基于短程硝化的微纳米曝气技术强化人工湿地脱氮机理研究

Based on the development of constructed wetlands(CWs), the project aim to solve poor nirtrogen efficiecy of constructed wetland,which result from low oxygen concentration in the units.The small sacal wastewater treatment are designed with limited areation concentration to keep the DO concenration between 0.5mg/L-1.0mg/L in the units.The nitrogen removal capabilitiy of CWs are studied and the influece factes are discussed. Seasonal effect on nitrogen transformation and nitrogen distribution are determined accordtiong series of laboratory scale experiments.The advanced monitor and analysis methods,such as PCR,FISH,DGGE are adopted for determing the activity and diversity of the microbial group.Meanwhile, plant uptake and oxygen release in rhizomes are dicussed.The prospective results in the project will provide theory for the mirobubble technology used for small city wastewater treatment.

针对水平潜流湿地植物释氧与大气复氧效率差，系统内部溶解氧浓度低，氨转化能力弱，脱氮效能差的问题，依据当前国内外最新发展趋势，结合申请者已有研究成果，基于短程硝化理论，构建微纳米曝气人工湿地强化脱氮装置，通过微纳米曝气系统调控湿地溶解氧浓度，维持湿地内溶解氧稳定在0.5-1.0mg/L低氧环境中，实现氨氮通过短程硝化过程转化，将系统脱氮效率提高至80%-90%。系统开展人工湿地微纳米曝气技术脱氮效能研究及评估，探讨微纳米曝气时间、曝气强度、曝气位置对湿地脱氮效能的影响机制，解析微纳米曝气对氮素时空分布及迁移转化规律影响机制，采用PCR -DGGE、FISH 技术等分子生物学手段，对人工湿地不同层次和断面的微生物进行识别，阐释微纳米曝气技术对微生物活性及菌群结构及活性的影响，解析微纳米曝气强化脱氮技术对植物氮吸收及根系释氧的强化机制，为微纳米曝气强化人工湿地脱氮技术在中小城镇应用提供科学依据。

通过改变人工湿地的运行条件，如温度、进水负荷、进水有机物及磷浓度、曝气量等因素，对人工湿地强化脱氮技术进行了总体研究。主要研究结果可以分为五点。第一，首先对人工湿地冬季保温技术进行了研究，得到如下结论：（1）纯猪粪发酵产热温度高于室温时间达到60d，累积热量损失最多达8.862kJ/g，是增温技术最为理想的配比。（2）物料发酵产热过程也是腐殖酸（胡敏酸及富里酸）生成与积累的过程。（3）不同C/N物料释放的热量均来源于微生物对简单有机化合物的分解。第二，研究了深型地下土壤渗滤系统对分散式生活污水净化效果及机理，得到以下结论：（1）在深型地下土壤渗滤系统中，出水中基本控制指标COD、NH4+-N、TN及TP等均达到了一级A标准；（2）污水中的氮主要是在传统的硝化反应—反硝化反应的作用下去除的。（3）在反硝化脱氮过程中，反硝化反应进行的完全程度与碳源直接相关；（4）在地下土壤渗滤系统内反硝化反应过程中可以利用难降解有机物为其提供反应所需的碳源。但是难降解有机物并不是直接被利用，而是先转化为易降解的色氨酸类物质，然后才被微生物利用。第三，全面考察了磷对深型土壤渗滤系统中脱氮效果的影响，以及磷对深型土壤渗滤系统快速启动机制的影响：（1）磷负荷不影响系统氮、磷最终出水水质，但是对氮、磷的去除过程有影响；（2）土壤对磷有强烈的吸附固定作用，是去除磷的主要方式；（3）土壤对氮的去除主要是依赖其硝化-反硝化作用，提高磷浓度能加快浅层土壤的脱氮速率，尤其是反硝化速率。第四，探究了富里酸在深型土壤渗滤系统中的降解过程及其对反硝化过程的作用机制，结果表明：（1）碳源是限制反硝化脱氮过程的主要因素；（2）富里酸的加入可以促进难降解的类富里酸物质转化为易降解的类蛋白物质，从而促进反硝化脱氮过程，提高系统脱氮效率。第五，对人工湿地微纳米曝气技术脱氮效能、行为及影响因素进行了研究，得到以下结论：（1）微纳米曝气系统可以将传统系统驯化时间缩短40%以上，并将TN去除率提升至85.77%；（2）微纳米曝气系统主要是通过适度提升土柱氧浓度，将土柱划分为三个脱氮功能区并实现了高效脱氮。