所上 升，最大值达到1 0 6 m g l ，达到地下水三类标准的2 倍，这也是利用外加碳源 处理硝酸盐污染的一个负面所在，需要进一步研究解决。 3 8 1 2 1 o0 8 b 0 姜 本0 6 + 3 窆0 4 0 2 o o246 8 图3 3 1 5 水力负荷为1 0 6 5 6l d d 时进一出水中氨氮含量变化图 ( 2 ) 人工湿地中各点氨氮浓度变化趋势 不同基质层中p h 值、d o 含量、碳源含量均存在不同，对氨氮产量会产生 一定影响，试验结果如图3 3 1 6 所示。结果显示，在第一层中各取样点氨氮 含量均高于另外两层，这是由于第一层中有机碳分解作用产生的。第二层中2 2 、 4 2 、5 2 处氨氮含量基本一致。第三层中各取样点氨氮含量变化趋势基本一致， 因为该层水流状态较为稳定，该层氨氮含量均小于1 5 m g l ，也低于第二层中 对应点氨氮含量。因为第二层中氨氮一面来源于反硝化作用产生，另一面也来 源于第一层中氨氮的渗透，而在第三层中，氨氮主要来源于反硝化作用，而且 此层水流速度较快，对氨氮也存在一定的稀释作用。 图3 3 1 6 表示了此人工湿地中不同取样点在垂直方向上，即不同基质层 中氨氮含量的实验结果对比。2 号点垂直方向上氨氮含量自上而下递减，3 号点 在第三层中氨氮含量相对另外两层较高，4 号点第一层中氨氮含量较大于另外 两层，5 号点第一层较高，第二层与第三层中氨氮含量基本一致。由此可以清 楚地看出，各点第一层的氨氮含量要高于另两层，这与第一层是有机碳源层存 在一定关系；其中3 号点的氨氮含量要低于其他各点，这是因为该点水流较慢， 且处于半淹水状态，厌氧条件较好，可能发生了稍强的反硝化过程，致使氨氮 有所消耗；同时该点垂直方向水流较为稳定，可能发生下渗过程。 3 9 喘 要 z + 寸 雹 z 2345 取样点 第三层 二层 层 图3 - 3 1 6 水力负荷为1 0 6 5 6l d 。时人工湿地中各取样点氨氮含量分布图 3 3 1 4 人工湿地中h c 0 3 浓度变化情况 ( 1 ) 进出水h c 0 3 含量变化趋势 反硝化过程中硝态氮与碳源作用产生h c 0 3 ，是一个释碱过程，碱度的增 加从一个侧面反映了反硝化的进行。该实验中碱度以h c 0 3 浓度表示，图3 3 1 7 显示的是该人工湿地进一出水中碱度变化对比图。图中结果显示进一出水中碱度 变化并不明显，进水中的碱度要略低于出水。 t i n = 1 e d 图3 - 3 1 7 水力负荷为1 0 6 5 6l d j 时进一出水中碱度变化图 ( 2 ) 人工湿地种中各点h c 0 3 含量情况 图3 3 1 8 表示了不同基质层中各取样点碱度值变化趋势。不同基质层中 各取样点碱度值区别不太明显，基本呈缓慢上升趋势，表明反硝化作用的进行。 4 5 3 5 2 5 1 5 o 孔 乙 l 吼 目onou雹 在第一层中2 号点碱度较大，5 号点次之，4 号点最小。这是因为反硝化作用的 强弱不仅受碳源的影响，同时在碳源充足的情况下受氮素浓度的限制。该层2 号点的碳源情况与4 、5 号点差异不大，但2 号点氮素浓度较大，可能更适合反 硝化作用。第二层中2 号点依然较大，5 号点次之，1 号点最小，因为1 号点位 于碳源区之前，反硝化作用较弱。第三层中水流情况、碳源供给情况基本一致， 各取样点碱度变化趋势也基本一致。 各取样点垂直方向上一一不同基质层中碱度变化趋势如图3 3 1 8 纵向所 示。图中结果清晰显示，各取样点第三层的碱度含量均高于前两层，表明第三 层中反硝化作用较强；第二层碱度值高于第一层，这是因为第二层的反硝化环 境要优于第一层，更有利于反硝化的进行。 弓 姜 。n o o 王 图3 - 3 1 8 水力负荷为1 0 6 5 6l d 。时人工湿地中各取样点碱度分布图 3 3 1 5 人工湿地中p h 变化趋势 ( 1 ) 进出水中p h 变化趋势 理论上，反硝化过程中p h 值会随着反硝化的进行而有所上升。图3 3 1 9 显示了进出水中p h 值结果。图中结果显示出水的p h 值要小于进水，这可能 是因为出水口位于有机碳源层上方，有机碳分解产物影响了p h 值的大小。 4 l 7 5 7 4 5 7 4 毫7 3 5 7 3 7 2 5 7 2 一一进水一一出水 02468 图3 - 3 1 9 水力负荷为1 0 6 5 6l d o 时进出水中p h 值变化图 ( 2 ) 人工湿地中各点p h 变化趋势 图3 3 1 10 横向上表示了不同基质层中各取样点的p h 值变化趋势。结果 显示：在第一层中各取样点p h 值均低于进水，基本小于7 2 ；4 、5 号点p h 值 又略高于其他点，可能是由于这两点处厌氧充分，反硝化的释碱与酸度产生了 中和作用。第二层中变化趋势与第一层相似，这两层的p h 值与进水相比差别 不如第三层大。第三层中各取样点p h 值均明显大于进水，均呈上升趋势，且 随着水流方向呈上升趋势。 各点垂直方向上，即各点不同基质层中取样点p h 值试验结果如图3 3 1 1 0 所示。图中结果显示：在各取样点处自上而下递增，这与碱度实验结果一致。 8 7 8 7 6 姆7 4 暑7 2 7 6 8 6 6 2345 取样点 层 图3 - 3 1 1 0 水力负荷为1 0 6 5 6l d j 时人工湿地中各取样点p h 值分布图 3 3 1 6人工湿地中各点d o 含量变化情况 4 2 d o 含量表明该点的厌氧状态，而厌氧状态又影响到反硝化作用产物形态， 因此确定d o 为反硝化作用影响因素以及指示因子。由于各取样点d o 含量基 本稳定，取各点检测结果的平均值如图3 3 1 1 1 表示。第一层中各点d o 含量 基本相同，为3 m g l 1 左右；第二层中各点d o 含量除1 号点高于2 m g l 。1 之外， 其他各点均低于2 m g l ，说明第二层厌氧状态较好；第三层中d o 含量随着水 流方向有递减趋势，可能是由于上层好氧微生物的利用，该层d o 含量一度低 于l m g l 。 0 墨 0 o 4 5 3 5 2 5 l 5 三层 层 4 3 12345678 t i m e d c a ) 1 2 1 甚o 8 e 艺0 6 势4 o 2 0 1 2 3 4 567 8 t i m e d 12345678 t i t m d ( b ) 7 3 2 7 3 7 2 8 7 2 6 7 2 4 毫 7 2 2 7 2 7 1 8 7 1 6 ( c ) 图3 - 3 1 1 2 水力负荷为1 0 6 5 6l d 以时各检测因子相互关系图 a ：出水n o a - n 与h c o f 含量对比图；b ：出水中n 0 2 - n 与d o 含量对比图； c ：出水n h 4 + - n 含量与p h 值对比图 3 3 2 水力负荷为5 3 2 8 l d 。1 时试验结果 3 3 2 1人工湿地中硝态氮浓度变化情况 ( 1 ) 进出水中硝态氮浓度变化趋势 在水力负荷缩减为上组实验半时，该人工湿地中实际水力停留时间增长 为6 5 2 2 h ，模拟污水初始硝态氮浓度为5 0 m g l ，检测时间为1 0 天。图3 3 2 1 表示了该组实验进出水中硝态氮含量，出水硝态氮含量维持在1 2 m g l 。1 左右， 该组实验结果显示硝态氮去除率为7 6 3 1 。 o 凹巨o q 5 4 2 l 9 3 3 3 3 3 3 2 5 2 5 1 5 0 2 1 0 oj2-z0z 0一q暑8肇_ 5 5 5 5 4 3 3 2 2 l 1 o o 如如孙即坫加5 o 0gn-no乏 乙 登 芹 s z 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 水 水 ol j j j 一 o24681 01 2 t i r n e d 图3 3 2 1 水力负荷为5 3 2 8 l d l 时进一出水中硝态氮含量变化图 ( 2 ) 人工湿地中各取样点硝态氮浓度变化趋势 图3 3 2 2 表示了各基质层中部同取样点的硝态氮含量变化结果。其中2 号点在不同基质层中硝态氮含量均高于其他点，这是由于该点厌氧状态不完全， 可能存在一定的硝化作用。各层的其他各点随水流方向存在递减的趋势。总体 看来，第一层中的硝态氮含量要高于第二、三层，第三层中的递减情况明显， 从2 号点的2 5 m g l q 到5 号点降为1 0 m g l ；从试验结果中可发现，该组试验 中硝态氮的降解主要发生在第二层，即黄砂层中，因为该层d o 、碳源情况以 及碳氮比等条件对反硝化脱氮都是比较有利的，其次该水力负荷下，模型内部 的水流情况也对反硝化脱氮效果有利。 水力负荷为5 3 2 8 l d 。1 时各点垂直方向上一一各基质层中硝态氮含量变化 结果如图3 3 2 2 所示。2 号点在第一层中硝态氮含量较高，第二层总体上略低 于第三层，因为第三层水力停留时间较短，第二层中反硝化碳源较为丰富，从 而导致二者试验结果相近。3 号点第三层中硝态氮含量最高，第二层低于第一 层，可见该点反硝化作用主要发生在第二层。4 号点第一层硝态氮含量较高， 第三层次之，第二层最小。5 号点结果与4 号点相似。综合图中结果可得：在 该人工湿地各基质层垂直方向上硝态氮浓度是呈递减趋势的。 4 5 1 j b u d 逞 本 n o z 5 0 5 0 5 o 5 o 5 删 勰 l 一 赎 _ 虱i 。糟 啪 呵 驾 。一 霭 山r 7 气-，i 描 ，一 m 一 。一 u ：，” 撅 一g j t ，如“妒 层 幺 萋 苦 z 2 5 2 1 5 1 0 5 0 0246 81 0l z t i r m d 图3 - 3 2 3水力负荷为5 3 2 8l d 1 时进一出水中亚硝态氮含量变化图 ( 2 ) 人工湿地中各点亚硝态氮浓度变化趋势 在第一层中4 号点亚硝态氮含量较高，这是因为4 号点一方面碳源充足， 另一方面厌氧环境充分，反硝化条件最为优越。第二层中3 号点亚硝态氮积累 量最高，但后期出现一个急剧的下降趋势，原因与碳源及厌氧环境有关，而其 它点之所以呈现较为混乱趋势，是因为该层水流处于推流于混合流之间，反应 情况复杂。第三层中各取样点亚硝态氮含量较前两层较高，这是因为第二层中 碳源丰富，反硝化进行的较为完全，第一层碳源也丰富，但总体厌氧环境不足， 影响反硝化完全进行，且第一层中氨氮含量较高对反硝化可能存在抑制作用。 该组试验在各取样点垂直方向上，即不同基质层中取样点的亚硝态含量差 别较大，试验结果如图3 3 2 4 所示。结果表明：2 号点自上而下亚硝态氮含量 递增。3 号点第一层中亚硝态氮含量最低；第二层中的亚硝态氮含量略高于第 三层，因为第二层基质水力渗透性较第三层小，水流较慢，稀释作用较小，且 该层环境较其他两层更利于反硝化过程进行。4 、5 号点亚硝态氮含量自上而下 递增，5 - 3 的递增趋势较为明显，这是受到该点水流状态即有水平流也有自下 而上的垂直流的影响。 3 2 5 2 姜1 式 z1 u 艿1 z 0 5 o 层 取样点 图3 3 2 4 水力负荷为5 3 2 8l d 一时人工湿地中各取样点亚硝态氮含量分布图 3 3 2 3人工湿地中氨氮浓度变化情况 ( 1 ) 进出水中氨氮浓度变化趋势 水力负荷为5 3 2 8l d o 时，水力停留时间增加，一方面反硝化作用时间较 长，另一方面水流稀释作