生物炭添加對人工濕地中污染物去除和基質(zhì)微 生物活性的影響

許巧玲 汪麗 譚敏霞 耿和軍 王曉蕾 李佳杰

摘要：為提高人工濕地除污能力，探索利用生物炭強(qiáng)化人工濕地除污的可行性，以垂直流人工濕地為研究對象，通過單因素分析對比不添加生物炭系統(tǒng)（CW-1）和添加生物炭系統(tǒng)（CW-2）的垂直流人工濕地出水凈化效果、微生物活性（基質(zhì)酶活性、生物量、生物膜）大小，探究生物炭對垂直流人工濕地污水系統(tǒng)中總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）及化學(xué)需氧量（COD）去除效果的影響，分析生物炭對垂直流濕地基質(zhì)中酶活性、生物量和生物膜量的影響。結(jié)果表明，通過添加生物炭，TN、NH4+-N、TP、COD的平均去除率分別提高3.0、1.1、2.7、0.1百分點(diǎn)，添加生物炭濕地（CW-2）的去除率高于未添加生物炭濕地（CW-1）;生物炭添加促使?jié)竦鼗|(zhì)中磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性和生物量增加，對0～10 cm基質(zhì)層中酶活性的促進(jìn)作用尤其顯著，0～10 cm基質(zhì)層酶活性和生物量含量顯著（P < 0.05）高于其他2層（10～20 cm和20～30 cm）。結(jié)果證明，在人工濕地中添加生物炭可以提高氮、磷、化學(xué)需氧量的去除效果，并可顯著提高0～10 cm基質(zhì)層中酶活性和生物量水平，從基質(zhì)酶和生物量角度看，添加生物炭有助于提高人工濕地長效除污潛力，但生物炭的添加也增加了20～30 cm層的生物堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：生物炭;垂直流人工濕地;凈化效果;酶活性;生物量

中圖分類號：X703? ? ? &nbsp; ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）01-0063-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.01.015

Effects of BiocharAddition on Pollutant Removal and Substrate Enzyme Activity in Vertical Flow Constructed Wetlands

XU Qiaoling， WANG Li， TAN Minxia， GENG Hejun，WANG Xiaolei， LI Jiajie

（Department of Resources & Environmental Engineering， Anshun University， Anshun Guizhou 561000， China）

Abstract：In order to improve the water quality using constructed wetland and explore the use of biochar strengthening constructed wetland decontamination feasibility， the vertical flow constructed wetland were taken as the research object in this experiment.Through the single factor analysis， the decontamination， substrate enzyme activity and biomass between the no addition biochar system （CW-1） and the addition biochar system （CW-2） were compared. The effects of biochar on the removal effect of total nitrogen （TN）， ammonia nitrogen （NH4+-N）， total phosphorus （TP） and chemical oxygen demand（COD） in the sewage system of vertical flow constructed wetlandwere explored， and the effects of biochar on the enzyme activity， biomass and biofilm quantity in the vertical flow wetland were analyzed. The results showed that by adding biochar， the average removal rates of TN，NH4+-N， TP and COD increased by 3.0%、 1.1%、 2.7% and 0.1%， respectively. The removal rate of CW-2 wetland was slightly higher than that of CW-1 wetland. Biochar supplementation increased the activities and biomass of phosphatase，urease and catalase in substrate，especially in 0-10 cm substrate layer， and the activities and biomass contents in 0-10 cm substrate layer were significantly higher than those in other two layers （10～20 cm and 20～30 cm）（P < 0.05）. The results showed that adding biochar to constructed wetland could improve the removal efficiency of nitrogen， phosphorus and chemical oxygen demand， and significantly increase the enzyme activity and biomass in 0-10 cm substrate layer. From the perspective of substrate enzyme and biomass， adding biochar could improve the long-term sewage removal potential of constructed wetland.However， the addition of biochar also increased the risk of biological blockage in 20～30 cm layer.

Key words：Biochar;Vertical flow constructed wetland;Purification effect;Enzyme activity;Biomass

人工濕地利用填料的吸附作用、微生物降解作用和植物吸收等作用去除水中的污染物，利用人工濕地除污是一種處理效果好、成本低、有前景的生態(tài)處理技術(shù)[1 - 2 ]。很多研究證實(shí)植物吸收污染物所占比例較小[2 - 4 ]，填料吸附和微生物降解在濕地水質(zhì)凈化中占比較大[5 - 6 ]，因此，提高基質(zhì)吸附能力和強(qiáng)化微生物活力可以有效提升人工濕地系統(tǒng)的除污效果。生物炭是廢棄生物質(zhì)在厭氧條件下熱解得到的富碳產(chǎn)物[7 - 8 ]，作為一種多功能環(huán)保材料，具有較大的比表面積、高的多孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的陽離子交換能力，為微生物的生長提供巨大的空間，同時(shí)具有良好的吸附特性，可以有效地去除廢水中的污染物。有研究證明生物炭的添加可以改變微生物群落結(jié)構(gòu)，從而提高氮的去除效果[9 ]。近些年，生物炭被廣泛用于固碳減排、含氮廢水處理及土壤修復(fù)改良等方面的研究與實(shí)踐[10 - 12 ]。人工濕地根據(jù)其水流方式不同分為表面流濕地、潛流濕地和垂直流濕地3種類型。其中，垂直流人工濕地占地面積較小，有較強(qiáng)的輸氧能力[13 ]，對污染物去除有較好的效果，因此被廣泛應(yīng)用于污水處理中。根據(jù)生物炭具有多孔和吸附能力的性質(zhì)，我們在垂直流人工濕地中添加一定量生物炭強(qiáng)化濕地對污水中污染物的去除。首先模擬構(gòu)建2個(gè)垂直流人工濕地，分別為未添加生物炭的濕地CW-1和添加生物炭的濕地CW-2，為排除植物對人工濕地系統(tǒng)的干擾，更直觀地研究添加生物炭對人工濕地中基質(zhì)酶活性和生物量的影響，同時(shí)監(jiān)測2個(gè)系統(tǒng)中氮、磷和化學(xué)需氧量的去除變化，為人工濕地強(qiáng)化長效除污提供依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?構(gòu)建人工濕地

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)規(guī)模相同的垂直流人工濕地。人工濕地自下而上依次鋪設(shè)15 cm厚的礫石塊，30 cm厚的基質(zhì)層，20 cm的布水區(qū)。CW-1為未添加生物炭的對照系統(tǒng)（基質(zhì)層為30 cm河砂），CW-2為添加生物炭的系統(tǒng)（基質(zhì)層為29 cm河砂+ 1 cm生物炭）。系統(tǒng)在運(yùn)行穩(wěn)定后，于9月13日開始正式運(yùn)行，采用計(jì)量水泵灌水，水力負(fù)荷為10 cm/d。每7 d檢測水質(zhì)指標(biāo)1次。

1.2? ?進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)污水為合成生活污水，參數(shù)值如下：溶解氧（DO）為4～6 mg/L，pH的變化范圍為7.3～7.9?？偟═N）為33.9～40.7 mg/L、氨氮（NH4+-N）為22.1～30.5 mg/L、總磷（TP）為5.6～6.2 mg/L、化學(xué)需氧量（COD）為238.0～504.3 mg/L。

1.3? ?指標(biāo)檢測方法

水質(zhì)指標(biāo)：TN、NH4+-N、TP、COD采用國標(biāo)法測定[14 ]。

酶活性指標(biāo)：脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性測定采用關(guān)松蔭[15 ]的方法。

1.4? ?數(shù)據(jù)分析

利用origin 9.0和SPSS（IBM）-26.0軟件計(jì)算分析平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。本文的統(tǒng)計(jì)分析重復(fù)為絕對樣品重復(fù)。

2? ?結(jié)果與討論

2.1? ?添加生物炭對凈化效果的影響

CW-2和CW-1中TN的平均去除率分別為23.8%、20.8%，NH4+-N的平均去除率分別為21.3%、20.2%，COD的平均去除率分別為77.9%、77.8%，TP的平均去除率分別為29.5%、26.8%（圖2）?？梢娫囼?yàn)中添加生物炭的CW-2系統(tǒng)對污染物的去除效果高于不添加生物炭基質(zhì)的對照系統(tǒng)CW-1?；|(zhì)中添加生物炭，TN、NH4+-N、TP、COD的平均去除率分別提高3.0、1.1、2.7、0.1百分點(diǎn)。添加生物炭對COD的去除幾乎無影響，2個(gè)系統(tǒng)的COD去除率都大于77%，由于垂直流人工濕地有較好的輸氧能力，對有機(jī)物去除能力較強(qiáng)[16 ];對磷的去除影響最大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CW-2中TP去除率為4.0%，CW-1中TP去除率呈現(xiàn)負(fù)值，為-9.8%，這也驗(yàn)證了人工濕地中除磷主要通過基質(zhì)吸附[5 ]。結(jié)果證明，從長遠(yuǎn)看，添加生物炭可以提高濕地系統(tǒng)的長效脫氮除磷能力。

2.2? ?添加生物炭對基質(zhì)酶活性的影響

從圖3可以看出，CW-1和CW-2中的脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶基本都表現(xiàn)出一致規(guī)律，除10～20 cm層過氧化氫酶外，其他都表現(xiàn)出系統(tǒng)CW-2大于CW-1。究其原因基質(zhì)中添加生物炭有利于微生物在基質(zhì)層附著繁殖，從而增加了相關(guān)酶活性，這種影響在0～10 cm基質(zhì)層表現(xiàn)尤為突出。通過對不同基質(zhì)層酶活性方差分析得知，0～10 cm層的酶活性顯著（P < 0.05）高于10～20 cm和20～30 cm層。CW-1系統(tǒng)中0～10 cm基質(zhì)層中的脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性分別為6.3 mg/（100 g·24 h）、21.1 mg/（100 g·24 h）、0.110 mL/（g·20 min）;CW-2系統(tǒng)中0～10 cm基質(zhì)層中的脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性分別為21.9 mg/（100 g·24 h）、56.9 mg/（100 g·24 h）、0.113 mL/（g·20 min）。添加生物炭的CW-2系統(tǒng)中脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性比未添加生物炭的CW-1系統(tǒng)分別高出3.5、2.7、1.03倍，大量研究已經(jīng)證實(shí)人工濕地中酶活性與污染物去除有正相關(guān)關(guān)系[17 - 19] 。從酶活性角度看，添加生物炭可以顯著提高基質(zhì)中微生物活性，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，基質(zhì)吸附將趨于飽和，提高微生物活性的優(yōu)勢會日益凸顯，從而實(shí)現(xiàn)長效除污的目標(biāo)。

2.3? ?添加生物炭對基質(zhì)中生物量和生物膜的影響

人工濕地屬于生物過濾系統(tǒng)范疇，主要依靠植物吸收、基質(zhì)吸附和微生物作用除污，濕地基質(zhì)也被稱為填料，是微生物生長繁殖的主要載體[20 ]。填料中生物量和生物膜的水平可以直接反映微生物狀況。從生物量角度看，添加生物炭的CW-2系統(tǒng)中生物量大于CW-1，2個(gè)系統(tǒng)都呈現(xiàn)相同規(guī)律，由大到小為0～10、10～20、20～30 cm，說明垂直流人工濕地中0～10 cm層是微生物活動最活躍區(qū)域，這與之前的研究結(jié)果類似[16 ]。通過對生物膜的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)生物膜在2個(gè)系統(tǒng)間的變化與生物量是一致的，都是系統(tǒng)CW-2大于系統(tǒng)CW-1，但在基質(zhì)垂向的變化與生物量不同，呈現(xiàn)規(guī)律由大到小為20～30、0～10、 10～20 cm。究其原因是隨著系統(tǒng)運(yùn)行，生物膜新舊更替，脫落的生物膜會隨水流方向往下遷移，最終會在底層沉淀累積。從生物膜遷移和累積也說明垂直流人工濕地中合理分配基質(zhì)粒徑尤為重要，隨著生物膜的日益累積，增加了20～30 cm層生物堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

3? ?結(jié)論

試驗(yàn)通過對添加生物炭CW-2和未添加生物炭CW-1 2組垂直流人工濕地進(jìn)行為期120 d的監(jiān)測，研究這2個(gè)垂直流人工濕地對污染物的凈化效果，探究生物炭的添加與否對濕地除污效果、基質(zhì)酶活性、生物量和生物膜的影響。結(jié)果表明，生物炭的添加可以提高垂直流人工濕地的水質(zhì)凈化能力。添加生物炭濕地CW-2的污染物去除率高于未添加生物炭濕地CW-1，TN、NH4+-N、TP、COD的平均去除率分別提高3.0、1.1、2.7、0.1百分點(diǎn)。生物炭的添加可以促使基質(zhì)中磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性和生物量的增加。0～10 cm基質(zhì)層酶活性和生物量含量顯著（P < 0.05）高于其他2層（10～20 cm和20～30 cm），說明生物炭與濕地系統(tǒng)契合良好，且在垂直流人工濕地中0～10 cm層是微生物活躍區(qū)，也是降解污染物的主要場所。生物炭的添加增大了底層基質(zhì)的生物堵塞風(fēng)險(xiǎn)。生物膜在基質(zhì)垂向的變化由大到小為20～30、0～10、10～20 cm，因?yàn)榇怪绷魅斯竦厮魈攸c(diǎn)，脫落的生物膜會隨水流方向往下遷移，最終在20～30 cm層沉淀累積，底層基質(zhì)層（20～30 cm）有發(fā)生生物堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在垂直流人工濕地中合理分配基質(zhì)粒徑，適度增大底層基質(zhì)粒徑顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] KNIGHT R L，PAYNE V W E，BORER R E.? Constructed wetlands for livestock wastewater management[J].Ecological Engineering，2000，15：41-45.

[2] XU Q L，HUNAG Z J，WANG X M，et al.? PennisetumsineseRoxb and Pennisetum purpureumSchum.as vertical-flow constructed wetland vegetation for removal of N and P from domestic sewage[J].? Ecological Engineering，2015，83：120-124.

[3] 李林鋒，年躍剛，蔣高明.? 植物吸收在人工濕地脫氮除磷中的貢獻(xiàn)[J].? 環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（3）：337-342.

[4] 尹? ?煒，李培軍，裘巧俊，等.? 植物吸收在人工濕地去除氮、磷中的貢獻(xiàn)[J].? 生態(tài)學(xué)雜志，2006（2）：218-221.

[5] 王? ?振，劉超翔，董? ?健，等.? 人工濕地中除磷填料的篩選及其除磷能力[J].? 中國環(huán)境科學(xué)，2013（2）：1-7.

[6] XU Q，LU S，YUAN T，et al.? Influences of dimethyl phthalate on bacterial community and enzyme activity in vertical flow constructed wetland[J].? Water，2021，13（6）：788.

[7] GUPTA P，ANN T W，LEE S M.? Use of biochar to enhance constructed wetland performance in wastewater reclamation[J].? Environmental Engineering Research，2015，21：36-44.

[8] HOU J，HUANG L，YANG Z，et al.? Adsorption of ammonium on biochar prepared from giant reed[J].? Environmental Science & Pollution Research，2016，23（19）：1-9.

[9] DENG C R，HUANG L，LIANG Y K，et al.? Response of microbes to biochar strengthen nitrogen removal in subsurface of constructed wetlands：Microbial community structure and metabolite characteristics[J].? Science of the Total Environment，2019，694：133687.

[10] FU D，CHEN Z，XIA D，et al.? A novel solid digestate-derived biochar-Cu NP composite activating H2O2 system for simultaneous adsorption and degradation of tetracycline[J].? Environmental Pollution，2017，221：301-310.

[11] 陳志良，袁志輝，黃? ?玲，等.? 生物炭來源、性質(zhì)及其在重金屬污染土壤修復(fù)中的研究進(jìn)展[J].? 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（11）：1879-1884.

[12] 朱小婕，邵景安，趙&nbsp; 培.? 生物炭添加對潛流濕地污水凈化效率的影響[J].? 重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，38（2）：121-129.

[13] DU X L，XU Z X，SHENG W，et al.? Optimising the operating performance of vertical flow constructed wetland treating rural wastewater[C].? The 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering，2009.

[14] 國家環(huán)境保護(hù)局.? 水、廢水監(jiān)測分析方法[M].? 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1989.

[15] 關(guān)松蔭.? 土壤酶及其研究方法[M].? 北京：北京農(nóng)業(yè)出版社，1986.

[16] XU Q L，CUI L H.? Removal of COD from synthetic wastewater in vertical flow constructed wetland[J].? Water Environment Research，2019，91：1661-1668.

[17] 黃? ?娟，王世和，鄢? ?璐，等.? 潛流型人工濕地的脲酶活性分布特性[J].? 東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（1）：170-173.

[18]岳春雷，常? ?杰，葛? ?瀅，等.? 復(fù)合垂直流人工濕地基質(zhì)酶活性及其與水質(zhì)凈化效果之間的相關(guān)性[C].? 湖泊保護(hù)與生態(tài)文明建設(shè)——第四屆中國湖泊論壇，2014.

[19] 許巧玲，王小毛，崔理華，等.? 垂直流濕地基質(zhì)中酶的分布與氮磷及有機(jī)質(zhì)的關(guān)系[J].? 環(huán)境科學(xué)研究，2016（8）：1213-1217.

[20] 高廷耀，顧國維，周? ?琪.? 水污染控制工程[M].? 北京：高等教育出版社，2015.