亢东梅
关键词：人工湿地；水环境；污水；氧化法；去除率
中图分类号：X703.1 文献标志码：B
前言
人工湿地是指为提高湿地的生态修复能力和净化污水而人工设计和建设的工程系统。人工湿地处理和净化污水的机理极其复杂，由于不同水质指标和影响因素的不同，人工湿地处理不同水质指标所反映出的沉淀、离子交换、代谢和吸收机制也不同。因此，有必要对人工湿地水环境中污水的处理方法进行深入研究。刘洋等人采用石菖蒲进行水质净化。申渝等人利用改性微生物絮凝剂对污水进行处理。但是上述方法可能对于特定的水体和污染物类型有适应性限制。
对此，文章以人工湿地水环境污水为实验背景，根据污水氧化处理流程，设计实验方案，通过改变处理过程中的控制参数变量，探究氧化处理方法对污水中各污染物的去除效果。希望文章研究成果能够为污水处理方法带来一定的参考价值。
1实验准备
1.1实验用水及设备
人工湿地水环境可以通过物理、化学等方式对污染水体进行过滤和处理，从而获得净化的水质。为了模拟人工湿地水环境的进水水质，在实验中选择了复合人工湿地系统细格栅后二沉池中的污水。生活污水与工业污水的体积比为4：6，水质指标为：COD（化学需氧量）浓度范围114.6～563.2 mg/L，pH值6.5，电导率2100 us/cm；NH4-N（氨氮）浓度范围20.3～45.6 mg/L，pH值8.2，电导率1256 us/cm；TP（总磷）浓度范围6.2～10.8 mg/L，pH值3.3，电导率1345 us/cm;TN（总氮）浓度范围3.6～5.7 mg/L，pH值7.9，电导率879 us/cm；NO2-N（硝氮）浓度范围0.2～2.8
mg/L，pH值5.0，电导率2254 us/cm；BOD（生物需氧量）浓度范围107.6～459.3 mg/L，pH值7.0，电导率1250 us/cm；石油类污染物浓度范围0.5～2.0mg/L，pH值8.5，电导率496us/cm。
实验中采用氧化工艺处理进水水质，实验过程中使用到的仪器及设备为：szx - TJ超净工作台、HZQ - F160型全温度振荡培养箱、YX - 280手提式高压蒸汽灭菌器、pHS - 25数显pH计、UV - 1800紫外分光光度计、TG328A分析天平、TW - 2000W可控调温电炉、Fuhe80-1电动离心机。
对于污水中COD、氨氮、总磷和总氮这4种污染物的浓度分别采用快速消解法、纳氏试剂法、重铬酸钾比色法、碱性硫酸钠吸收法和铂钴色谱分析法测定。并使用UV -1800分光光度计分析上述污水中污染物的变化。
1.2实验装置
实验装置包括稳定池、过滤器、循环泵、发生器和氧化塔以及其他相关配件。为了采集和分析水样，应沿组合系统的水流方向设置相对固定的采样点，水样1至5的采样点应标记如下：系统反洗人口为水样1的采样点，稳定罐中段为水样2的采样点；循环泵为水样3的采样点，发电机中段为水样4的采样点，系统的出口是水样5的采样点。
对于生物膜样品的采集和分析，应在两个池中的多个相对固定的采样点采集生物膜样品，并将每个池的膜样品混合均匀，作为分析和测试的研究对象。除上述三种生物膜微生物外，还对氨化菌、硝化菌和反硝化菌的数量进行测定和分析，并测定生物膜磷酸酶、脉冲酶和脱氢酶的活性。同时，对生物膜中的优势细菌进行鉴定。
1.3过滤填料选择
选择城市污泥再生填料作为氧化实验装置中的过滤填料，该填料由脱水污泥经造粒干燥和高温烧结制成，城市污泥再生填料具有孔隙比大、表面积大、表面粗糙、吸附能力强的特点，满足微生物在氧化塔内的生长条件。氧化反应装置中的过滤填料的铺设方法采用反粒径法，即在装置内部均匀铺设两层过滤填料，并遵循上填料的粒度应远大于下填料的粒度的原则。因此，在此实验中，填料上层的粒径为10～18 mm，下层的粒径为6～9 mm。这种方法有助于溶解和扩散氧化塔中的氧气。
2基于氧化法的污水处理方法
2.1最佳气水比确定
溶解氧浓度的比例是氧化装置中的一个重要控制参数。向氧化系统中注入适量的氧气，不仅可以满足生物膜的生长需求，还可以促进老化生物膜的快速分离，产生新的生物膜。因此，确定氧化装置的最佳气水比是确保二次出水水质达标的重要步骤。实验开始前，将气水比参数设置为10～20，进水温度保持在18℃，水力停留时间为8h。分别观察人口和出口环境中好氧区的氧含量（DO），通过比较DO值来确定本装置的最佳气水比，计算公式如式（1）所示：
基于上述实验参数设定及DO值测定公式，测定的DO值水质指标见表1。
由表1可知，反应器中进水与出水的DO浓度不断增大，氧气吸收率也逐渐升高，而当氧化装置的气水比为1：5时，DO测定值最大，之后DO值随着气水比的增大而降低。说明当气水比为1：5时，能够达到最佳污水处理效果，因此，确定氧化实验装置的最佳气水比为1：5。
2.2氧化处理工艺流程设计
文章主要采用多段式催化氧化处理工艺净化人工湿地水环境污水，主要处理工艺流程见图1。
氧化处理污水工艺的主要运行参数为：在向上流时，催化剂层空床水力停留时间为56 min，氧气投加量为43.2 mg/L，进水流量为0.32m3／h；在静置时，催化剂层空床水力停留时间为30 min，氧气投加量为36.1mg/L，进水流量为0.32 m3／h；在下向流时，催化剂层空床水力停留时间为56 min，氧气投加量为45.9 mg/L，进水流量为0.32m3／h。
3污水处理效果分析
3.1污水COD处理效果分析
将氯酸钠质量与氧化装置进水COD、出水COD与氧化处理后COD的去除率关系绘制成变化曲线，见图2。
如图2所示，在装置运行初始阶段，进水COD浓度在53.2～57.9mg·L-1之间小幅度波动，在连续进水并逐渐增加氯酸钠质量后，COD的去除率基本稳定在85%以上，出水COD也趋于稳定，表明氯酸钠含量对氧化处理污水COD是有影响的，当氯酸钠投加量为16mg时，污水COD的降解效果最好。
3.2氨氮处理效果分析
实验中来自人工湿地水环境的污水被放入反应器中，并以潮汐方式运行。反应器中的氧含量控制在3mg/L或以上，潮汐频率为每天3次，浸没与排空时间比为2：1，填料膜悬挂的环境温度控制在160C至30℃之间。得到的污水氨氮去除效果见图3。
由图3可知，开始挂膜的初期，氨氮的去除效果极不稳定，且去除率在20%以下，去除效果不佳，进水氨氮与出水氨氮浓度基本无明显差别，直到相同运行12 d后，出水氨氮浓度出现骤降趋势，最大变化量为24.8 mg·L-1，直到第15 d，氨氮的去除率达到80%以上，且去除效果逐渐稳定，说明此时污水生物膜挂膜成功，得到二次净化水，可达标排放。
3.3总磷及总氮去除效果分析
有研究表明，原始污水中的酸碱度即pH值与氧化装置去除污染物效果具有直接关系。因此，为探究进水pH值对污水总磷、总氮去除效果的具体影响，实验分别将进水pH值在1.5～12.0之间进行调节，并对装置运行相同时间下的水样总磷与总氮含量进行监测，结果见图4。
氧化装置对不同pH值进水水样中的总磷与总氮的去除效果如图4所示，可以明显看出，系统运行期间，随着水样pH值的增大，系统对于污水中总磷与总氮的去除率逐渐提升，当水样pH值为7.5时，总磷与总氮的去除率达到了100%，而当水样pH值持续增大时，污水总磷与总氮的去除率反而下降，出现这种现象的主要原因是当进水逐渐偏向于碱性时，氧化池内的微生物及易成活细菌对于稳定池内的污染物的适应能力更强，在曝力剪切作用下，能够以碎屑形式排除反应器，从而影响了去除效果。由此可以说明，当进水pH值为中性时，污水中总磷、总氮可获得最佳的去除效果。
3.4不同方法污水处理效果分析
为验证文章污水处理实用性，以污水处理时间做为测试指标进行测试，对比方法选用文献[3]方法与文献[4]方法作为对比方法进行对比分析。结果见图5。
根据图5可以看出文章方法的处理时间明显低于对比方法，随着污水量的增加，文章方法的处理时间始终低于15 d，而对比方法最短时间已超过20 d。由此可见，文章方法的污水处理效率较高，具有实用性。
4结束语
为深入分析污水氧化处理工艺方法的应用效果，文章以人工湿地水环境污水为实验背景，根据污水氧化处理流程，设计实验方案，通过改变处理过程中的控制参数变量，探究氧化处理方法对污水中各污染物的去除效果。实验结果表明，人工湿地污水氧化处理方法对生活与工业混合污水的净化效果较好，在挂膜期间的COD、氨氮、总磷和总氮去除率稳步提升，且波动范围较小。当氯酸钠投加量为16 mg，进水pH值为中性时，氧化处理时间越长，污水中COD、氨氮、总磷和总氮去除效果越好，污水中各污染物的去除率可达80%以上，使得污水净化后达到排放标准，且文章方法的污水处理时间始终低于15 d。表明在实际应用中，采用氧化法处理在工艺技术上是可行的，污水处理效果较为稳定。
