CN102531177A - 一种提高湿地系统硝化反应速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在湿地系统中采用人工可控的方法实现系统硝化反应速率的提高，主要是通过构建以自然湿地为基础的湿地系统，通过提高进水氨氮浓度和控制进水COD浓度，采用间歇运行的方式，达到湿地系统中高强度的硝化反应能力，然后作为成熟的湿地处理系统对再生水、污水处理厂出水深度处理技术，或广泛用于富营养化湖泊、河流等水体的高效处理方法，氨氮的去除效率高，可达85％以上的氨氮去除效率，且处理效果稳定，是一种高效稳定的生物脱氮处理方法，应用前景将非常广泛。

Description

一种提高湿地系统硝化反应速率的方法

技术领域

本发明专利涉及一种提高湿地系统硝化反应速率的技术方法，主要指如何在湿地系统中强化微生物的硝化反应速率，提高湿地系统的氨氮去除效率。

背景技术

湿地是自然界最富生物多样性和生态功能最多的生态系统，为人类的生产、生活与休闲提供多种资源，是人类最重要的生存环境。同时湿地在抵御与调节洪水、控制水体污染与降解污染物等方面具有不可替代的作用。

湿地污水处理系统作为一种自然生态处理系统具有基建投资少、运行费用低、节约能源、去除有机污染物能力强等优点，已在世界各地广泛推广应用。据统计，截止到20世纪90年代，英国有200-300多座人工湿地在使用，美国北部有550多座人工湿地投入运行。我国对人工湿地的研究起步较晚，始于“七五”期间，继天津市环保所在1987年建成我国第一个芦苇地湿地工程之后，1989年于北京昌平县、1990于深圳白泥坑等地又建成了湿地处理系统示范工程，到目前为止，已经成功运行的还有约700多座，显示出非常快的发展趋势。

以往的研究表明，湿地氮的去除主要通过硝化和反硝化作用完成。硝化作用是氨转化为硝酸盐的主要途经，氨经氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的先后作用转化为硝酸盐，称为硝化作用。其过程分两步进行，第一步为氨氧化作用指氨氧化细菌在氨单加氧酶的作用下将氨氧化成亚硝酸盐的过程；第二步为亚硝化作用指亚硝酸盐氧化菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的过程。其基本过程表示为：

氨氧化作用是硝化作用的第一个反应步骤，也是限速步骤。自养型氨氧化细菌是硝化作用的主要菌群。自养型氨氧化细菌都是革兰氏阴性细菌，自养生长时，以氨为唯一能源，以CO₂为唯一碳源。适合大多数氨氧化细菌生长的条件为：温度25-30℃，pH 7.5-8.0，倍增时间8小时至数天。

一般湿地脱氮效果往往受到气候、植物种类、负荷以及地理条件等因素的影响，脱氮效率差别较大。一些中试规模的湿地处理生活污水可达80％以上的脱氮率，但也有部分湿地脱氮率低于40％，脱氮效率很不稳定。为了达到湿地系统稳定高效的生物脱氮，本发明专利发明了一种如何在湿地系统中强化硝化反应能力，提高湿地系统硝化反应速率的方法，促使氨氮的去除效率得以提高。

发明内容

本专利发明者通过构建湿地系统，在湿地底层铺设10cm的砾石，粒径为30-35mm；湿地的主要的反应基质为中层的混合土壤，混合土壤包含45％的粘土，25％的沙土和30％的黑土，土壤的平均孔隙率为18-20％，容重为1.36g/cm³，湿地中种植挺水植物，主要为芦苇。同时在湿地系统地表下30cm处(植物的根系处)添加活性污泥(泥水比为1∶3，添加量为50-100kg/m²)，以增加湿地系统的微生物量。对湿地系统经过较长一段时间的稳定运行，发明了一种在湿地系统中如何强化提高硝化反应速率的方法，具体的发明内容如下：

1)严格按照间歇运行方式：进水12h，出水12h，最佳水力停留时间为2d。

2)湿地系统主要以高浓度氨氮进水为主，最大氨氮浓度300mg/L，最大COD控制在60mg/L以下。

3)按以上1)、2)的方法稳定运行三个月后，可作为成熟的湿地系统，即可以对再生水、污水处理厂出水进行深度处理，也可作为净化富营养化湖泊、河流等水体的高效处理方法。

具体地讲，上述湿地系统是通过选择不同的进水氨氮浓度(100mg/L-300mg/L)，考察出水氨氮去除效率，根据出水氨氮的去除效率，从而确定了湿地系统达到高效硝化速率时的进水氨氮浓度最大为300mg/L，在高于300mg/L时湿地系统的氨氮去除效率有所降低。

上述湿地系统间歇运行方式主要采用每次进水6-24h，每次出水6-24h，水力停留时间为2-8d，进行稳定运行，依据出水氨氮去除效率和经济可行性优选间歇运行的进水时间为12h，出水时间为12h；最佳的水力停留时间为2d。

以上方法的建立主要基于以下几点理论基础：

采用间歇流运行，在反应动力学基础上，湿地系统反应池相当于一个序批式生物反应器，根据莫诺方程：

$V=V_{\max }\frac{S}{K_S+S}---\left(1\right)$

式中S为底物浓度(硝化反应过程中底物浓度主要为氨氮浓度)；v为氨氮的降解速率；v_max为最大氨氮降解速率。

在高浓度氨氮进水情况下，S＞＞K_S，K_S指饱和常数，为当

时底物浓度，也称为半饱和常数，质量/容积，K_S值与S值相比，可以忽略，所以(1)式可以简化为v＝v_max，因此在高浓度氨氮进水中，氨氮的去除以最大速度进行降解，而与进水中氨氮浓度无关，呈零级反应，因此本专利选择高浓度的氨氮进水来提高湿地系统的硝化速率强度；同时在过程动力学基础上，采用间歇运行，通过调节进水水量以改变水位高度，从而形成好氧/厌氧/缺氧的变幅区域，提高湿地系统中的溶解氧含量，为氨氧化反应提供大量电子受体O₂，利于氨(NH₄ ⁺)的电子和能量的交换；从微生物生理特性分析，间歇流运行产生广泛的好氧/厌氧/缺氧反应界面，提高了湿地系统氨氧化微生物的生物多样性，提高湿地系统的氨氧化反应效率。

氨的氧化反应主要由氨氧化细菌来完成，其数量丰度和生物多样性是氨氧化反应的基础。但是当有机底物浓度较高时，普通异养微生物成为优势种属，自养型氨氧化细菌的生长就会受到抑制；同时硝化菌是绝对好氧菌，只有在供氧充分的条件下才能正常生长，但是在有机物含量高的条件下异养菌会大量消耗溶解氧，使得溶解氧浓度称为限制性因子而不利于硝化菌的生长，所以为了提高湿地系统的硝化反应速率应严格控制进水的有机物浓度，本专利根据实验研究确定进水COD浓度为小于60mg/L。

附图说明

图1为湿地系统的试验构筑图。

图2为湿地系统在不同进水氨氮浓度下的氨氮去除效率。

图3为湿地系统在不同水力停留时间下的氨氮去除效率。

具体实施方式

本发明专利具体实施过程中主要控制以下几点：

a)构建湿地系统：湿地基质为混合土壤，混合土壤包含45％的粘土，25％的沙土和30％的黑土，土壤的平均孔隙率为20％，容重1.36g/cm³，在湿地系统表层土壤下30cm处(植物的根系处)添加活性污泥(泥水比为1∶3，添加量为50-100kg/m²)，湿地底层为10cm为砾石，粒径在30-35mm；种植挺水植物，主要为芦苇。

b)湿地系统的进水水质主要为控制氨氮和有机物浓度，进水最大氨氮浓度300mg/L(主要以高浓度为主)、COD浓度小于60mg/L，达到污水综合排放标准一级B标准的出水都可调节氨氮浓度后作为湿地系统进水。

c)运行方式：采用间歇运行，进水12h，出水12h，最佳水力停留时间为2d，连续稳定运行。

d)稳定运行三个月后，可作为成熟的湿地系统对再生水、污水处理厂出水进行深度处理等。

实施例

1、人工湿地的构建

2008年四月初在中国科学院生态环境研究中心后院构建总容积为2M³(2m×1m×1m)的垂直流湿地系统，在底部铺设10cm的碎石(直径30-35mm)，中层铺设50cm的混合土壤，其中混合土壤包含45％的粘土，25％的沙土和30％的黑土。湿地平均孔隙率为20％，土壤容重1.36g/cm³。在湿地表层采用穿孔管均匀布水，底层也采用穿孔管收集出水，然后用蠕动泵抽出。并在湿地-50cm，-70cm埋置取样管。湿地种植芦苇，种植密度为16株/m²，如图1。

湿地系统从08年4月中旬到11月，前期一个月主要为芦苇的发芽、生长，为了在湿地中获得丰富的微生物量，待芦苇刚刚长成后在其根部30-50cm处填埋污水处理厂活性污泥，活性污泥泥水比为1∶3，添加量为80kg/m²，活性污泥取自北京市某城市污水处理厂活性污泥反应器中的泥水混合液(DO浓度为2.0±0.5mg/L)，污水处理厂采用Anaerobic/Anoxic/Oxic生物脱氮除磷工艺同步进行脱氮除磷，常年保持良好的运行工况，污泥龄维持在12-14天。6月上旬待芦苇长成后，湿地开始通入配置好的含氮污水连续进水稳定运行三个月。

采用中国科学院生态环境研究中心园区污水处理站出水作为人工湿地的进水，并在此基础上提高NH₄ ⁺-N(用(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃调节配置)浓度，主要配置三个氨氮浓度梯度的进水水质，氮浓度和COD浓度如表1所示。

表1湿地系统进水氮浓度和COD浓度(单位：mg/L)

2、湿地运行和取样

七月中旬湿地系统开始正式间歇运行，进水12h，出水12h，考察不同进水氮素浓度为100-300mg/L、不同水力停留时间时湿地系统的氨氮去除效率，待间歇稳定运行三个月后对湿地系统硝化反应速率和氨氧化细菌AOB数量进行测定，每改变一次运行工况，湿地系统稳定进水10天，以保证湿地出水稳定。

水样从湿地-50cm，-70cm处预留的取样管用注射器抽取来监测水中的氨氮去除率，待间歇稳定运行三个月后，取湿地-50cm，-70cm土壤样品(以土钻获取)，取出来后一部分新鲜土样采用氯酸盐抑制法测定其硝化反应速率，一部分土样迅速保存于-20℃，利用分子生物学技术(qPCR)对湿地系统土壤中的氨氧化细菌AOB数量丰度进行测定。

3、结果分析

1)、不同进水氨氮浓度下的湿地氨氮去除效率

湿地系统按照表1所列三种不同进水氮素浓度，进水12h，出水12h水力停留时间为2d，沿湿地系统分别取-50cm，-70cm出水来监测氨氮去除效果，氨氮去除率如图2所示。

由图2可以看出，当水力停留时间为2d时，随着进水氨氮浓度逐渐增高，湿地系统中氨氮去除效率总体保持在85％以上，整个湿地系统对于高浓度氨氮的去除效率较高，这符合莫诺方程中当高浓度氨氮进水情况下，氨氮的降解以最大速度进行，与进水中氨氮浓度无关，呈零级反应。但是当湿地的氨氮增长到300mg/L时，氨氮去除率较100mg/L时有所降低，由90％以上降低到85％，这可能是300mg/L已经超过了湿地系统中微生物酶活性的饱和状态，反而对硝化反应的发生产生了抑制作用。另外湿地系统-70cm处氨氮去除率略高于-50cm处，主要可能是随着深度增加，硝化反应进一步发生，同时也有湿地系统自身土壤的吸附和同化促使氨氮的进一步去除。所以湿地系统对于氨氮的承载负荷较高，在300mg/L时氨氮的去除率都能达到85％以上。

2)、不同停留时间下湿地系统的氨氮去除效率

分别选取100mg/L、150mg/L两个梯度进水氨氮浓度负荷，考察水力停留时间为8d、4d、2d时湿地系统的氨氮去除效果。湿地系统-50cm，-70cm出水氨氮去除效果如图3所示。

由图3可以看出，随着停留时间的缩短，湿地系统在进水氨氮浓度分别为100mg/L和150mg/L时氨氮去除率基本没有变化，都处于85％以上，而本实验湿地系统中在水力停留时间为8d、4d、2d时，湿地系统氨氮去除效率都保持在85％以上，增大水力停留时间并不会显著增加氨氮的去除效率，所以本专利提出的水力停留时间2d，为经济有效的最佳反应停留时间。

3)、硝化反应速率

取湿地沿层-50cm，-70cm新鲜土壤样品混合，通过氯酸盐抑制法方法(氯酸盐可以抑制亚硝氮的氧化，通过测定反应前后土壤样品中氨氮和亚硝氮的变化量来计算湿地中的土壤基质的最大硝化速率，它提供了一个重要的评估氨氧化剂数量方法，可以反应样品的硝化反应能力)。测得湿地系统的土壤硝化速率(PNR)为1.56ugNH₄ ⁺-N/g·h，同时通过定量PCR测得湿地系统中的氨氧化细菌(AOB)数量为2.39×10⁷copies/g dry soil，而湿地系统中实际的氨氮的去除速率为2.07ugNH₄ ⁺-N/g·h。由此可计算出湿地系统中土壤基质发生硝化反应所去除的氨氮占总氨氮去除的75％，因此在湿地系统中氨氮去除主要由土壤基质中微生物发生硝化反应而实现。而湿地系统土壤氨氧化细菌(AOB)比细胞硝化速率为8.59fmolNH₄ ⁺-N/g·h，与现阶段报道出来的氨氧化细菌(AOB)比细胞硝化速率相比较，如表2所示。

表2湿地系统AOB比细胞硝化速率比较

由表2可以看出，依据本发明专利提出的方法，构建湿地系统，运行三个月后湿地中氨氧化细菌的比细胞硝化速率显著提高，是一般土壤的8倍，硝化细菌的反应活性非常强。

4.湿地系统对污水处理站出水的氨氮去除效果。

湿地系统达到高效硝化反应活性后，为了验证其处理效果，本专利发明者直接通入园区污水处理站出水，其中氨氮含量为6.19±3.5mg/L，COD为18±10mg/L。氨氮超过了国家污水排放综合排放标准，需要对其进行深度处理去除氨氮含量而其使达标排放。

采用蠕动泵向湿地中通入污水处理站出水，间歇运行，进水12h，出水12h，停留时间为2d，连续运行3个月，对出水的氨氮浓度进行监测，每周取一次水样进行氨氮的测定，得到氨氮去除效率为88-92％，氨氮去除效率高，且连续三个月的处理效果稳定，出水氨氮含量为0.49±0.2mg/L，达到了污水综合排放一级标准，且达到了城市污水再生利用景观环境用水水质标准(GB/T 18921-2002)的标准，亦可作为园区回用水再生利用。

综上所述，基于本专利所提出的方法，在湿地中成功提高了氨氧化细菌比细胞硝化效率，湿地系统的氨氮去除效率高，且去除效果稳定，达到了高效的硝化反应作用，是一种高效生物脱氮处理方法。可广泛应用于含氮量高，有机物浓度低的污水和废水的深度处理中，由于其简单可行的运行方式，最普遍的是应用于污染较严重河流、湖泊、湿地的水污染治理过程中，应用前景将非常广泛。

Claims (6)

1.一种提高湿地系统硝化反应效率的方法，采用间歇运行方式，控制进水氨氮浓度和COD浓度。

2.根据权利要求1所述的间歇运行方式，其特征在于：进水时间12h，出水时间为12h，水力停留时间为2d。

3.根据权利2所述的间歇运行主要为每次进水6-24小时，每次出水6-24小时进过稳定运行，优选为进水12小时，出水12小时；水力停留时间为2-8d，依据出水氨氮出效率和经济可行性水力停留时间优选为2d。

4.根据权利要求1所述进水氨氮浓度主要以高浓度运行，最大氨氮浓度为300mg/L，控制进水COD浓度小于60mg/L。

5.根据权利4所要求的进水最大氨氮浓度为300mg/L，选择不同的进水氨氮浓度(100mg/L-300mg/L)考察出水氨氮去除效率，根据出水氨氮的去除效率，确定最大进水氨氮浓度为300mg/L。

6.根据权利要求2-3所述的运行方式，连续稳定运行三个月，然后可作为成熟的湿地系统，即可以对再生水，污水处理厂出水进行深度处理，也可作为净化富营养化湖泊、河流等水体的氨氮高效去除方法。

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