不同進水濃度對組合人工濕地脫氮效率的影響

張燕 劉雪蘭 王月明 井慶川 伏春燕 閻佩佩 石天虹 劉瑞亭 魏祥法

摘要：研究低、中、高3種不同進水濃度對種植美人蕉（Canna indica）的組合人工濕地（表面流-水平流）氮去除效率的影響以及作用機理。結(jié)果表明：在總氮（TN）為240 mg/L，化學(xué)需氧量（CODCr）為490 mg/L的高濃度進水條件下該濕地系統(tǒng)能正常運行，并有效去除氮和有機質(zhì)，9月份濕地系統(tǒng)對氮的去除效果高于7月份。該人工濕地脫氮效果受水力停留時間及進水濃度影響。

關(guān)鍵詞：進水濃度；人工濕地；脫氮效率；硝化作用；反硝化作用；碳源；美人蕉

中圖分類號：S181文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）03-0066-06

Abstract The removal efficiency of nitrogen as well as the removal mechanism in integrated constructed wetlands with Canna indica were studied in this experiment under low， middle and high influent concentrations. The results showed that the wetlands could run well and effectively remove nitrogen and organic matter under high influent concentration with the TN of 240 mg/L and CODCr of 490 mg/L. There was higher removal efficiency of nitrogen in September than that in July. Both prolong hydraulic retention time （HRT） and influent concentration could affect the nitrogen removal efficiency in integrated constructed wetlands.

Keywords Influent concentration；Constructed wetlands； Nitrogen removal efficiency；Nitrification； Denitrification； Carbon source； Canna indica

近年來，隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人們逐漸認識到生態(tài)治污的重要性[1，2]。人工濕地是生態(tài)治污的重要工藝，它是由基質(zhì)、水生植物、微生物等共同組成，經(jīng)人工建造模擬自然濕地結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體，利用系統(tǒng)中基質(zhì)、水生植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的高效凈化[3，4]。人工濕地因具有投資運行費用低、運行穩(wěn)定、處理效果好、生態(tài)效益顯著等諸多優(yōu)點，成為水體修復(fù)的重要技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于處理各類污水，尤其是含氮污水的處理[5，6]。不同類型的人工濕地對不同形態(tài)氮的去除能力不同且各有優(yōu)缺點，例如表面流人工濕地復(fù)氧能力強，有利于去除耗氧的氨氮和有機污染物，但占地面積大、衛(wèi)生條件較差，常作為污水預(yù)處理系統(tǒng)；水平流人工濕地占地面積小、衛(wèi)生條件好、保溫性能好，可承受較大水力和污染物負荷，但供氧能力不足；而垂直流人工濕地復(fù)氧能力較水平流人工濕地好，但造價較高。因此目前越來越多的研究者將目光聚焦在兩種或多種類型的人工濕地組合工藝上[7，8]。然而，目前國內(nèi)有關(guān)組合人工濕地的研究多集中在低污染負荷（如農(nóng)田退水）條件下濕地系統(tǒng)的去除能力，高污染負荷（如養(yǎng)殖污水）條件下其脫氮能力的研究有限，在一定程度上限制了人工濕地的應(yīng)用和推廣，尤其對畜禽養(yǎng)殖污水處理的應(yīng)用；而且不同植物生長時期可能對其去除能力影響不同。本研究根據(jù)家禽養(yǎng)殖污水的特點，立足于組合人工濕地污水處理技術(shù)的優(yōu)點，考察不同污染負荷條件下和植物不同生長時期濕地系統(tǒng)的脫氮能力，以期為人工濕地處理高氮負荷污水，尤其是家禽養(yǎng)殖污水提供理論依據(jù)，為生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與設(shè)計

于2016年5月底開始，開展組合（表面流-水平流）人工濕地系統(tǒng)試驗研究。每組裝置分別由表面流段和水平流段組成，共8組實驗裝置。其中表面流段和水平流段箱體有效長度、寬度、深度均分別為1.20、0.50、0.85 m。填充基質(zhì)深度為0.65 m，其中填充基質(zhì)底層為0.55 m的爐渣，粒徑為5～30 mm，上層為粒徑<5 mm的爐渣，其厚度為0.10 m。試驗裝置整體坡度約1%，初始有效水深0.60 m。在裝置中將帶有芽苞的美人蕉（具有景觀價值）根莖植入濕地基質(zhì)中，種植密度（以根莖計）為40株/m2。每組裝置的表面流段和水平流段又分別分為進水區(qū)（0.15 m）、處理區(qū)（0.90 m）和出水區(qū)（0.15 m）。進水經(jīng)過進水區(qū)內(nèi)礫石進入濕地處理區(qū)，出水經(jīng)處理區(qū)后部穿孔板進入礫石出水區(qū)，流出濕地系統(tǒng)。組合人工濕地模擬裝置示意圖見圖1。

試驗前期主要是為了保障美人蕉正常生長以及濕地系統(tǒng)內(nèi)部有益微生物的生長繁殖，在此期間僅不定期向人工濕地補充試驗場內(nèi)蓄水池中的水，使裝置中的水位相對穩(wěn)定（表面流段水位在基質(zhì)層以上15 cm，水平流段水位在基質(zhì)層以下5 cm）。其中水質(zhì)指標參數(shù)如下：總氮（TN）為0.30～0.67 mg/L，銨態(tài)氮（NH+4-N）為0.06～0.15 mg/L，硝態(tài)氮（NO-3-N）為0.01～0.46 mg/L，化學(xué)需氧量（CODCr）為26.0～36.1 mg/L，總磷（TP）為0～0.05 mg/L，pH值為7.21～7.79。進行為期2個多月的培育試驗，保障植物長勢一致，待美人蕉株高約70 cm開始正式試驗。正式試驗時間為2016年7月至9月底，其中7月份是美人蕉快速生長時期，株高約70 cm，9月份是美人蕉開花期，株高超過100 cm，生物量也較大。

采用人工配制試驗用水。試驗進水以硝酸銨（NH4NO3，分析純）配制，總氮分別為60（低濃度，以N計）、120（中濃度）、240（高濃度）mg/L，并向各裝置進水中添加磷酸氫二鈉（Na2HPO4·2H2O）、葡萄糖，使進水磷的質(zhì)量濃度為10 mg/L，CODCr濃度為479～490 mg/L，保證試驗進水中CODCr含量誤差在5%以內(nèi)。

8組試驗裝置，分別采用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)控流量，分別設(shè)定流動水體在裝置中水力停留時間（hydraulic retention time，簡寫為HRT）為0.25、0.5、1、2、4、12、24、48 h，不同HRT均通過排水控制閥瞬息排水，排水后落干一段時間后，再進行下一個時段試驗。

1.2 樣品采集與測定

在水平流段出水口采集水樣，分別監(jiān)測水中的TN、NH-4-N 、NO-3-N以及CODCr含量。每組試驗裝置收集3份水樣，并現(xiàn)場混合均勻，帶回實驗室測試分析。采用紫外可見分光光度計（UV-8000S）以及離子色譜法，測定水樣中TN、NH+4-N和NO-3-N含量，采用重鉻酸鉀法測定CODCr含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分別用SPSS 17.0和Origin 8.0軟件進行數(shù)據(jù)處理分析和插圖制作，并采用單因素方差分析進行差異顯著性分析，其顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 組合人工濕地對TN的去除效率

濕地系統(tǒng)中存在多種脫氮機理，包括植物吸收、基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)、硝化-反硝化等。植物吸收在有限的時間內(nèi)吸收利用量有限，且通過植物刈割才能脫離濕地系統(tǒng)；基質(zhì)吸附的氮素仍在濕地基質(zhì)床內(nèi)，未脫離濕地系統(tǒng)；而氨揮發(fā)量較低，因此，通過微生物代謝過程進行硝化-反硝化將氮素轉(zhuǎn)化為N2揮發(fā)而脫離濕地系統(tǒng)是人工濕地脫氮的主要途徑[13，14]。從圖2可以看出，水中TN的去除率隨著HRT的延長而增加；進水氮負荷也明顯影響濕地系統(tǒng)的氮去除能力，進水氮濃度越高，濕地系統(tǒng)的氮去除率越低。7月份濕地系統(tǒng)的去除能力低于9月份，這是因為盡管7月份美人蕉處于生長快速期，但生物量和根系的發(fā)達程度不及9月份。另外，進水濃度也影響美人蕉的生長，高濃度條件下其生物量增加明顯減少，影響了高濃度條件下TN的去除率。

2.2 組合人工濕地對NH+4-N的去除效率

從圖3可以看出，無論7月還是9月，3組濃度條件下去除率為：低濃度>中濃度>高濃度，且隨HRT延長NH+4-N去除率均呈增加趨勢，在4 h之后低濃度與高濃度之間差異顯著（P<0.05），而4 h之前的去除率差別不大。這說明進水濃度明顯影響系統(tǒng)對NH+4-N的去除能力，同時也說明濕地系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)爐渣吸附和植物作用在試驗初期起到很大作用。爐渣中含有CaO、SiO2、Na2O、MgO、TiO、Al2O3和Fe2O3等組分，在堿性水條件下，在爐渣基質(zhì)表面可產(chǎn)生羥基負離子，NH+4與羥基負離子間產(chǎn)生靜電吸附作用，可大大增加NH+4-N的吸附率；另一方面爐渣含有Na+，一部分NH+4通過與Na+進行離子交換而被爐渣吸附。爐渣的多孔結(jié)構(gòu)有利于空氣中的氧進入濕地內(nèi)部，提升濕地系統(tǒng)的復(fù)氧能力，為微生物硝化作用的進行提供條件[9]。

HRT越長，基質(zhì)對水中NH+4-N的去除作用越強，同時美人蕉根系對水中NH+4-N的吸收和利用作用也越強，而且美人蕉根系具有輸氧作用，能為基質(zhì)床有益微生物提供好氧-缺氧-厭氧環(huán)境，便于微生物的硝化與反硝化作用[10]。此外出水溶液的pH 值為8～9，一部分氨氮可能會以氣體方式溢出。

對比7月和9月，同一濃度下7月份的NH+4-N去除率明顯低于9月份的，這是由于9月份濕地系統(tǒng)中基質(zhì)床基質(zhì)仍然沒有達到吸附飽和，而且美人蕉已能適應(yīng)各濃度進水條件，生物量、數(shù)量等增加，根系更發(fā)達，更能發(fā)揮其有效作用，進一步促進了濕地系統(tǒng)對NH+4-N的去除。因此HRT為48 h時，7月NH+4-N最高去除率為46.24%，而9月份最高去除率為62.03%。

2.3 組合人工濕地對NO-3-N的去除效率

由圖4所示，進水濃度影響了水中NO-3-N的去除，不同濃度條件下去除率也表現(xiàn)為：低濃度>中濃度>高濃度。隨著HRT的延長，對NO-3-N的去除率也呈增加趨勢。HRT<4 h，NO-3-N的去除率較低，可能是由于水中較多的溶解氧一定程度上限制了對NO-3-N的去除，致使其去除率不到20%；隨著HRT的延長，水中溶解氧減少，NO-3-N的去除率快速升高，當(dāng)HRT為48 h時，低濃度條件下NO-3-N的去除率高達93.27%，高濃度條件下最低去除率也達到47.24%。研究表明NO-3-N離子呈負電性，基質(zhì)爐渣膠體也成負電性，對其吸附能力幾乎為零，且有限的時間內(nèi)，美人蕉對NO-3-N的吸收利用能力較弱，遠不及對NH+4-N的吸收利用能力[11]，這說明濕地微生物可能在NO-3-N的去除能力上發(fā)揮更重要作用。

Vymazal[12]指出在缺氧、厭氧條件下充足的碳源能為微生物反硝化反應(yīng)提供能源，促進NO-3-N的去除，可用公式表示為：

根據(jù)該公式，可以揭示本研究中硝態(tài)氮去除率較高的原因，即隨著HRT延長，組合流濕地系統(tǒng)中尤其水平流段出現(xiàn)較多缺氧、厭氧區(qū)，厭氧微生物利用試驗添加的葡萄糖作為碳源將NO-3-N轉(zhuǎn)化為氮氣（N2），脫離濕地系統(tǒng)。在低濃度條件下碳源量更充足，微生物反硝化作用更強，NO-3-N的去除率更高。試驗中并沒有發(fā)現(xiàn)NO-3-N的去除率下降，這說明NH+4-N經(jīng)過硝化反應(yīng)產(chǎn)生NO-3-N的速率不及反硝化作用消耗NO-3-N的速率。此外由于7月為試驗初期，可能濕地系統(tǒng)基質(zhì)孔隙度較高，水中溶解氧影響了NO-3-N的去除，而9月美人蕉根系相對發(fā)達，降低了基質(zhì)床的孔隙度，且植株枝葉茂盛，減少了濕地系統(tǒng)與外界氧交換，提升了NO-3-N的去除能力，使得9月份NO-3-N的去除率高于7月份。

2.4 組合人工濕地對CODCr的去除效率

圖5所示，組合流濕地系統(tǒng)中CODCr的去除率隨著HRT的延長也呈增加趨勢，不同濃度之間差異不顯著（P>0.05）。低分子碳水化合物葡萄糖作為碳源時，作為反硝化碳源提供者，可為厭氧微生物的反硝化作用提供能源[15，16]，但由于試驗初期HRT較短，厭氧環(huán)境較少，不利于厭氧微生物的作用，因此可認為試驗初期有機質(zhì)的去除主要通過好氧微生物的作用[17，18]。當(dāng)HRT>12 h，缺氧、厭氧環(huán)境較充裕，有利于微生物進行反硝化作用，從而提高了CODCr的去除率。但后期碳源和氮源減少，硝化作用減弱，使得后期CODCr去除率的增加幅度減小，因此在人工濕地運行過程中適時添加碳源，更有利于CODCr的去除。由于9月份組合流濕地系統(tǒng)為微生物反硝化作用提供了有利條件，使得9月份各濃度條件下CODCr的去除率均高于7月份。另外，流動的水體經(jīng)過基質(zhì)以及植物根系時也會有部分有機質(zhì)被截留附著在基質(zhì)及植物根系表面，盡管這部分量相對于微生物作用較少，但也不應(yīng)忽視。

3 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，美人蕉組合人工濕地能有效去除氮和有機質(zhì)，在高濃度條件下（TN為240 mg/L，CODCr為490 mg/L）也能正常運行，其中9月份氮的去除效果好于7月份。隨著HRT延長，氮素和有機質(zhì)的去除率增加，尤其是對TN、NH+4-N和NO-3-N，其去除率分別高達64.78%、62.03%和93.27%。因此，延長水力停留時間有利于組合人工濕地中氮素的去除。此外不同進水濃度影響氮素不同形態(tài)的去除效果，但對CODCr的去除效果影響不明顯，而有機質(zhì)減少卻影響氮素的去除。

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