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人工湿地(constructed wetlands)是模拟自然或半自然湿地净化系统而人工建立的绿色环保型污水处理技术系统，人为地将石、砂、煤渣、土壤等介质按一定比例组合，形成基质-植物-微生物生态系统，其通过物理、化学和生物作用去除污染物，因其具有投资少、环境友好、运管简便等突出优势，被广泛应用于国内外污水处理工程中。人工湿地能够持续、稳定、高效脱氮，已成为近年来研究中的热点[1]。垂直潜流人工湿地可以通过基质的物理吸附和湿地微生物的生化反应提高污水处理效果，因具备占地面积较小、有机物去除效果好、氧转移效率高等优点，在土地紧张或地表面积受限的地区被广泛应用[2]。然而，常规垂直潜流人工湿地由于进水溶解氧浓度较低、表面积较小造成大气复氧效率差，从而使得溶解氧供应不足问题，最终导致湿地内氮循环受阻，无法充分发挥其脱氮效能。
人工湿地脱氮过程主要包括植物对氮的吸收利用和微生物的硝化反硝化作用。植物对氮的吸收利用主要由植物根系主导，同时根系泌氧还可为微生物硝化过程提供所需的氧气。微生物硝化反硝化脱氮主要包括∶1)硝化细菌以氧气为电子受体将氨氮氧化为亚硝酸盐、硝酸盐的硝化过程；2)反硝化细菌将硝化过程产生的亚硝酸盐、硝酸盐还原为氮气的过程。因此，氧气的供需、根系发育状况成为人工湿地高效稳定脱氮的制约因素。传统垂直流人工湿地中，氧气主要来源于大气自然复氧、水体更新复氧和植物根系泌氧[3]，而三者提供的氧气含量有限，无法为整个湿地系统提供充足的氧气，存在的氧气供需矛盾致使硝化反应受限，进而造成人工湿地TN去除效率低[4]。此外，湿地中植物根系呈分散生长，废水与根系接触面积受限，使根系对氮的吸收利用功能无法最大限度地发挥。
为提高湿地内部溶解氧含量，增强脱氮能力，需要多采用人工强化增氧技术。目前强化增氧的手段主要包括预曝气、跌水曝气、潮汐流增氧、出水回流和人工机械曝气等[5-9]，其中机械曝气是目前效率最高，应用最为广泛的增氧方式。机械曝气方式主要有连续曝气和间歇曝气，虽连续曝气可为湿地系统提供高溶氧，有效提高其对氨氮和有机物的去除性能，但过量氧气会抑制微生物反硝化作用，造成亚硝态氮和硝态氮积累。间歇曝气方式在增加湿地溶解氧的前提下，创造了好氧、缺氧的交替环境，可有效避免硝态氮积累问题，在未造成运营成本大幅增加的同时达到较好的TN去除效果[10]。汪健等[11]在单级湿地中采用间歇曝气方式，总氮去除率升至65.5%，较连续曝气时提高了18%。WU等[12]的研究表明，在较高的进水强度下，IA-VFCW对COD(96%)、
${\rm{NH}}_4^+$ -N(98%)和TN(85%)的去除率远高于常规VFCWs。本课题组为解决垂直流人工湿地存在脱氮效能有限的突出问题，研发了新型间歇增氧垂直流人工湿地(intermittent aeration vertical flow constructed wetland, IA-VFCW)，通过构型设置形成紧密交错的植物根系圆环屏障墙，废水由内至外流经屏障墙，与根系充分接触；曝气圆筒内设置间歇曝气装置，实现高效复氧。结果表明，当进水氨氮质量浓度为25 mg·L−1时，IA-VFCW总氮去除率最高可达82.6%[13]。近年来，对于人工湿地污染物净化的分层效应已引起广泛关注[14]。垂直流人工湿地由不同的基质组成，湿地不同区域由于基质、植物和微生物间的物理、化学、生物作用的影响，必然存在污染物去除效果的差异，表现在氮和有机污染物在垂直方向上的变化具有明显的分层效应。对于人工曝气型湿地，曝气参数的设置往往直接影响着湿地系统各区域的溶解氧含量和分布，进而影响不同污染物的去除效果。虽然间歇曝气模式可提高人工湿地脱氮性能，但鲜有学者报道曝气量、曝停比、曝停周期的运行参数对湿地污染物去除效果及分层效应方面的影响。基于此，本研究以新型间歇增氧垂直流人工湿地为研究对象，考察了不同工况下污染物在湿地系统中的分层变化及去除性能，旨在探究最佳工况，为提高湿地系统脱氮效能、节约湿地规模化应用的建设成本提供参考。 -
间歇增氧垂直流人工湿地系统如图1所示，湿地装置为有机玻璃制成的圆柱状结构，内径30 cm，高80 cm。在距湿地底部45 cm处设置法兰和密封盖板，将湿地分为上下2部分，并通过曝气圆筒底部相通。湿地下部自下而上依次填充粗砾石(粒径30~50 mm，高度10 cm)、细砾石(粒径10~20 mm，高度15 cm)、煤渣(粒径5~10 mm，高度20 cm)；湿地上部由同心多孔圆环分成多个区域，最内侧为内径5 cm的曝气区，底部开口与湿地下部贯通，放置曝气装置，气体流量计控制曝气流量，继电器控制曝气泵的启闭；向外为湿地植物区，由内径14、19、26 cm三层挡板构成，填充粒径1~3 mm沙土(高度25 cm)，湿地植物芦苇种植在内径14 cm和19 cm挡板组成的圆环区域内，目的是限制根系发散生长，形成根系圆环屏障墙；最外侧为出水区。废水经湿地底部进入，依次流经粗砾石层、细砾石层、煤渣层、曝气区、湿地植物区，最后经出水区排出。
根据不同的曝气参数共设置8组工况，编号为AP1~AP8。根据曝气量大小，将AP1~AP4工况设为R1组(曝气量为1 m3·h−1)，AP5~AP8工况设为R2组(曝气量为2 m3·h−1)，各工况具体曝气参数见表1。待出水指标稳定后，各工况均连续运行14 d。在各工况下的每个运行周期(2 d)结束后分别采集细砾石层、煤渣层、曝气区、湿地植物区和出水区水样测定水质指标，考察不同工况对污染物在湿地中的分层去除影响。
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采用人工模拟生活废水，进水流量为10 L·d−1，HRT设定为48 h。COD、
${\rm{NH}}_4^ + $ -N分别以葡萄糖、氯化铵提供，进水COD为200 mg·L−1、${\rm{NH}}_4^ + $ -N为25 mg·L−1。pH为6.5~7.5。KH2PO4作为微生物的磷源，维持COD∶P为100∶1。微量元素添加量1 mL·L−1，其中含有15 g·L−1 EDTA、0.99 g·L−1 MnCl2·4H2O、0.43 g·L−1 ZnSO4·7H2O、0.25 g·L−1 CuSO4·5H2O、 0.22 g·L−1 Na2MoO4·2H2O、0.19 g·L−1 NiCl2·7H2O、0.014 g·L−1 H3BO4。 -
${\rm{NH}}_4^ + $ -N、${\rm{NO}}_2^ - $ -N、${\rm{NO}}_3^ - $ -N、COD均采用国家标准方法测定；pH采用Mettler-Toledo pH测定仪测定。所有水质指标测定值均为各工况下平行样的均值。 -
1)不同工况对
${\rm{NH}}_4^ + $ -N分层去除影响。不同工况下IA-VFCW对${\rm{NH}}_4^ + $ -N的分层去除效果如图2所示。进水${\rm{NH}}_4^ + $ -N质量浓度为25 mg·L−1，各工况(AP1~AP8)下细砾石层和煤渣层中${\rm{NH}}_4^ + $ -N质量浓度变化不大，分别为21.83~22.67 mg·L−1和18.33~19.67 mg·L−1，且平均去除率分别为10.8%和13.3%，说明两区域对${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除效果较差。造成这种情况的原因可能是∶一方面湿地填料物理吸附对${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除贡献较低；另一方面，因曝气装置位于细砾石层和煤渣层上端，所提供的氧气扩散到下部的含量有限，无法返混复氧，微生物硝化反应所需氧气只能由湿地自身复氧及进水溶解氧来提供，供氧不足难以形成好氧环境，且硝化菌对氧气亲和力低于异养微生物，在对氧气竞争中处于劣势，从而进一步抑制了氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的活性，无法对${\rm{NH}}_4^ + $ -N进行有效降解。此外，工况的改变并未引起细砾石层和煤渣层中${\rm{NH}}_4^ + $ -N浓度的明显变化，这也与两区域处于曝气区前端有关，曝气条件改变造成的溶解氧波动对2个区域干扰较小。废水自煤渣层汇集后进入曝气区、湿地植物区和出水区，各工况下
${\rm{NH}}_4^ + $ -N浓度均显著下降，其中曝气区、湿地植物区和出水区${\rm{NH}}_4^ + $ -N质量浓度分别为1.33~12.33、1.17~11.17、0.67~6.33 mg·L−1，${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率分别为54.2%、6.3%、3.2%。曝气区对${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率显著增加的主要原因是，间歇曝气使废水中溶解氧含量充足，好氧硝化细菌代谢活性提升，${\rm{NH}}_4^ + $ -N被氧化为亚硝酸盐或硝酸盐而去除。随后，废水流经湿地植物区，${\rm{NH}}_4^ + $ -N的浓度进一步下降。这是因为湿地植物区种植芦苇，且芦苇根系交错形成根系屏障墙，增大废水与根系接触面积，根系对废水中氮素吸收加强，并协同根系硝化微生物进一步提高了${\rm{NH}}_4^ + $ -N的降解效果。由图2可知，工况的改变显著影响了曝气区和湿地植物区
${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除情况。随曝气量、曝停比、曝停周期的变化，各个曝气工况下${\rm{NH}}_4^ + $ -N出水浓度及去除率呈规律性变化。曝气区中，在相同曝停周期下，曝停比为3的AP2、 AP4工况${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率较曝停比为1∶3的AP1、AP3工况分别提高了20.3%、41.3%。当曝气量为1 m3·h−1时(R1组)，AP2工况下曝气区${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率较AP1工况下提高了20.3%，AP4工况下曝气区${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率较AP3工况下提高了41.3%；AP4工况下曝气区对${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率较AP2工况下提高了6.5%，AP3工况下曝气区对${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率较AP1工况下则降低了14.5%。可知在1 m3·h−1曝气量下，高曝停比工况(AP2、AP4)曝气区${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率显著高于低曝停比工况(AP1、AP3)，且高曝停比下曝停周期的延长更有利于${\rm{NH}}_4^ + $ -N的去除。这主要因为∶高曝停比及长时间曝气更有利于好氧区域的扩大并稳定存在，使硝化反应进行的更充分；低曝停比下曝停周期延长将扩大厌氧区域，造成DO不足，导致硝化反应进行不彻底。在湿地植物区中，R1组的AP3工况下${\rm{NH}}_4^ + $ -N浓度最高，${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率也仅有4.7%，与曝气区情况类似，仍归因于低曝气量、低曝停比和长曝停周期的影响。当曝气量提高到2 m3·h−1时(R2组)，相较R1组，AP5~AP8工况下的曝气区和湿地植物区中
${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率变化并不显著。这可能是因为：在2 m3·h−1的高曝气量下，单位时间内硝化细菌可利用的氧气更多，活性高，从而对其他工况(曝停比、曝停周期)的响应不强，且R2组在湿地植物区各工况下的${\rm{NH}}_4^ + $ -N质量浓度较低(平均值2.76 mg·L−1)，去除率也普遍高于R1组。结合表2中的出水区
${\rm{NH}}_4^ + $ -N浓度，IA-VFCW在AP3工况下(曝气量1 m3·h−1、曝停比1∶3、曝停周期12 h)对${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率最低。这主要因为曝气量较低(1 m3·h−1)，同时由于曝气间隔的延长(9 h)，氧气不足以维持整个曝停周期的好氧环境，厌氧区域形成并长时间存在，从而抑制了硝化反应进行。曝气量提升到2 m3·h−1的R2组出水${\rm{NH}}_4^ + $ -N平均去除率(92.4%)高于R1组(82.9%)，结合各工况下${\rm{NH}}_4^ + $ -N分层变化情况，可见曝气量的提高是${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除性能增强的关键。2)不同工况下
${\rm{NO}}_2^ - $ -N、${\rm{NO}}_3^ - $ -N分层累积。不同工况下${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N分层浓度如图3所示。各曝气工况下(AP1~AP8)细砾石层和煤渣层的${\rm{NO}}_2^ - $ -N质量浓度分别为0.02~0.06 mg·L−1和0.02~0.07 mg·L−1，平均质量浓度分别为0.04 mg·L−1和0.04 mg·L−1；细砾石层和煤渣层中${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度分别为0.18~0.58 mg·L−1和0.46~0.92 mg·L−1，平均质量浓度分别是0.34 mg·L−1和0.74 mg·L−1。可见，${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N在两区域并无明显积累，这与各工况下细砾石层和煤渣层较低的${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率相对应。这主要是由于湿地下部溶解氧含量有限，区域内主要为厌氧空间，硝化过程产生的${\rm{NO}}_2^ - $ -N与${\rm{NO}}_3^ - $ -N可直接在反硝化微生物作用下转化为N2。废水进入曝气区，
${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度在各工况下均有着显著升高，${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N平均质量浓度较煤渣层增幅分别为440%、1 117%，${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度的增幅是${\rm{NO}}_2^ - $ -N的2.5倍。这表明，亚硝酸盐氧化菌活性较高，可迅速将氨氧化细菌产生的${\rm{NO}}_2^ - $ -N进一步氧化为${\rm{NO}}_3^ - $ -N，未造成${\rm{NO}}_2^ - $ -N明显积累。如表3所示，所有工况下曝气区
${\rm{NO}}_2^ - $ -N平均积累量为0.23 mg·L−1，受工况影响不明显。曝气量为1 m3·h−1的AP1~AP4工况下曝气区${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度变化较小(平均值为7.93 mg·L−1)，较煤渣层的平均值(0.80 mg·L−1)增幅为896%；而曝气量为2 m3·h−1工况(AP5~AP8)下，曝气区${\rm{NO}}_3^ - $ -N积累明显，且受工况影响程度不一，其较煤渣层${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度增幅分别为660%、1 142%、1 210%、1 592%。可见，AP5工况(曝气量2 m3·h−1、曝停比1∶3、曝停周期6 h)下${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度增幅最小，AP8工况(曝气量2 m3·h−1、曝停比3、曝停周期12 h)下增幅最大。这可能由于高曝气量与高曝停比会压缩IA-VFCW厌氧空间，反硝化作用受限引起${\rm{NO}}_3^ - $ -N积累。废水进入湿地植物区后，${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度均呈现下降趋势(平均值分别为0.21 mg·L−1和8.25 mg·L−1)，较曝气区降幅分别为8%和9%。褚润等[15]的研究表明，植物根系能够吸收一定的${\rm{NO}}_3^ - $ -N。本研究所采用的IA-VFCW中独特的同心圆环设计，使芦苇根系紧密交织成根系屏障墙，提高了芦苇根系对${\rm{NO}}_3^ - $ -N的吸收效率，同时使功能菌得以富集。低曝停比工况(AP1、AP3、AP5、AP7)下湿地植物区${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度低于相应的高曝停比工况(AP2、AP4、AP6、AP8)，其原因在于低曝停比下因停曝时间相对较长，IA-VFCW厌氧区空间相对扩大，利于微生物进行反硝化。3)不同工况对TN分层去除的影响。不同工况下TN分层浓度和TN去除率变化如图4所示。进水
${\rm{NH}}_4^ + $ -N质量浓度为25 mg·L−1，各工况(AP1~AP8)下细砾石层和煤渣层中TN浓度无明显差异，工况的改变对细砾石层、煤渣层TN去除影响较小。各工况下细砾石层TN平均质量浓度为22.69 mg·L−1、平均去除率为9.6%。各工况下煤渣层TN平均质量浓度为19.78 mg·L−1、平均去除率为11.6 %。结合图2和图3的${\rm{NH}}_4^ + $ -N、${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N变化情况可见，细砾石层、煤渣层因自然复氧速率差，区域内溶解氧浓度较低，导致${\rm{NH}}_4^ + $ -N向硝酸盐的转化过程受到抑制，反硝化进行所需要的硝酸盐不足，从而造成TN的去除效果差。AP1~AP8各工况下曝气区TN浓度及去除率如表3所示。在曝气量为1 m3·h−1的R1组(AP1~AP4)，AP2工况下曝气区对TN的去除率较AP1工况下提高了19.1%，AP4工况较AP3工况提高了40.1%；AP4工况下曝气区对TN的去除率较AP2工况下提高了9.3%，AP3工况较AP1工况降低了11.7%。数据表明，在1 m3·h−1曝气量下，高曝停比(AP2、AP4)时曝气区对TN去除率均显著高于低曝停比时(AP1、AP3)，且高曝停比时曝停周期的延长有利于TN的去除，低曝停比时曝停周期的延长会降低对TN的去除效果。结合各曝气工况下曝气区
${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除及${\rm{NO}}_2^ - $ -N、${\rm{NO}}_3^ - $ -N积累结果分析可得，TN去除过程的限速步骤为硝化过程，高曝停比与长曝停周期会使硝化反应进行较为充分，从而提高TN去除率。曝气量提升到2 m3·h−1的R2组(AP5~AP8)，AP5工况下曝气区对TN的去除率较AP1工况下提高了23.6%，AP7工况较AP3工况提高了29.5%。这表明低曝停比时，曝气量的增加将提高曝气区对TN去除率，因曝气量增加会使低曝停比时生物硝化过程进行的更加彻底。AP6工况下曝气区对TN的去除率较AP2工况下降低26.3%，AP8工况下较AP4工况下降低37.1%。这表明高曝停比时，曝气量的提高反而会降低曝气区对TN去除效果，高曝停比时提高曝气量虽会使
${\rm{NH}}_4^ + $ -N浓度下降，但会压缩厌氧空间，使反硝化进程受阻，造成${\rm{NO}}_3^ - $ -N的积累(图3(b))。各工况下废水流经湿地植物区时TN得到进一步去除，TN去除率为1.8%~14.6%。可以看到，不同工况下湿地植物区对TN去除率存在较大差异，AP2工况下湿地植物区TN浓度较曝气区降幅最大(27%)。结合图2和图3中的结果可知，湿地植物区中
${\rm{NH}}_4^ + $ -N浓度降低了61%，${\rm{NO}}_2^ - $ -N浓度降低了19%。根据好氧硝化理论，${\rm{NH}}_4^ + $ -N和${\rm{NO}}_2^ - $ -N经硝化反应的去向为${\rm{NO}}_3^ - $ -N，而湿地植物区的${\rm{NO}}_3^ - $ -N浓度却不升反降(较曝气区降幅达16%)，说明湿地植物区同时发生着反硝化作用降解硝酸盐。有研究[13]表明，湿地植物可通过根系释放、死亡分解等来调控氮素转化途径和反硝化进程，其为湿地进行反硝化的主要场所。同时，芦苇根系周围的环境中可依次呈现好氧、厌氧及缺氧状态，可创造有利于多种微生物生存的微环境，通过硝化反硝化作用实现对TN的有效去除。如表2所示，不同曝气工况下IA-VFCW出水TN浓度及去除率差异较大。在AP5工况下有着最高的TN去除率(77.0%)，这与图2中较高的
${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率和图3(b)中较低的${\rm{NO}}_3^ - $ -N浓度积累相对应。同时，AP3、AP6、AP8工况下IA-VFCW对TN去除率都很低(分别为37.9%、37.2%、35.1%)。AP3工况下TN去除率低的原因主要在于∶受低曝气量(1 m3·h−1)、低曝停比(1/3)和长曝停周期(12 h)的影响，厌氧区域扩大，硝化反应受限，导致氨氮无法转化为硝态氮而去除。AP6和AP8工况下TN去除率低的原因有2点∶其一，受到高曝气量(2 m3·h−1)、高曝停比(3∶1)的影响，AP6和AP8工况中湿地曝气区${\rm{NO}}_3^ - $ -N大量积累(平均质量质量浓度分别为10.89 mg·L−1和15.23 mg·L−1)；其二，在AP6和AP8工况下，废水在湿地植物区${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度分别为10.85 mg·L−1和15.21 mg·L−1，相对曝气区几乎没有下降。这可能与湿地植物区废水有效C∶N(COD/${\rm{NO}}_3^ - $ -N)低有关，C∶N可衡量反硝化反应能否充分进行，是影响TN降解率的关键因素之一[16]。结合湿地植物区中COD值(图5)和图3(b)中的${\rm{NO}}_3^ - $ -N浓度，可得在AP6和AP8工况下C∶N分别为1.85和1.26，远低于反硝化效果最佳时的C∶N(4~6)[17]，而对于TN去除率最高的AP5工况，湿地植物区C∶N为4.68。 -
不同工况下COD分层值和去除率如图5所示。进水COD值为200 mg·L−1，各工况下细砾石层COD值为59.59~71.71 mg·L−1，COD去除率为64.1%~70.2%；煤渣层COD值为43.94~58.68 mg·L−1，较细砾石层COD降低了15%~35%。造成COD去除差异的可能原因是∶由于填料空隙和比表面积不同引起的，孔隙率和比表面积较大的填料介质可以增加附着面积，从而提高其对COD的去除率。各工况下曝气区COD值为20.01~25.25 mg·L−1，较煤渣层降幅为49%~62%。这表明好氧条件有利于COD的去除，好氧微生物在耗氧有机物(以COD计)的降解过程中发挥着重要作用。废水流入湿地植物区，COD进一步降低，较曝气区平均降幅为17%。JI等[18]的研究表明，种植植物的人工湿地比无植物的人工湿地COD去除率要高出11.14%，湿地植物是COD去除的重要参与者。由表2可见，在AP1~AP8工况，IA-VFCW出水COD去除率为89.9%~93.1%，高于传统人工湿地的69.4%~81.5%[13]。传统人工湿地中因氧气供给不足，整体呈现缺氧环境，各种好氧和厌氧微生物无法充分发挥作用。而间歇曝气湿地在提高了溶解氧浓度的同时，使湿地内部形成循环的好氧-厌氧环境，可为系统中好氧菌、兼性菌和厌氧菌提供良好的生存环境，COD可经过微生物的好氧呼吸、厌氧呼吸等作用而得到有效去除。AP4工况(曝气量1 m3·h−1、曝停比1/3、曝停周期12 h)中COD去除率最高，为93.1%。这说明低曝气量、低曝停比和长曝停周期更有利于IA-VFCW中耗氧有机物(以COD计)的去除。
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1)间歇增氧垂直流人工湿地对污染物的去除在湿地内部呈明显的分层效应，且受运行工况的影响程度不同。细砾石层、煤渣层受工况影响较小，曝气区、湿地植物区和出水区受工况影响较大。细砾石层对
${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除率较低，2个区域中均无${\rm{NO}}_2^ - $ -N、${\rm{NO}}_3^ - $ -N的积累；细砾石层对COD去除率贡献较大，曝气区对${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除贡献大。在高曝停比、高曝气量及长曝停周期下会造成${\rm{NO}}_3^ - $ -N积累。2)在1 m3·h−1曝气量下，高曝停比会提高IA-VFCW对
${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除。在高曝停比时，延长曝停周期利于${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除，在低曝停比时延长曝停周期会降低IA-VFCW对${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN的去除；在低曝停比时，曝气量的增加将提高IA-VFCW对${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除，在高曝停比时，曝气量的增加会降低IA-VFCW对${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除效果，并造成${\rm{NO}}_3^ - $ -N的积累。3)在曝气量为1 m3·h−1、曝停比为3、曝停周期为6 h的工况下，IA-VFCW对
${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率最高为97.3%；在曝气量为2 m3·h−1、曝停比为1∶3、曝停周期6 h的工况下，IA-VFCW对TN去除率最高可达77.0%，脱氮性能明显优于传统垂直流人工湿地以及连续增氧人工湿地。
不同曝气参数下间歇增氧垂直流人工湿地脱氮的分层效应
Effect of various aeration parameters on stratificated nitrogen removal in the intermittent aeration vertical flow constructed wetland
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摘要: 以新型间歇增氧垂直流人工湿地(IA-VFCW)为研究对象，揭示了不同工况对人工湿地污染物去除的分层效应及去除效果的影响。结果表明∶不同曝气参数对细砾石层、煤渣层污染物去除的影响较小；对曝气区、湿地植物区污染物去除的影响较大。当进水
${\rm{NH}}_4^ + $ -N质量浓度为25 mg·L−1、COD为200 mg·L−1时，细砾石层、煤渣层对${\rm{NH}}_4^ + $ -N和TN平均去除率分别为10.8%、9.3%和13.3%、11.6%，两区域中均无${\rm{NO}}_2^ - $ -N、${\rm{NO}}_3^ -$ -N的积累；细砾石层对COD去除的贡献较大，COD平均去除率为67.2%。曝气区对${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN去除贡献较大，${\rm{NH}}_4^ + $ -N、TN的最大去除率分别达到69.3%、40.9%，COD平均去除率为25.4%。在低曝停比下，曝气量的增加将提高IA-VFCW对TN的去除性能；在高曝停比下，曝气量的增加会降低IA-VFCW对TN的去除效果，且会造成${\rm{NO}}_３^ - $ -N积累。在曝气量2 m3·h−1、曝停比1/3、曝停周期6 h工况下IA-VFCW具有较好的污染物去除效果，${\rm{NH}}_4^ + $ -N去除率为94.9%、TN去除率为77.0%、COD去除率为90.0%。IA-VFCW脱氮性能明显优于传统垂直流人工湿地。Abstract: The effect of various working conditions on pollutants removal efficiencies in a novel intermittent aeration vertical flow constructed wetland (IA-VFCW) was investigated. The results revealed that different aeration conditions caused slight fluctuation on the pollutants removal efficiencies in the fine gravel layer and cinder layer, while the pollutants removal efficiencies in the area of aeration and wetland plant were greatly affected by aeration parameters. As the influent concentrations of NH4+-N and COD were 25 mg·L−1 and 200 mg·L−1, respectively, the average removal efficiencies of NH4+-N and TN in fine gravel and cinder layers were 10.8% and 9.3%, 13.3% and 11.6%, respectively. In addition, there was no obvious accumulation of NO2−-N and NO3−-N in above layers. The fine gravel layer contributed significantly to COD removal efficiency, and an average COD removal efficiency was 67.2%. Ammonia nitrogen and total nitrogen were largely removed in the aeration zone, the maximum removal efficiencies of NH4+-N and TN reached 69.3% and 40.9%, respectively, but average COD removal rate was solely 25.4%. At lower ratio of aeration to idle time, the increase of aeration flowrate could improve the NH4+-N and TN removal efficiencies by IA-VFCW. However, at the high ratio of aeration to idle time, the increase of aeration flowrate could decrease the NH4+-N and TN removal efficiencies and especially cause NO3−-N accumulation. At aeration flowrate of 2 m3·h−1, the aeration to idle time ratio of 1∶3, and operation cycle of 6 h, NH4+-N, TN and COD removal efficiencies by IA-VFCW were 94.9%, 77.0% and 90.0%, respectively. The nitrogen removal performance of IA-VFCW was obviously more excellent than traditional vertical flow constructed wetland.-
Key words:
- constructed wetland /
- intermittent aeration /
- nitrogen removal /
- stratification effect
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图 1 间歇增氧垂直流人工湿地系统示意图
Figure 1. Schematic diagram of intermittent aeration vertical flow constructed wetland (IA-VFCW)
图 2 不同工况对湿地不同区域NH4+-N质量浓度和NH4+-N去除率的影响
Figure 2. Effects of different aeration parameters on the NH4+-N concentration and NH4+-N removal efficiency in different area of IA-VFCW
图 3 不同工况对湿地不同区域
${\rm{NO}}_2^ - $ -N和${\rm{NO}}_3^ - $ -N质量浓度的影响Figure 3. Effects of different aeration parameters on
${\rm{NO}}_2^ - $ -N and${\rm{NO}}_3^ - $ -N concentrations in different area of IA-VFCW
图 4 不同工况对湿地不同区域TN质量浓度和TN去除率的影响
Figure 4. Effects of different aeration parameters on the TN concentrations and TN removal efficiency in different area of IA-VFCW
图 5 不同工况对湿地不同区域COD值和COD去除率的影响
Figure 5. Effects of different aeration parameters on COD and COD removal efficiency in different area of IA-VFCW
表 1 间歇增氧垂直流人工湿地工况
Table 1. The aeration parameters of IA-VFCW
组别 工况 曝气量/(m3·h−1) 曝停比 曝停周期
/hR1 AP1 1 1/3 6 AP2 1 3 6 AP3 1 1/3 12 AP4 1 3 12 R2 AP5 2 1/3 6 AP6 2 3 6 AP7 2 1/3 12 AP8 2 3 12 
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表 2 不同工况下污染物去除情况
Table 2. Removal efficiencies of various pollutants at different aeration parameters
工况 ${\rm{NH}}_4^ + $ ${\rm{NO}}_2^ - $ ${\rm{NO}}_3^ - $ TN COD 出水浓度/(mg·L−1) 去除率/% 浓度/(mg·L−1) 浓度/(mg·L−1) 出水浓度/(mg·L−1) 去除率/% 出水浓度/(mg·L−1) 去除率/% AP1 6.33 74.7 0.20 6.00 12.54 49.9 18.69 90.7 AP2 0.67 97.3 0.23 5.95 6.85 72.6 20.20 89.9 AP3 9.33 62.7 0.16 6.02 15.51 37.9 18.48 90.8 AP4 0.77 96.9 0.12 7.41 8.29 66.8 13.84 93.1 AP5 1.27 94.9 0.21 4.27 5.75 77.0 20.00 90.0 AP6 4.67 81.3 0.20 10.85 15.71 37.2 19.19 90.4 AP7 0.83 96.7 0.23 8.31 9.37 62.5 18.99 90.5 AP8 0.80 96.8 0.20 15.23 16.23 35.1 18.79 90.6
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表 3 不同工况下氮污染物在曝气区和湿地植物区去除情况
Table 3. Removal performance of nitrogenous pollutants in the area of aeration zone and wetland plant zone at different aeration parameters
工况 曝气区 湿地植物区 ${\rm{NH}}_4^ + $ ${\rm{NO}}_2^ - $ ${\rm{NO}}_3^ - $ TN ${\rm{NH}}_4^ + $ ${\rm{NO}}_2^ - $ ${\rm{NO}}_3^ - $ TN 浓度/
(mg·L−1)去除
率/%浓度/
(mg·L−1)浓度/
(mg·L−1)浓度/
(mg·L−1)去除
率/%浓度/
(mg·L−1)去除
率/%浓度/
(mg·L−1)浓度/
(mg·L−1)浓度/
(mg·L−1)去除率/
%AP1 8.3 42.5 0.19 8.03 16.52 12.5 6.33 7.9 0.2 6.35 12.87 14.6 AP2 3 62.8 0.26 8.47 11.73 31.6 1.17 7.3 0.21 7.15 8.53 12.8 AP3 12.33 28 0.18 7.38 19.9 0.8 11.17 4.7 0.2 6 17.37 10.1 AP4 1.33 69.3 0.21 7.85 9.39 40.9 1.31 0.1 0.21 7.38 8.93 1.8 AP5 4.33 56 0.23 5.26 9.83 36.1 2.33 8 0.23 4.62 7.18 10.6 AP6 8.17 46 0.27 10.89 19.33 5.3 5.37 11.2 0.23 10.85 16.44 11.6 AP7 2.33 66.7 0.23 9.37 11.94 30.3 1.33 4 0.2 8.45 9.98 7.8 AP8 3.83 61.9 0.26 15.23 19.33 3.7 2 7.3 0.21 15.21 17.42 7.6
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