添加生態(tài)型植物碳源對人工濕地脫氮除磷效果的研究

張 旭，劉 佳，許 兵*，王慶榮，成小翔

(1.山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院，山東 濟南 250101；2.濟南水務集團有限公司，山東 濟南 250118；3.濟南泉建實業(yè)總公司，山東 濟南 250102)

人工濕地作為可持續(xù)的污水生態(tài)處理技術(shù)，被廣泛應用于多種污水和受污地表水的處理，如生活污水、工業(yè)廢水以及受污河流等[1-3]。濕地系統(tǒng)中的脫氮方法主要包括微生物作用、植物吸收和基質(zhì)吸附[4]，其中硝化和反硝化作用是濕地生物脫氮的關(guān)鍵過程。在處理低碳氮比(C/N)污水時，人工濕地往往面臨碳源不足的問題[5-6]。近年的研究發(fā)現(xiàn)，富含纖維素和半纖維素的天然植物，可以作為人工濕地的外加碳源，且植物成本低廉、易獲取[7-8]。Yang等[9]選用8種農(nóng)業(yè)廢棄物作為固體碳源，研究了其對反硝化作用的影響；Saeed等[10]使用甘蔗渣作為人工濕地的外加碳源，其釋放的有機碳可以有效地提高人工濕地的脫氮效率。

目前，多采用直接投加的方式在人工濕地系統(tǒng)中加入植物碳源，但植物碳源在初期會釋放過量的有機物造成系統(tǒng)出水中COD、TN偏高。為了解決上述問題，本文擬采用不同方式對玉米芯進行預處理，通過靜態(tài)釋放試驗，考察玉米芯對有機碳、氮、磷的潛在釋放規(guī)律，并利用玉米芯制備生態(tài)型植物碳源[11]，研究其對強化人工濕地脫氮除磷效果的影響。

1 材料與方法

1.1 靜態(tài)釋放試驗

玉米芯采自山東省某農(nóng)場，對其進行簡單處理：粉碎并篩選1～2 cm長的不規(guī)則小段，用去離子水清洗后在45℃烘箱中烘干至恒重。將玉米芯分別采用以下3種方式進行預處理：①2%NaOH浸泡24 h；②90℃水浴加熱2 h；③另一份為上述簡單處理。預處理后的玉米芯材料儲存于干燥箱中備用。

通過靜態(tài)釋放試驗，對玉米芯釋放的有機碳和氮進行表征。試驗前，先將250 mL燒瓶高壓消毒30～60 min，再分別稱取預處理后的玉米芯各2 g于燒瓶中，加去離子水至標線,用封口膜將瓶口密封，防止空氣對靜態(tài)釋放試驗造成影響；然后將燒瓶置于恒定25℃中，每天定時搖勻3次，每2 d取一次樣，將上清液通過0.45 um的濾膜過濾，檢測濾液中總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)等濃度，定期更換去離子水，并設置3組對照。上述試驗均在無菌條件下進行，以評價玉米芯對有機碳、氮、磷的潛在釋放能力。

1.2 人工濕地運行試驗

1.2.1 生態(tài)型植物碳源制備

分離污水處理廠的反硝化段污泥菌種(4～6 log CFU/mL)，經(jīng)稀釋后均勻噴灑在植物固體碳源表面(堿處理后的玉米芯材料)，頻率為每天2次，植物碳源與菌種質(zhì)量比為20～30∶1～2。將制備的生態(tài)型植物碳源置于陰涼干燥處固化以備用。

1.2.2 人工濕地系統(tǒng)運行設計

水平潛流人工濕地模擬系統(tǒng)由PVC材料制成，其構(gòu)造設計如圖1所示。該裝置長2.0 m、寬0.5 m、深0.5 m，基質(zhì)深為0.45 m，孔隙率為60%。裝置主體部分由前、中、后三級相同容積的填料組成，分別填充爐渣(D=8～10 mm)、礫石(D=5～7 mm)、陶粒(D=3～5 mm)，不同基質(zhì)間用濾網(wǎng)分隔。裝置主體分隔為6段，每段隔板上下交錯有連通口，使水流與填料最大程度接觸。為了防止填料堵塞濕地、難以清理等問題，本設計將填料填充于裝置頂端，緩釋碳源組(即試驗組)頂層放置生態(tài)型植物碳源0.6 kg，投加量沿水流方向逐漸減少，前、中、后三部分處理區(qū)生態(tài)型植物碳源投加量分別為1/2、1/3、1/6。裝置外部用細隔板隔斷，并鋪滿砂礫，以保持濕地系統(tǒng)中水位一致；另設置相同的空白對照組，頂層僅鋪設砂礫，與試驗組保持相同水平高度。人工濕地中種植菖蒲，設計密度為13株/m2，連續(xù)水流從前至后流經(jīng)人工濕地模擬裝置，最終由出水區(qū)排水口排除。本人工濕地模擬系統(tǒng)中，根據(jù)水體的流向，水中溶解氧環(huán)境為有氧-缺氧的循環(huán)過程。

圖1 水平潛流人工濕地模擬系統(tǒng)設計圖Fig.1 Analog system design of subsurface constructed wetland

1.3 水質(zhì)分析檢測方法

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預處理方式下玉米芯COD、TN、TP的靜態(tài)釋放規(guī)律

不同預處理條件下玉米芯COD的靜態(tài)釋放規(guī)律，見圖2。

圖2 不同預處理條件下玉米芯COD的靜態(tài)釋放 規(guī)律Fig.2 Static release of corncob COD under different pretreatment conditions

由圖2可以看出：

(1) 對玉米芯采用3種不同的處理方式，其COD的釋放量均表現(xiàn)出先快后慢的共同特點。在試驗開始的前6 d，玉米芯表現(xiàn)出較高的COD釋放速率；試驗后期，玉米芯COD的釋放量下降至50 mg/L以下，并且維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 玉米芯經(jīng)過堿處理后2 d內(nèi)COD的最大釋放量接近1 000 mg/L，釋放效果最好。

(3) 3種不同處理方式的玉米芯在30 d內(nèi)COD的平均釋放量為：堿處理104 mg/L，熱處理79 mg/L，簡單處理54 mg/L。這是因為天然植物材料中可以釋放COD的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分，試驗樣品經(jīng)過堿處理或熱處理后，玉米芯的表面結(jié)構(gòu)遭到破壞，纖維素等類物質(zhì)裂解，同時比表面積進一步增大，更有利于釋放碳源[12]。另外，本試驗選用的材料為新鮮植物，相比于以往采用的枯葉材料，在進行靜態(tài)釋放時，新鮮植物材料COD的釋放量要遠高于枯葉材料，主要原因是新鮮植物材料的纖維素含量要遠高于枯葉材料。研究發(fā)現(xiàn)，玉米芯所釋放的色素主要為玉米黃素，其分子式為C40H56O2，屬于萜烯類不飽和化合物[13],從分子式可以看出，玉米黃素中不含氮，不會提高人工濕地系統(tǒng)出水中TN的濃度?？紤]到色素對出水水質(zhì)的影響，需要適當對植物進行簡單浸泡處理，以減少其色素的含量，降低對水體造成的不良影響。

不同處理條件下玉米芯TN、TP的靜態(tài)釋放規(guī)律，見圖3。

圖3 不同預處理條件下玉米芯TN、TP的靜態(tài) 釋放規(guī)律Fig.3 Static release law of corncob TP and TP under different pretreatment conditions

由圖3可以看出：

(1) 玉米芯TN的釋放量也呈現(xiàn)出先快后慢的特點；3種不同處理條件下，玉米芯TN的最大釋放量可達到27.84 mg/L，但在試驗第8天后玉米芯TN的釋放量逐漸趨于穩(wěn)定，試驗后期玉米芯TN的平均釋放量在2 mg/L以下。3種不同預處理方式下玉米芯在30 d內(nèi)TN的平均釋放量為堿處理2.58 mg/L、熱處理2.76 mg/L、簡單處理組4.98 mg/L?？梢?，經(jīng)過不同處理的玉米芯TN的釋放量表現(xiàn)出很大的差異性，這主要是因為經(jīng)過堿性溶液或者高溫處理后，玉米芯的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維素類物質(zhì)成分遭到破壞，使含氮物質(zhì)提前釋放出來，減少了玉米芯過量釋放的TN對水體造成的影響。

(2) 玉米芯TP的釋放量試驗初期較大，試驗后期其釋放量在0.2 mg/L以下，由于TP的釋放量整體偏低，其對出水水質(zhì)所造成的影響可以忽略。

2.2 堿處理玉米芯浸出液的EEM-PARAFAC分析

本試驗采用EEM-PARAFAC分析，對釋放效果最佳的堿處理玉米芯浸出液中的有機碳進行表征，其結(jié)果見圖4。

圖4 堿處理玉米芯浸出液的EEM-PARAFAC分析Fig.4 EEM-PARAFAC analysis of corncob leaching solution treated with alkali

由圖4可以看出：

(1) 經(jīng)過堿處理后玉米芯浸出液中,組分A在380 nm附近有激發(fā)峰，發(fā)射波長在475 nm附近，經(jīng)鑒定為類腐殖酸化合物；組分B在270 nm附近有激發(fā)峰，發(fā)射波長在460 nm附近，經(jīng)鑒定為類富里酸化合物。

(2) 在靜態(tài)釋放周期內(nèi)，通過EEM-PARAFAC分析，從玉米芯浸出液中溶解性有機物A、B組分的相對分布變化可以明顯看出兩種組分在不同階段的分布存在顯著性差異:在整個靜態(tài)釋放試驗過程中，組分A的相對豐度為54%～77%，要高于組分B的相對豐度23%～43%，且隨著釋放試驗的運行，組分B的相對豐度逐漸降低。另外，通過EEM-PARAFAC分析得到的組分相對分布變化，可以找到促進脫氮作用的各種有機物種類。

本試驗中可以得出：組分A>組分B，該試驗結(jié)果也可為更好地利用玉米芯作為人工濕地外加碳源促進脫氮效果提供理論指導。

2.3 玉米芯生態(tài)型植物碳源應用于人工濕地凈化試驗

根據(jù)玉米芯的COD靜態(tài)釋放效果可知，試驗初期COD的釋放量過高，并且伴隨著玉米黃素的釋放，導致水體的顏色呈現(xiàn)出黃色，為了降低植物碳源對濕地水質(zhì)造成的不良影響，試驗開始前先將通過堿處理的玉米芯材料浸泡1～2 d，待浸出液中COD和色素降低后，再添加菌種合成生態(tài)緩釋碳源，其他條件保持不變，考察人工濕地系統(tǒng)進、出水中COD的變化，其結(jié)果見圖5。

圖5 人工濕地系統(tǒng)進出水中COD的變化Fig.5 Changes in water COD in constructed wetland system

由圖5可見：試驗組(即生態(tài)碳源組)和空白組的人工濕地系統(tǒng)出水中COD較穩(wěn)定，COD平均去除率分別為68.3%和79.1%；空白組人工濕地系統(tǒng)出水中COD的去除率在試驗前期要略微高于添加生態(tài)碳源組，主要是因為添加生態(tài)碳源的人工濕地系統(tǒng)中植物的纖維素和半纖維素類物質(zhì)水解使系統(tǒng)出水中COD的濃度升高，但是對系統(tǒng)總體出水水質(zhì)的影響較小，說明設計的碳源投加量較為合理，微生物可以充分利用所釋放的有機碳進行一些列生命活動；在試驗后期添加生態(tài)碳源組的人工濕地系統(tǒng)出水中COD濃度開始降低，表明生態(tài)型植物碳源外部的菌種活性逐漸提高，并形成一層生物膜進行反硝化等一系列生理活動，對減緩有機碳外放起到了一定的效果，同時在試驗后期人工濕地系統(tǒng)出水中COD濃度較低的情況時，TN依舊保持較高的去除效率。

上述試驗結(jié)果表明：添加生態(tài)型植物碳源會略微增加人工濕地水體中COD的濃度，但是其最終出水中COD濃度并未超標，說明植物碳源釋放的有機物可以很好地被微生物所利用。

添加生態(tài)型植物碳源的優(yōu)勢在于可以直接提高新建人工濕地系統(tǒng)中微生物的多樣性。由于生態(tài)型植物碳源外部附著大量微生物群體，這些微生物將玉米芯作為生長繁殖的棲息環(huán)境，并形成生物膜，使微生物反硝化作用多集中在玉米芯外緣，并可直接利用其所釋放的有機碳，減少了玉米芯過量釋放COD對水體造成的影響，其效果大大優(yōu)于直接投加玉米芯碳源的利用方式。其與傳統(tǒng)的葡萄糖、甲醇或是聚乳酸等外加碳源相比，最大的特點是利用生物增強技術(shù)的原理，向傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)中引入具有特定功能的菌種，提高有效微生物的濃度，增強對有機物的降解能力和降解速率[14]。

人工濕地系統(tǒng)出水中TN和TP的變化，見圖6。

圖6 人工濕地系統(tǒng)進出水中TN和TP的變化Fig.6 Changes in water TN and TP in constructed wetland system

由圖6可以看出：

(2) 試驗組和空白組人工濕地系統(tǒng)出水中TP的平均值分別為0.71 mg/L和0.87 mg/L，TP的平均去除率分別為56.30%和46.60%。在新建人工濕地系統(tǒng)中，植物生長緩慢，隨著有機物濃度的增加，當基質(zhì)吸附能力較低時，微生物作用則為主要的除磷方式[16-17]，所以在低C/N條件下，聚磷菌需要利用碳源來維持生命體活動，會在人工濕地系統(tǒng)中與反硝化細菌產(chǎn)生競爭性抑制，進而影響人工濕地系統(tǒng)的處理效率[18]，使其脫氮除磷的效果降低。通過向人工濕地系統(tǒng)中投加碳源，使系統(tǒng)中的反硝化細菌和聚磷菌都可以獲得足夠的碳源進行生理活動，從而提高了人工濕地系統(tǒng)的脫氮除磷效果。同時，聚磷菌中兼性厭氧的反硝化聚磷菌可以利用硝酸鹽為電子受體維持其生理活動[19]，并進一步降解水中的氮元素。因此，向人工濕地系統(tǒng)中投加碳源后，系統(tǒng)中的微生物可以充分利用所釋放的碳源,從而提高人工濕地系統(tǒng)的脫氮除磷效果。

2.4 微生物多樣性分析

取試驗組和空白組兩組人工濕地系統(tǒng)中的填料對其進行生物多樣性分析檢測，其檢測結(jié)果見圖7。

圖7 人工濕地系統(tǒng)中屬水平菌落結(jié)構(gòu)Fig.7 Gnus level colony structure in constructed wetland system

由圖7可見，添加生態(tài)碳源組的人工濕地系統(tǒng)中菌種的豐度要高于空白組。其中，Dechloromonas、Hydrogenophaga、Zoogloea、Sulfurospirillum、Sulfurimonas、Pseudomonas、Thauera、Simplicispira、Comamonadaceae-unclassified等菌屬均與脫氮相關(guān)[20-22]，其相對豐度達到了50.6%，遠高于空白組的相對豐度28.65%。上述試驗結(jié)果表明：添加生態(tài)型植物碳源的人工濕地系統(tǒng)，可以明顯提高系統(tǒng)中脫氮菌屬的豐度，促進人工濕地系統(tǒng)的脫氮作用。

3 結(jié)論與展望

(1) 玉米芯植物經(jīng)過堿處理、熱處理、簡單處理后TN、TP和COD在試驗初期的釋放量較高，第8天時釋放速度達到穩(wěn)定。經(jīng)過堿處理后，玉米芯COD、TN、TP的釋放效果最佳，COD、TN、TP的平均釋放量分別為104 mg/L、2.58 mg/L、0.24 mg/L，可以很好地提高人工濕地系統(tǒng)污水中的C/N，促進人工濕地系統(tǒng)的反硝化作用。經(jīng)玉米芯浸出液EEM-PARAFAC分析顯示，玉米芯水解的產(chǎn)物為類腐殖酸和類富里酸化合物，這為研究添加玉米芯促進人工濕地系統(tǒng)脫氮的驅(qū)動機理研究提供了理論支持。

(2) 在人工濕地系統(tǒng)中添加生態(tài)型植物碳源，在系統(tǒng)出水中COD濃度不顯著提高的前提下，相比空白組，該試驗組系統(tǒng)出水中TN和TP的去除率分別提高了35.82%和9.7%，且與脫氮相關(guān)的菌屬相對豐度提高了21.95%，說明添加生態(tài)型植物碳源可以有效地提高人工濕地系統(tǒng)的脫氮除磷效果。

(3) 所合成的生態(tài)型植物碳源，作為一種新型工藝，可以有效地促進人工濕地系統(tǒng)對TN、TP的去除。但在合成生態(tài)型植物碳源時，如何保持菌種高效的生理活性和多樣性以及植物碳源的長期釋放效果，將是今后研究的重點。