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城镇污水处理厂二级出水具有易于微生物降解的有机物浓度低、氨氮和TN浓度较高的特点。对其进行深度脱氮处理可以减轻受纳水体的污染负荷、补充我国的淡水资源。以湖南省长沙县某城镇污水处理厂二级出水为研究对象,基于生物沸石快速吸附-再生动态平衡技术构建了生物沸石人工湿地现场中试装置,考察了其对二级出水中氨氮强化硝化的效果、温度的影响。从生物沸石人工湿地进出水氨氮减少量、硝态氮增加量、TN变化量三个方面定量分析了氮的主要去除途径。结合沸石基质硝化反硝化潜力、生物沸石人工湿地ORP时空分布特征浅析了强化硝化机理。根据生物沸石人工湿地出水中硝态氮的浓度,在实验室配水开展反硝化床试验,考察了3组不同木屑体积比反硝化床的硝态氮去除效果,沿程硝态氮变化,出水有机物、氨氮、亚硝态氮变化,以及温度、水力停留时间的影响。主要研究结论如下:1.生物沸石人工湿地强化硝化二级出水中氨氮的效果显著。在正常运行阶段,生物沸石人工湿地对氨氮的平均去除率高达90.5%,出水中氨氮的浓度低于0.5 mg/L。2.温度对生物沸石人工湿地氨氮硝化率的影响显著。低温阶段(7℃~13℃)生物沸石人工湿地对氨氮的平均硝化率为50.1%,正常运行阶段(18℃~34℃)生物沸石人工湿地对氨氮的平均硝化率为134.9%。3.在生物沸石人工湿地377 d的运行期间,进出水氨氮的减少量和硝态氮的增加量基本保持一致。氨氮主要是被生物沸石人工湿地内的微生物通过硝化作用转化成了硝态氮。4.生物沸石人工湿地各部位不同运行时间段的ORP值都在300 mV以上,平均值为456 mV,表现出好氧环境,硝化能力强。在进水2 h、放空0 h、3 h和7 h时人工湿地的平均ORP值分别为436.2 mV、457.6 mV、476.9 mV和452.0 mV,进水携带的氧和大气复氧可以满足生物沸石人工湿地发生硝化和有机物降解反应对溶解氧的需求。在埋深15 cm、25 cm和35 cm处人工湿地的平均ORP值分别为538.7 mV、424.1 mV和404.2mV,生物沸石人工湿地的复氧主要来自大气扩散和进水本身的溶解氧。随着生物沸石人工湿地埋深的增加,大气扩散作用减弱,因此ORP沿深度逐渐降低。5.生物沸石人工湿地沸石的平均硝化潜力和反硝化潜力分别为1.30 mg·kg-1·h-1、11.19 mg·kg-1·h-1。生物沸石人工湿地系统中的硝化潜力和反硝化潜力均表现出明显的分层现象。表层、中层和底层的平均硝化潜力分别为1.86 mg·kg-1·h-1、1.06 mg·kg-1·h-1和0.98 mg·kg-1·h-1,平均反硝化潜力分别为12.53 mg·kg-1·h-1、11.09 mg·kg-1·h-1和9.94mg·kg-1·h-1。沿水流方向,硝化潜力逐渐降低,反硝化潜力逐渐升高。6.在正常运行阶段,反硝化床进水硝态氮的平均浓度为9.9 mg/L,1号(木屑体积占比为50%)、2号(木屑体积占比为30%)和3号(木屑体积占比为15%)反硝化床对硝态氮的平均去除率分别为63.4%、50%和33.9%,平均去除效能分别为6.4 gN·m-3·d-1、5.8gN·m-3·d-1和4.3 gN·m-3·d-1。本实验条件下,木屑最佳体积占比为50%。7.反硝化床中硝态氮的浓度沿程降低,硝态氮沿程降低的幅度与木屑填充量正相关。木屑填充量越多,提供的电子供体越多,硝态氮沿程降幅越大。0 cm~20 cm、20 cm~40 cm和40 cm~60 cm三段的单位距离硝态氮的降低值并不一致,表明硝态氮在反硝化床中不是被匀速的沿程去除的。8.在启动阶段的第1天和2天,1号、2号和3号反硝化床出水中COD、氨氮、亚硝态氮浓度极高,最高分别为463.3、397.6和200.3 mgCOD/L,14.72、8.56和3.59mgNH4+-N/L,1.61、1.27和1.20 mgNO2--N/L。主要是木屑在水中自然浸出有机质和氨氮产生的。到第3天,1号、2号和3号反硝化床出水中COD、氨氮、亚硝态氮浓度迅速降低,后期缓慢降低并稳定。9.在正常运行阶段,1、2、3号反硝化床出水中COD、氨氮、亚硝态氮的平均浓度分别为17.1、13.9和11 mgCOD/L,0.31、0.25和0.20 mgNH4+-N/L,0.09、0.18和0.10mgNO2--N/L。正常运行阶段木屑中有机物和氨氮的释放速率和微生物对碳源和氨氮的利用速率达到平衡,出水COD和氨氮的浓度基本稳定。亚硝态氮主要来自反硝化作用的中间产物。10.温度、水力停留时间对反硝化床硝态氮的去除效果均有所影响。1号、2号和3号反硝化床的温度系数分别为1.19、1.15和1.10。在水温范围为10℃~36℃时,随着出水水温的升高,3组反硝化床的硝态氮去除效能均增大。在适宜的温度范围(25℃~40℃)内,1、2、3号反硝化床水力停留时间由2.9 d延长1倍至5.8 d时,硝态氮去除率分别由63.3%、45.9%和32.8%提升至85.6%、68.9%和50.9%。