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目 录

摘要： 2

1. 介绍 2

2. 材料和方法 4

2.1. 人工沟渠湿地试验 4

2.2. 操作条件 5

2.3. 样品采集和测定 5

2.4. 统计分析 5

3. 结果与讨论 6

3.1. 集中式入流人工沟渠湿地的治理效果 6

3.2. 氮转化 7

3.3. 进水分布对脱氮的影响 9

3.4. 进水分布对有机物和磷去除的影响 11

4. 结论 11

致谢 12

参考文献 13

图1.改进HSSF CDW的截面图 15

图2.CDWs集中式进水口的污染物去除性能和温度 15

图3.HSSF CDWs中NH4 -N、NO3--N和NO2--N的变化 15

图4.TN、NH4 和NO3-在HSSF CDWs中的分布 16

图5.四种HSSF CDWs的氮转化 16

图6.TN、NH4 和NO3-在四个HSSF CDWs中的分布 16

图7所示.HSSF CDWs中的氮转化途径 17

图8所示.CDW1-4中总N(左)和硝酸盐(右)的估计值与实测值之间的相关性 17

图9所示.CDW1-4的有机物和磷去除性能 17

表1. CDWs进水量设计参数 18

表2. CDWs进水量设计参数 18

清洁生产杂志

摘要：

人工湿地(CWs)是一种用于去除废水污染物的可持续技术;然而，其低总氮(TN)去除率仍然是一个紧迫的问题。人工沟渠湿地系统(CDWs)与人工湿地不同之处在于其水体较窄、较浅。本研究观察了CDWs在整个运行期间的性能，并探讨了其低TN去除率的原因。为了提高TN的去除率，我们提出了一种将入流分为不同进水流量比的两部分的方法。同时试验了四个系统，考察了进水流量比分布对有机物去除和氮转化的影响。经过对四种实验CDWs的比较，认为1:2的流量比是最优的。对照组冬季进水流量比为3:0时化学需氧量(COD)和TN的去除率分别为91.15%和25.87%，而表现最佳的进水流量比为1:2时化学需氧量(COD)和TN的去除率分别为91.59%和50.40%。在分析氮迁移的基础上，建立了4个污水处理厂的出水TN和硝态氮浓度模型。

1. 介绍

农村生活污水与城市污水具有不同的特点;特别是，它的污染物浓度更低。此外，它分布广泛，多达90%未经处理的废水直接排放到附近地表。随着时间的推移，这会导致地下水被污染，从而危及公共卫生和农村居民的健康。

近年来，中国在农村地区修建了许多污水处理厂。处理方法和设施包括厌氧处理、氧化池、生物膜反应器和村庄使用的工程土壤处理。然而，所有这些处理都需要污水收集器，而在农村地区，由于经济地位低下和地势崎岖，污水收集器的建设非常困难。

人工湿地(CWs)被认为是一种有效和低成本的处理系统，通过使用有机材料和营养物质来降低生活污水中的化学物质和生物有机体的水平。氮是农村生活污水的主要污染物，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。人工湿地除氮有多种途径;例如，经典的硝化反硝化、生物质同化、异化硝酸盐还原、植物吸收、氨挥发、吸附、部分硝化反硝化加厌氧氨氧化。一般来说，与传统的硝化反硝化法相比，部分硝化反硝化法加厌氧氨氧化法具有更多的优点。然而，部分硝化反硝化加厌氧氨氧法需要更严格的条件，如pH值和温度，这在农村地区由于缺乏管理资源而难以实现。因此，许多研究探讨了提高经典硝化反硝化性能的途径。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，但通常没有足够的溶解氧来促进硝化作用。有机碳和有机氮的好氧降解都需要氧作为最终的电子受体。因此，在不增加氧气供应的情况下，HFCWs的氨氮去除率可以达到0-20%。Zhang等(2014)报道，在总悬浮固体(93.82%)、化学需氧量(COD)(85.65%)和总氮(TN)(66.88%)情形下，大部分人工湿地的N去除率低于有机和固体去除率。因此，HFCWs始终需要再曝气，以保证农村生活污水能够被硝化。同时，NO3-是污水中氮的主要形式，是HFCWs曝气污水中氮的主要消耗形式。

反硝化是去除人工湿地中TN的主要机制。许多研究表明，单级人工湿地由于不能同时提供硝化和反硝化条件，无法高效去除TN ；对于有机碳，可以保证的是正在进行的反硝化是不够的。因此，添加外部碳被证明是提高人工湿地反硝化效率的有效方法。然而，为了实现持续有效的脱氮，需要在碳和管理资源上投资，这增加了系统的复杂性和成本。同时，低分子碳水化合物由于其水溶性的特点，容易被微生物吸收，需要不断添加。同时，必须指出，不同系统的最佳C/N比率是不同的。很难为实现更高的反硝化速率设定一个参考值，因为这取决于湿地配置比、废水特性和植物材料类型。

人工沟渠湿地系统(CDWs)是由传统排水沟渠发展而来的，传统排水沟渠是雨水和农村生活污水的主要收集渠道。与CWs一样，CDWs由排水管道、基质、当地水生植物和流量控制设施组成。系统的各个部分都影响着最终的污染物去除效率。特别是基质，由于其较强的污染物吸收能力，是此类系统的核心区;因为它为微生物提供了栖息地。与CWs不同，CDWs窄而浅。CDWs的形状就像用于农田非点源污染的生态沟渠，其最佳管理实践正在被密切检验以减少养分。综上所述，CDWs是一个以空沟和地下人工湿地模式为一体的单元，用于验证农村生活污水处理系统中有机物和氮的去除性能。尽管人工湿地降低氮水平的能力有限，且去除效率lt;50%，但CDWs仍很少被观察到，值得进一步研究。

本研究探讨了集中进水式污水处理厂的性能及存在的不足，提出了一种简单实用的分散进水式农村生活污水处理方法。由于其沟渠式结构，污水处理厂通过化粪池收集不同区域的农村生活污水。相应地，有机碳输入被重新分配，导致不同的碳氮去除率。有机碳在系统的前端被耗尽。在这种情况下，分散流入通过为反硝化细菌提供更多的碳源，提高了CDWs的TN去除效率。为了支持这一假设并证实CDWs的有效性，我们提出了以下两个具体目标

(1)评价均匀进水对CDWs中氮净化过程的影响;

(2)识别沿水流方向的脱氮途径，建立四种不同进水流量比的CDWs出水TN浓度模型。

2. 材料和方法

2.1. 人工沟渠湿地试验

实验进行了四个实验室规模水平地下流(HSSF)构造沟渠湿地(CDW1—4),这是使用聚氯乙烯和已经工作的130 L卷(长times;宽times;高=130厘米times;20厘米times;50厘米;图1)每个CDW包括两个入口区、两个基质区和一个出口区，用于模拟分散式入流。第一进水区(进水A)设有由细泡曝气管道组成的曝气系统(图1)，第二进水区(进水B)为未经曝气处理的污水。A入口经B入口的进水流量比及采样点设置如表1所示。水流方向如图1所示。

人工沟渠湿地系统泥床上摆满了0.35米厚介质层砾石(颗粒大小10 -20毫米)每个矩阵区域穿孔聚氯乙烯管(Ltimes;D=40厘米times;5厘米)现场测量矩阵的中间。为避免偏流，试验室内的砾石面保持在水平面以上5厘米处。摘要鸢尾属植物是一种耐虫性强、抗寒性强的植物,由于不同的物理条件，其的密度不同为60株/m²。湿地大型植物的组成部分(气生组织、水生植物组织和根)在一定程度上对湿地性能优化有贡献。LED生长灯设置在设备上方60厘米的高度。

2.2. 操作条件

所有的CDWs均加入了15 L的合成废水，这些废水的组成简单，可以使实验聚焦于目标污染物。为了帮助系统快速进入运行期，一个月内每天供应50毫升生活污水。然后，只添加合成废水，对中国江苏省农村地区的污水处理设施进行调查分析和进水水质。合成废水是由自来水和含有100 mg /L COD,10 mg /L NH4 -N， 5 mg/L总有机氮(吨),和4 mg / l总磷(TP)通过添加葡萄糖,NH₄Cl,硬质合金,和KH₂PO₄,有氯化钙和硫酸镁的痕迹。合成废水在进料槽中逐日处理，然后通过进水区泵入泥床内。根据Kadlec(2009)的计算，每个HSSF CDW的床层介质孔隙度为0.5，水力停留时间(HRT)为3天。人工曝气控制在0.1 L/h，溶解氧(DO)维持在6—7 mg/L。一个恒定的LED增长光强度(2000 lx)设置和使用之间的时间为7:00—20:00。

2.3. 样品采集和测定

每隔5天从CDWs收集水样。DO和温度立即由DO仪表在现场测量(DQ30, Hach, America)。样品采集后立即用Hach DR/2800分光光度计测定COD。所有样品均保存于4°C，以备后续分析其他指标。对于每个样品，使用玻璃pH计测量pH值(AB15, Singapore)。立即对TN、NH4thorn;-N NO-2—N，NO-3—N进行水质变量分析,使用斯派克-光度测量(一种紫外可见分光光度计、A6 PGENERAL,北京)。所有的实验数据都用四个湿地系统的污染物去除效率来表示，由于它们的进水流量比不同，它们的去除效率也不同。

2.4. 统计分析

数据分析使用Origin 8.0图形分析软件(Origin, MA, USA)和SPSS 18.0统计软件(SPSS Inc.， Chicago, USA)。采用Two-tailed t-tests来检测四个CDWs不同分期的进水和出水值的显著差异。差异p lt; 0.05有重大意义。

3. 结果与讨论

在操作期间(2017年8月16日至2018年1月16日)，对进水曝气条件进行优化，保持平均DO和pH值分别为6.50plusmn;0.75(均数plusmn;SD) mg/l和6.12plusmn;0.21。废水平均DO为0.99plusmn;0.31 mg/l, pH为6.42plusmn;0.42。另外，在CDWs运行期间，CDWs的温度范围在10 ~ 31℃之间。所有这些条件同时提供了CDWs的好氧和厌氧条件。

3.1. 集中式入流人工沟渠湿地的治理效果

在运行期间(图2)，CDW1在废水输入量(进水流量比3:0)的情况下，COD、TN和TP的平均去除率分别为90.22%、25.87%和18.49%。NH4 去除效率从一个初始值的-20%，经四个月去除效率超过90%。结果不同于前面的HSSF人工湿地,其污染物COD,NH4 -N, TN和TP,去除效率分别为78.32%,62.57%,50.03%和32%,

CDWs的COD去除率高于HSSF CWs。另一项研究显示，CWs中COD去除率在64 ~ 82%之间。在点I1和点S1之间急剧下降。这种COD去除率的提高，可能在很大程度上是由于第一个进口区气泵产生的强化供氧。Puigagut等人(2008)观察到，与其他位置相比，更多的微生物被发现在进口区域，这有助于通过化学异养生物对有机碳进行好氧降解，化学异养生物的代谢速率比化学自养生物快。一般认为，有机质主要通过人工湿地滤床中的生物好氧降解去除，而生物好氧降解对DO浓度的依赖性较大(Butterworth et al.， 2013;Carballeira等，2017;丁等，2012)。Song等(2018)也提出曝气对有机物去除的影响最大。

与HSSF人工湿地系统处理生活污水相比,CDW1实现同等甚至更高的NH₄ -N去除效率。Li et al。(2014)观察到non-aerated人工湿地的NH4thorn;-N去除率20.5%。类似地，Akratos和Tsihrintz

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