水平潛流人工濕地沿程脫氮效率

商侃侃，倪田品,2，張國(guó)威，萬(wàn)吉爾

(1. 上海辰山植物園 中科院上海辰山植物科學(xué)研究中心，上海 201602；2. 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

城市地表水與廣大人民群眾的生活息息相關(guān)，伴隨著生活、生產(chǎn)污水以及地表徑流的排放，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽不斷輸入，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化污染[1]。但其主要水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法排入污水處理廠進(jìn)行處理，被認(rèn)為是低污染水[2]。相對(duì)于生活污水、養(yǎng)殖污水和工業(yè)廢水，低污染水具有水量較大、水質(zhì)波動(dòng)性強(qiáng)、污染物濃度相對(duì)較低等特點(diǎn)，若使用傳統(tǒng)污水深度處理方法治理，存在著技術(shù)及成本上的雙重瓶頸。如不進(jìn)行有效處理，直接排放至河流或湖泊后，仍會(huì)對(duì)水質(zhì)造成較大影響。如何去除這些低污染水中的氮、磷是目前面臨的主要難題[3-5]。

人工濕地技術(shù)是通過(guò)模擬自然濕地，由特定的基質(zhì)、植物與微生物的協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化，被廣泛用于生活污水、污水廠尾水、農(nóng)業(yè)面源污染以及畜禽養(yǎng)殖廢水的處理中，成為投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、對(duì)低污染水治理效率高的一項(xiàng)生態(tài)治理技術(shù)[6-8]。目前，關(guān)于濕地系統(tǒng)脫氮效率的沿程規(guī)律存在不同觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，濕地中污染物集中在進(jìn)水端被去除，在未種植濕地中尤為突出[9-10]；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，總氮去除率沿程變化呈現(xiàn)前端高、中部略有降低、后部又有所上升的格局[11]；第三種觀點(diǎn)認(rèn)為，濕地中部對(duì)總氮去除效率最好，可以認(rèn)為系統(tǒng)的硝化與反硝化作用在這里達(dá)到了相對(duì)平衡[12]。前兩種觀點(diǎn)是利用面積1～2 m2潛流濕地處理高污染廢水時(shí)得到的，而后一種觀點(diǎn)則是利用20 m長(zhǎng)潛流濕地處理微污染河水時(shí)提出的，但關(guān)于較大尺度上水生植物的脫氮效率研究不足。

因此，該研究以礫石水平潛流濕地為對(duì)象，將花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)、旱傘草(Cyperusalternifolius)、再力花(Thaliadealbata)、香蒲(Typhaorientalis)、蘆葦(Phragmitesaustralias)5種挺水植物種植于粒徑1～2 cm的礫石填料中，通過(guò)模擬地表水污染負(fù)荷添加低、高2個(gè)濃度水平的低污染水，監(jiān)測(cè)入水口、1/3處、2/3處和出水口的氮含量，分析不同植物水平潛流人工濕地對(duì)水體脫氮效率的沿程變化，以期為潛流人工濕地植物選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)置

試驗(yàn)場(chǎng)位于上海辰山植物園西側(cè)人工濕地水體處理場(chǎng)，由3 000 m2表面流人工濕地和3 640 m2水平潛流人工濕地組成，是園區(qū)景觀水體水質(zhì)維護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分[13]。選擇其中12個(gè)獨(dú)立的水平潛流人工濕地床，每個(gè)濕地床長(zhǎng)13.0 m、寬4.5 m、深1.0 m，分別在距離進(jìn)水口1/3處(4.33 m)和2/3處(8.67 m)設(shè)置PVC取樣管。填料主要由粒徑1～2 cm的礫石組成，深度約60 cm。2016年4月，選擇本地區(qū)常用的花葉蘆竹、旱傘草、再力花、香蒲、蘆葦5種挺水植物，將根莖隨機(jī)種植于濕地床，種植間距為0.5 m × 0.5 m，每種植物種植2個(gè)濕地床，并設(shè)置2個(gè)未種植的對(duì)照組。

1.2 試驗(yàn)方法

采用模擬城市地表低污染水進(jìn)行不同植物濕地床的水質(zhì)凈化試驗(yàn)。為保證模擬污水水質(zhì)和水流均勻，在每個(gè)潛流濕地前端放置1個(gè)4 m3的水桶，每天早上先由提升泵將園區(qū)景觀水泵入水桶。期間，添加由硝酸鈉、氯化銨、復(fù)合肥等配制而成的污水母液，配制成高、低2個(gè)濃度的模擬污水，每個(gè)濃度進(jìn)行5種植物和1個(gè)對(duì)照處理。泵滿水后打開進(jìn)水閥，按一定的流速輸入到潛流濕地，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為13～16 h，每周工作5 d，經(jīng)計(jì)算水力負(fù)荷為2.0 m3/(m2·h)。從2018年4月-10月，在濕地床的入水口、1/3處、2/3處和出水口采集水樣，每3周采集1次水樣，累計(jì)8次。以每次入水口采集和分析的水樣，作為低、高2個(gè)濃度梯度的進(jìn)水水質(zhì)(表1)。

表1 試驗(yàn)處理進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent Water Quality in Experiment

每次采集后，測(cè)定樣品pH、電導(dǎo)率、溶解氧、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總氮、氨氮、硝氮和亞硝氮等指標(biāo)。其中，pH(Hach，USA)、溶解氧(Hach，USA)、EC值(雷茲，中國(guó))采用儀器直接測(cè)定，COD經(jīng)過(guò)消解后采用儀器(Hach, USA)測(cè)定，BOD5采用五日培養(yǎng)法測(cè)定?？偟捎肨OC儀(島津V-CPN)測(cè)定，氨氮、硝氮和亞硝氮采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(SEAL AQ2)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

水平潛流人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)沿程脫氮效率用氮去除率表示，如式(1)。

R=(Ni-Nj)/No×100

(1)

其中：Ni——上一取樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)；

Nj——下一取樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)；

No——入水口水質(zhì)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 總氮去除率沿程變化

不同植物濕地總氮去除率沿程變化情況如圖1所示(其中1、2、3分別表示1/3段、2/3段和3/3段)。由圖1可知，低濃度和高濃度下去除率分別為43.59%～88.14%和35.72%～88.16%，表現(xiàn)為蘆葦>再力花、旱傘草>香蒲>花葉蘆竹>未種植，5種植物人工濕地分別高出未種植組27.13%～44.55%和12.45%～52.44%。處理低濃度污水時(shí)，6個(gè)潛流濕地對(duì)總氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)，蘆葦、香蒲和花葉蘆竹濕地前1/3段去除率分別達(dá)到77.95%、58.53%、43.13%；旱傘草和再力花濕地前2/3段都有很高的總氮去除率，累計(jì)分別為82.16%和79.25%，如圖1(a)所示。處理高濃度污水時(shí)，未種植組、花葉蘆竹和再力花濕地對(duì)總氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)，前1/3段去除率分別達(dá)到25.53%、29.33%和35.43%；蘆葦、香蒲和旱傘草濕地在中段去除率最低，呈現(xiàn)“U”型變化趨勢(shì)，3種濕地去除率最高處均位于前1/3段，分別達(dá)到48.66%、45.46%和37.76%，如圖1(b)所示。

圖1 不同植物濕地總氮去除率沿程變化 (a)低濃度；(b)高濃度Fig.1 Removal Rate of TN along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration；(b)Higher Concentration

2.2 氨氮去除率沿程變化

比較不同濕地系統(tǒng)對(duì)低污染水氨氮的沿程去除率發(fā)現(xiàn)，低濃度和高濃度下去除率分別為42.45%～99.00%和25.53%～95.42%，表現(xiàn)為蘆葦>再力花、旱傘草>香蒲>花葉蘆竹、未種植，5種植物人工濕地分別高出未種植組45.17%～56.56%和-3.16%～66.74%(圖2)。處理低濃度污水時(shí)，未種植組、花葉蘆竹、蘆葦和再力花濕地對(duì)氨氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)，前1/3段分別達(dá)到39.56%、37.70%、98.90%和66.36%；香蒲濕地前1/3段的氨氮去除率高達(dá)70.16%；旱傘草濕地2/3段氨氮去除率略高于1/3段，累計(jì)為95.44%，如圖2(a)所示。處理高濃度污水時(shí)，未種植組濕地氨氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)；旱傘草和再力花濕地在1/3段去除率最低，呈現(xiàn)“U”型變化趨勢(shì)，近出水口段去除率最高，分別達(dá)到40.93%和42.46%；花葉蘆竹濕地氨氮去除率呈沿程上升趨勢(shì)，近出水口段去除率達(dá)到14.39%；香蒲和蘆葦濕地2/3段氨氮去除率最高，分別為42.25%和22.04%，如圖2(b)所示。

圖2 不同植物濕地氨氮去除率沿程變化 (a)低濃度；(b)高濃度Fig.2 Removal Rate of along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration；(b)Higher Concentration

2.3 硝態(tài)氮去除率沿程變化

比較不同濕地系統(tǒng)對(duì)低污染水硝態(tài)氮沿程去除率發(fā)現(xiàn)，低濃度和高濃度下去除率分別為94.60%～97.42%和62.35%～99.00%，表現(xiàn)為花葉蘆竹、香蒲、蘆葦>再力花>旱傘草>未種植，5種植物人工濕地分別高出未種植組2.19%～2.82%和29.26%～36.65%(圖3)。處理低濃度污水時(shí)，花葉蘆竹、再力花和香蒲濕地的硝態(tài)氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)，花葉蘆竹、再力花和未種植濕地前2/3段累計(jì)分別為94.24%、94.84%和86.28%，香蒲和蘆葦濕地1/3段去除率高達(dá)86.51%和93.59%，而旱傘草濕地2/3段的去除率最高，為71.34%，如圖3(a)所示。處理高濃度污水時(shí)，旱傘草濕地呈沿程上升趨勢(shì)，近出水口去除率達(dá)到82.34%；花葉蘆竹、蘆葦和香蒲濕地硝態(tài)氮去除率集中在前2/3段，分別為95.74%、89.06%和81.51%，如圖3(b)所示。

圖3 不同植物濕地硝態(tài)氮去除率沿程變化 (a)低濃度;(b)高濃度Fig.3 Removal Rate of NO3-N along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration；(b)Higher Concentration

圖4 不同植物濕地亞硝態(tài)氮去除率沿程變化 (a)低濃度;(b)高濃度Fig.4 Removal Rate of along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration;(b)Higher Concentration

2.4 亞硝態(tài)氮去除率沿程變化

比較不同濕地系統(tǒng)對(duì)低污染水亞硝態(tài)氮的沿程去除率發(fā)現(xiàn)，低濃度和高濃度下去除率分別為84.56%～97.76%和76.15%～92.95%，表現(xiàn)為蘆葦>花葉蘆竹、再力花、香蒲、未種植>旱傘草，5種植物人工濕地分別高出未種植組-2.45%～10.75%和-11.92%～4.88%(圖4)。處理低濃度污水時(shí)，未種植、花葉蘆竹、蘆葦、再力花和香蒲濕地亞硝態(tài)氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)，前1/3段分別達(dá)到84.60%、67.48%、84.63%、70.88%和75.98%，濕地2/3段去除率為5.47%～30.71%；旱傘草濕地2/3段去除率最高，達(dá)到74.90%，如圖4(a)所示。處理高濃度污水時(shí)，未種植、花葉蘆竹和再力花濕地亞硝態(tài)氮去除率呈沿程下降趨勢(shì)，旱傘草濕地呈逐漸增加趨勢(shì)；蘆葦和香蒲濕地在2/3段去除率最低，呈“U”型變化，如圖4(b)所示。

3 討論與結(jié)論

人工濕地主要通過(guò)植物吸收、填料吸附以及微生物的硝化、反硝化作用對(duì)廢水的氮污染物進(jìn)行去除和轉(zhuǎn)化[14-15]，進(jìn)入潛流濕地系統(tǒng)氮的去除途徑有隨出水流出、微生物反硝化為氣態(tài)氮排出、植物吸收、介質(zhì)吸附和氨氮揮發(fā)等5種[16]。由于該試驗(yàn)采用的填料為礫石，為惰性材料，不能提供氨氮吸附需要的大量活性位點(diǎn)，且試驗(yàn)場(chǎng)地運(yùn)行已有3年，其吸附量可以不予考慮。水體通過(guò)填料過(guò)濾時(shí)，pH值變化不顯著，一般也沒有超過(guò)8.0[17]，通過(guò)揮發(fā)損失氨氮的作用也可以忽略。5種挺水植物對(duì)水體總氮和氨氮的去除率表現(xiàn)為蘆葦>再力花、旱傘草>香蒲>花葉蘆竹>未種植，硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的去除率表現(xiàn)為花葉蘆竹、香蒲、蘆葦>再力花>旱傘草、未種植，這與植物體氮磷累積效率蘆葦>再力花>旱傘草>花葉蘆竹>香蒲的研究結(jié)果基本一致[17]，且已有研究表明，濕地植物吸收總量可占投加總量的10%以上，說(shuō)明不同植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累積效率決定了濕地床對(duì)水質(zhì)的凈化效果。同時(shí)，其他研究者在盆栽試驗(yàn)和更小尺度濕地床(10 m2)試驗(yàn)中，已經(jīng)表明蘆葦對(duì)水體氮的去除效率高于香蒲[18-19]，而該研究在工程應(yīng)用尺度上也進(jìn)一步證實(shí)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明這兩者比較結(jié)果可以進(jìn)一步推移到更大規(guī)模的工程應(yīng)用中。

濕地植物既可以通過(guò)自身組織直接吸收污染水體的氮，也可以通過(guò)形成根際周圍好氧、厭氧區(qū)域有利于微生物的硝化-反硝化作用，促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化去除[14]。該研究中未種植、花葉蘆竹、蘆葦、再力花和香蒲處理總氮為10 mg/L以下低濃度污水時(shí)，總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮沿程去除率總體呈下降趨勢(shì)，尤其是蘆葦在1/3段即達(dá)到了77.95%的去除率，而旱傘草2/3段氮素去除率均最高，這與張彩瑩等[9]、欒曉麗等[10]研究結(jié)果一致。除蘆竹外，其他4種植物濕地總氮基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn)；蘆葦、再力花、旱傘草濕地出水氨氮達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，香蒲濕地出水氨氮達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，蘆竹濕地出水氨氮達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。而從植物生長(zhǎng)來(lái)看，從生物量積累來(lái)看，再力花、旱傘草、蘆葦?shù)睦塾?jì)生物量積累在2 m處已占濕地床總生物量的51.5%、49.6%和54.4%，分別至7、9 m和7 m處時(shí)累計(jì)生物量積累已占到90%以上；花葉蘆竹、香蒲的累計(jì)生物量在5 m處占到50%以上，分別至10、11 m處時(shí)累計(jì)生物量占到90.2%和92.7%[17]。處理總氮為20 mg/L的低濃度污水時(shí)，總氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮沿程去除率基本呈現(xiàn)前端去除效率高，中部略有降低，后部又有所上升，這與王偉濤[11]的研究結(jié)果一致。5種植物濕地出水總氮均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。除蘆竹濕地外，其他4種植物濕地出水氨氮達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其整個(gè)濕地床植物生長(zhǎng)表現(xiàn)良好。

因此，在營(yíng)建植物直接種植于礫石填料且水力負(fù)荷為2.0 m3/(m2·h)的濕地床時(shí)，應(yīng)綜合考慮植物的生長(zhǎng)效果和沿程脫氮效率，處理總氮為10 mg/L左右的低濃度污水時(shí)，種植蘆葦和香蒲的濕地床5 m左右為宜，種植花葉蘆竹、旱傘草、再力花的濕地床以9 m左右為宜。處理總氮為20 mg/L左右的低濃度污水時(shí)，蘆葦、香蒲、旱傘草和再力花的種植長(zhǎng)度至少為13 m，均可以使?jié)竦爻鏊_(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，蘆葦為最佳選擇。