垂直潛流濕地低碳脫氮過程中的分層效應(yīng)

張曦冉，高桂蘭，2，陳 帥，2，郭耀廣，2，梁 波，2，關(guān) 杰，2

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海201209；2.上海第二工業(yè)大學(xué)資源循環(huán)科學(xué)與工程中心，上海201209）

氮素的流失和污染可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水環(huán)境問題， 因此氮素的相互轉(zhuǎn)化是水環(huán)境污染控制的重點(diǎn)研究方向〔1〕。 近年來，由于人們生活方式轉(zhuǎn)變所造成的低碳源城鎮(zhèn)生活污水等問題〔2〕尤為嚴(yán)重，如何在低碳情況下提高污染水體TN 的去除效率一直是水環(huán)境污染防治領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 人為引入碳源是一種常見的處理方法，然而此方法造成的直接后果是引入新的有機(jī)污染物、增加處理成本和管理難度〔3〕。 人工濕地是一種管理簡便、 脫氮效果良好的生態(tài)處理技術(shù)。 其中，垂直潛流人工濕地具有占地面積小、氧轉(zhuǎn)移效率高、硝化作用顯著、對(duì)的去除效果較好等優(yōu)點(diǎn)〔4〕，已被證明是一種提高污水處理中有機(jī)物和氮去除效率的有效技術(shù)〔5〕。 在人工濕地污染物處理過程中，植物通過根系釋放、死亡分解來調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化途徑和反硝化進(jìn)程〔6〕，為微生物的生長提供了良好的生存環(huán)境，同時(shí)為人工濕地提供了碳源，從而緩解了貧碳狀況。

近年來， 對(duì)于人工濕地污染物去除過程中的分層效應(yīng)研究受到研究者的普遍重視〔7〕，在植物的新陳代謝影響下， 人工濕地的硝化和反硝化作用產(chǎn)生了明顯的層間差異〔8〕。 而垂直潛流人工濕地中反硝化效果差是處理低碳源廢水的一個(gè)難題，目前，對(duì)于低碳進(jìn)水條件下垂直潛流濕地脫氮過程分層效應(yīng)的研究還較少。

本研究探究了低碳進(jìn)水條件下， 垂直潛流人工濕地中氮素形態(tài)在垂直分層的響應(yīng)機(jī)制。 考察人工濕地垂直深度對(duì)硝化和反硝化作用的影響， 以及人工濕地中植物在氮素形態(tài)轉(zhuǎn)變中起到的作用。

1 材料和方法

1.1 人工濕地的構(gòu)建及運(yùn)行

垂直潛流人工濕地裝置見圖1。

圖1 垂直潛流人工濕地裝置

垂直潛流人工濕地裝置為直徑×高度=160 mm×1 200 mm 的PVC 圓柱體。其中有效高度為1 100 mm，超高100 mm。在1 100 mm 的有效高度內(nèi)，從上到下分別是700 mm 的基質(zhì)層和400 mm 的承托層，基質(zhì)層由直徑5～15 mm 的礫石組成， 承托層由直徑20～30 mm 的卵石組成。

實(shí)驗(yàn)選取4 組人工濕地分別種植適應(yīng)本地生長環(huán)境的4 種水生植物，分別為蘆葦組、菖蒲組、傘草組、美人蕉組。 每組人工濕地設(shè)3 組平行實(shí)驗(yàn)。 每個(gè)人工濕地裝置中共栽種植物3 株， 植物的根系均位于自人工濕地基質(zhì)表層300 mm 的范圍內(nèi)。

用經(jīng)過6 h 陽光照射的自來水作為植物培養(yǎng)和濕地微生物馴化的水源， 本研究所提及的自來水均經(jīng)過該方法處理。經(jīng)過近兩個(gè)月的培養(yǎng)馴化后，植物生長成熟，濕地運(yùn)行過程完成。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過程中，人工濕地進(jìn)水為間歇進(jìn)水。每種人工濕地都種植相同數(shù)量、相同株齡、相同植貌特征的植物。 此外，每組實(shí)驗(yàn)額外設(shè)置2 組平行實(shí)驗(yàn)。是有機(jī)氮礦化的第一種無機(jī)氮形態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)以不同濃度的進(jìn)行調(diào)控， 配制藥劑采用NH4Cl（分析純），溶劑為自來水，以滿足人工濕地植物生長的微量元素要求。 配制的進(jìn)水質(zhì)量濃度為40 mg/L， 考慮實(shí)際情況， 以實(shí)驗(yàn)開始后第1 d內(nèi)測得的人工濕地實(shí)際氨氮濃度為準(zhǔn)。 當(dāng)?shù)娜コ蔬_(dá)到90%時(shí)，為一期實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間。 每期實(shí)驗(yàn)開始前，放空人工濕地內(nèi)的存水，并瀝干24 h，以盡可能消除上期實(shí)驗(yàn)的影響。

1.3 水樣采集及測試

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間， 保持人工濕地水位位于基質(zhì)表層以下100 mm 左右。 由于取樣、植物吸收、蒸騰、蒸發(fā)等作用造成水分減少，水位下降采用自來水補(bǔ)充，即間歇進(jìn)水。如圖1 所示，定義自人工濕地水面開始至其下方300 mm 結(jié)束的范圍內(nèi)（即基質(zhì)表層以下400 mm 以內(nèi)）為人工濕地上層，自上層下底面開始至其下方300 mm 結(jié)束的范圍內(nèi)（即基質(zhì)表層以下400 mm 至700 mm 以內(nèi)）為人工濕地的下層。 水樣采集時(shí)間為上午9：00～11：00，采集植物根部（下層）和莖部（上層）位置的水樣，且每個(gè)人工濕地的上下層都各取3 次樣， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3 次平行實(shí)驗(yàn)組的平均值。 水樣的采集分別采用2 根穿孔管以虹吸法進(jìn)行采集。 穿孔管的開孔部位長度為100 mm，位于上下兩層的中心。

2 結(jié)果與討論

圖2 人工濕地上下層中 濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

人工濕地上下層中TN 濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化見圖3。

圖3 人工濕地上下層中TN 濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

由圖3 可知，在4 種人工濕地中，上下層中TN濃度均隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的持續(xù)而下降，且上下層TN 濃度沒有顯著性差異。 初始6 d 內(nèi)的TN 去除負(fù)荷最高。在經(jīng)過25 d 后，不同植物上層和下層TN 的去除率：蘆葦組為79.87%和75.54%，菖蒲組為76.16%和75.76%，傘草組為84.99%和85.95%，美人蕉組為87.41%和93.00%。 美人蕉組表現(xiàn)出了較強(qiáng)的TN 去除能力。

對(duì)比圖3 與圖2 的分析結(jié)果可以看出，4 種人工濕地中起始的TN 濃度均較更高。而在整個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后，蘆葦、菖蒲、傘草的上下層以及美人蕉上層TN 的去除率均比的去除率低，僅美人蕉下層例外。 在本實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)水由自來水配制，所以由進(jìn)水引入有機(jī)氮的量非常小， 因此植物是人工濕地中有機(jī)氮的主要來源〔10〕。TN 的去除過程不僅包括的硝化作用， 還有的反硝化作用，但由于反硝化作用不可能進(jìn)行得非常徹底，因此實(shí)驗(yàn)后期可能導(dǎo)致在人工濕地中的殘留，從而降低人工濕地的TN 去除效率。 而美人蕉濕地下層TN 的去除效率高于，一方面可能是反硝化作用進(jìn)行得更為徹底，的殘留量較低；另一方面是一部分有機(jī)氮可能被有效降解轉(zhuǎn)化，而反硝化作用在其中起到了主要作用。

圖4 人工濕地上下層中濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

由圖4 可知，除美人蕉濕地外，蘆葦、菖蒲和傘草濕地均發(fā)生了的積累， 且積累的時(shí)間范圍均集中在實(shí)驗(yàn)開始的第1 d 至第12 d， 積累程度為蘆葦＞菖蒲＞傘草，在第12 d 后，上下層維持濃度在低位運(yùn)行。 在蘆葦濕地中，上下層的濃度在第8 d 達(dá)到最大值，分別為2.60 mg/L 和1.81 mg/L，上下層在積累期間濃度差異極顯著。在菖蒲濕地中，上下層的濃度在第4 d 達(dá)到最大值，分別為0.89 mg/L 和0.90 mg/L，上下層在積累期間濃度具有顯著性差異。 在傘草濕地中， 上層的濃度在第6 d 達(dá)到最大值1.10 mg/L，下層的濃度在第4 d 達(dá)到最大值0.77 mg/L，上下層在積累期間濃度差異極顯著。而美人蕉濕地中，濃度始終維持在低位，最大值不超過0.69 mg/L，無明顯積累過程，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，上下層濃度無顯著性差異。

實(shí)驗(yàn)前期，由于濕地瀝干和進(jìn)水帶入的溶解氧含量較高， 濕地內(nèi)部硝化作用較強(qiáng)，和N轉(zhuǎn)化，隨著硝化作用的進(jìn)行，濃度逐漸升高，但此時(shí)溶解氧含量也在降低，濕地內(nèi)部向有利于反硝化作用的環(huán)境轉(zhuǎn)化，最后，反硝化作用增強(qiáng)， 反硝化作用開始占據(jù)主導(dǎo)地位，濃度達(dá)到峰值后開始下降。 同樣圖4 中的延期積累現(xiàn)象進(jìn)一步佐證了此種觀點(diǎn)。

圖5 人工濕地上下層中 濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

2.4 各種植物對(duì)于人工濕地氮素凈化效能的比較分析

根據(jù)以上分析， 在蘆葦濕地中上層TN 去除負(fù)荷大于下層去除負(fù)荷， 其他人工濕地則相反， 上層TN 去除負(fù)荷均小于下層；同時(shí)，在蘆葦濕地中，其上層TN 的初始濃度大于下層，其他人工濕地中，上層TN 初始濃度均小于下層。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，人工濕地上下層的去除負(fù)荷與其初始濃度表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。凈化效能的比較分析中，美人蕉濕地的凈化效能最好（P＜0.01），其他3 種濕地?zé)o明顯差異（P＞0.05）。

對(duì)于低碳進(jìn)水的人工濕地，TN 初始濃度上下層的差異主要決定于其有機(jī)物氧化能力的層間差異。在菖蒲、傘草、美人蕉濕地中，上層TN 初始濃度小于下層，如2.2 分析，其復(fù)氧能力上層強(qiáng)于下層，致使上層的氧化能力強(qiáng)于下層， 所以作為TN 的一部分——有機(jī)氮在上層被氧化的部分要多于下層。 而對(duì)于蘆葦人工濕地，由于其根系發(fā)達(dá)，可能已經(jīng)深入到濕地下層，根系是濕地植物運(yùn)移水分的重要通道，因此在蘆葦濕地中，與其他濕地相反，有機(jī)氮在下層被氧化部分要多于上層， 這種結(jié)果同樣適用于濕地中的碳源，即表明除蘆葦濕地上層碳源大于下層外，其他濕地上層的碳源均小于下層。而在本實(shí)驗(yàn)中，由于進(jìn)水中無碳源， 因而濕地內(nèi)部的碳源成為濕地反硝化過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵， 因而在碳源較多的基質(zhì)層中， 反硝化作用得以較為高效的進(jìn)行，TN 的去除負(fù)荷較大。

3 結(jié)論

（1）在蘆葦濕地中，上層TN 的初始濃度和TN去除負(fù)荷均大于下層，其他3 種人工濕地上層TN 的初始濃度和TN 去除負(fù)荷均小于下層。 人工濕地上下層TN 的去除負(fù)荷與其初始濃度表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。 反硝化作用成為貧碳源進(jìn)水的限制性步驟。