用植物碳源強化濕地系統(tǒng)脫氮研究

陶加慶，尤朝陽，徐浩欽，張 婷

（南京工業(yè)大學城市建設學院，江蘇 南京 211816）

目前，大量低C/N污水排入地表水體導致河湖水體富營養(yǎng)化嚴重，因此氮素的去除已成為地表水修復中亟待解決的問題。人工濕地作為一種營養(yǎng)鹽控制手段，主要依靠系統(tǒng)內(nèi)微生物的硝化和反硝化作用去除水體中的氮素，具有建造運行成本低、維護管理簡單、生態(tài)環(huán)境友好等優(yōu)勢。碳源在反硝化過程中作為電子供體和微生物新陳代謝的能量來源，是人工濕地脫氮的主要限制因素之一。人工濕地在處理此類低C/N水體時，由于有機物含量低，碳源不足使得反硝化作用受到嚴重抑制，生物脫氮效率大大降低。

針對脫氮過程中碳源不足的問題，研究者提出可通過外加碳源，提高進水C/N，從而有效提高濕地脫氮效果。傳統(tǒng)小分子有機物（如甲醇、乙酸、糖類物質(zhì)等）作為外加碳源，存在消耗快、存儲困難、價格昂貴、投加難控制等問題。而可生物降解多聚物等新型碳源制備工藝復雜、運行成本較高，短期內(nèi)無法實現(xiàn)大規(guī)模應用。天然植物材料體內(nèi)富含木質(zhì)纖維素，在微生物酶作用下能夠持續(xù)分解釋放有機物質(zhì)，且具有來源充足、取材方便、成本低廉、無毒無害等優(yōu)點，具有一次添加長期釋放、后續(xù)管理方便的特點。同時，將植物材料作為反硝化外加碳源進行合理利用，一方面能夠使其減量化、資源化，另一方面能夠降低濕地系統(tǒng)運行成本，提高經(jīng)濟環(huán)保效益，已成為目前的研究熱點。秸稈、殼類等農(nóng)業(yè)廢棄物和景觀植物枝、葉、莖稈等凋落物都是可用的植物碳源，均被報道用來強化人工濕地系統(tǒng)脫氮。Zhang等［1］在垂直流濕地中使用懸鈴木凋落物作為碳源，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對TN的去除率提高了36.04%。Fan等［2］將菖蒲作為填料基質(zhì)應用于表面流人工濕地處理低C/N污水，系統(tǒng)對TN的去除率約是添加前的3倍。Si等［3］在垂直潛流人工濕地中補充小麥秸稈作為碳源，在低溫（（12.5±4.0）℃）和高溫（（24.55±2.35）℃）條件下系統(tǒng)對TN的去除率分別提高了37.82%和73.27%。

然而，植物材料中的木質(zhì)素通過氫鍵和共價鍵與糖類聚合物連接，存在于植物細胞壁中，阻礙植物體內(nèi)纖維素與半纖維素被酶和微生物分解利用，因此需要對植物材料進行預處理，以破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，提高植物材料的可生化性和釋碳性能。目前常見的預處理主要包括機械粉碎、酸堿處理、氧化處理、高壓蒸煮、輻射處理及多種方法聯(lián)合處理等方法。李曉崴等［4］研究發(fā)現(xiàn)植物秸稈經(jīng)堿處理、高壓蒸煮和粉碎處理后釋碳量相差不大，然而粉碎處理的成本最低。

但是，目前對于植物材料粉碎處理后的釋碳性能及對濕地系統(tǒng)中脫氮效果缺乏系統(tǒng)研究。因此，本研究選取蘆葦、水稻、小麥和香蒲秸稈等植物材料進行機械粉碎預處理，通過靜態(tài)釋放實驗和控制變量法來探究各植物材料釋放有機碳、氮磷的規(guī)律以及溫度、pH等環(huán)境因素變化對其釋放特性的影響，并從中選出最佳植物碳源應用至濕地系統(tǒng)中以強化人工濕地反硝化脫氮。

1 材料與方法

1.1 植物材料預處理

將蘆葦、水稻、小麥和香蒲等植物秸稈沖洗干凈，置于70℃烘箱中烘干至恒重，并將烘干后的植物材料用150型磨粉機粉碎成粒徑范圍為1～2 mm備用。

1.2 植物材料靜態(tài)釋放實驗

稱取植物材料各2.5 g，使用醫(yī)用脫脂紗布包裹，置于250 mL的反應瓶中，加入250 mL純水，調(diào)節(jié)pH為7.0，用封口膜密封后置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中。每組設置3個平行。實驗周期為15 d，每隔24 h更換反應瓶中250 mL純水，并在1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、9 d、11 d、13 d、15 d更換純水時取反應瓶中浸出液，測定水樣中COD、TN、TP和pH。

1.3 溫度、pH影響探究實驗

通過控制變量法，分別設溫度為10℃、15℃、25℃、30℃、35℃，pH值為5、6、7、8、9，其他實驗步驟同1.2所述。每組設置3個平行。實驗周期為7 d，在1 d、2 d、3 d、5 d、7 d更換純水時取反應瓶中浸出液，測定水樣中COD、TN和TP。

1.4 人工濕地系統(tǒng)運行

實驗構(gòu)建了2組垂直潛流濕地系統(tǒng)，由下往上分別為細礫石層3 cm、基質(zhì)層15 cm和蓄水層7 cm，底部設有出水口。其中第1組為空白對照組，基質(zhì)由蘆葦生物炭+河沙（質(zhì)量比1∶9）均勻混合組成，混合物質(zhì)量為1.8 kg；第2組為添加蘆葦碳源的實驗組，基質(zhì)由1.8 kg混合物與30 g蘆葦秸稈組成，其中蘆葦秸稈與混合物均勻混合布于基質(zhì)中層。每組處理系統(tǒng)設置2個平行。所有裝置均移栽5株同一生長階段、具有相同鮮重的蘆葦植物，植物根系被放置在基質(zhì)上層的7 cm處。此時，測得濕地裝置的填料孔隙容積為（0.50±0.02）L。

通過向自來水中添加C6H12O6、NH4Cl、KNO3和KH2PO4等來模擬低C/N微污染水體，實驗配水中各種污染物質(zhì)量濃度長期測量平均值如表1所示。2組濕地裝置在實驗室室溫條件下采用連續(xù)流的方式運行51 d。首先是21 d的微生物馴化啟動階段，將實驗配水與經(jīng)2層紗布過濾后的活性污泥按體積比7∶3混合，并向各裝置中進入該混合液，水力停留時間為24 h，出水中NO-3-N質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，裝置掛膜啟動成功。在正式運行階段，向各裝置中進入實驗配水，水力停留時間為12 h，連續(xù)運行30 d，每天同一時間對2組裝置的出水水質(zhì)進行監(jiān)測，測定水樣中的COD、TN和TP。

表1 實驗配水中各污染物質(zhì)量濃度 單位：mg/L

1.5 水質(zhì)測定及分析方法

COD采用6B-200C型COD速測儀按快速消解-分光光度法測定；TN、TP、N-N和N-N采用UV-5500型紫外分光光度計按文獻［5］中方法測定；pH值采用pH 400型pH計測定。所有數(shù)據(jù)用Excel 2019進行統(tǒng)計處理，Origin 2019軟件進行繪圖。

植物材料的有機碳累積釋放量按下式（1）計算：

式中：φ為植物材料有機碳累積釋放量（以COD表征），mg/g；c1、c2、c3、c4、c5分別為1、2、3、5、7 d植物材料浸出液中COD質(zhì)量濃度，mg/L；c6為9～15 d植物材料平均每日浸出液中COD質(zhì)量濃度，mg/L；v為植物材料每日浸出液體積，L；t為時間，d；m為植物材料質(zhì)量，g。

植物材料的有機碳釋放周期按下式（2）計算：

式中：t為植物材料有機碳釋放周期，d；m為植物材料質(zhì)量，g；ω為植物材料中纖維素、半纖維素含量；c6為9～15 d植物材料平均每日浸出液中COD質(zhì)量濃度，mg/L；v為植物材料每日浸出液體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物材料的靜態(tài)釋放特性

2.1.1 有機碳的釋放規(guī)律

圖1為植物材料靜態(tài)釋放實驗中COD的變化規(guī)律，4種植物材料的COD釋放量均在第1天達到最高值，從第2天開始迅速下降，5～9 d內(nèi)下降速率明顯減緩，9～15 d期間則進入碳源穩(wěn)定釋放期。靜態(tài)釋放初期，植物表面水溶性物質(zhì)迅速溶解、內(nèi)部溶脹脫出的易分解小分子化合物快速降解導致浸出液中COD質(zhì)量濃度偏高；隨著時間推移，植物體中易溶解底物釋放完全，浸出液中COD主要來自植物內(nèi)部纖維素類物質(zhì)的水解釋放，此時COD釋放量基本保持穩(wěn)定。熊家晴等［6］將蘆葦經(jīng)堿泡、堿熱處理后得到的最大碳源釋放量為193.60 mg/L、183.81 mg/L，而穩(wěn)定釋放期間相應的碳源平均釋放量分別為30.40 mg/（L·d）、35.91 mg/（L·d）。而本研究中采用機械粉碎的方式對蘆葦進行預處理，得到COD最大釋放量為194.16 mg/L，穩(wěn)定釋放期COD釋放量均值為33.11 mg/（L·d）。由此可見，蘆葦經(jīng)粉碎處理后的釋碳能力與堿處理組相近，然而可以減少藥劑使用費用及對環(huán)境的污染。

圖1 植物材料浸出液中COD質(zhì)量濃度變化規(guī)律

實驗結(jié)果表明，實驗期間植物材料有機碳累積釋放量依次是：水稻（245.53 mg/g）＞小麥（208.40 mg/g）＞香蒲（175.77 mg/g）＞蘆葦（86.92 mg/g）。不同植物材料的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素組成以及結(jié)構(gòu)差異導致了COD釋放量不同。用Van Soest［7］的方法對植物材料中的纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量測定，結(jié)果見表2。由表2可見，水稻、小麥、香蒲中纖維素和半纖維素含量較高，而木質(zhì)素含量相對較低，因此有機碳釋放量較高；相反，蘆葦中木質(zhì)素含量較高，結(jié)構(gòu)致密，因此有機碳釋放速率相對穩(wěn)定。作為強化人工濕地反硝化脫氮的外加碳源應滿足可持續(xù)穩(wěn)定釋放碳源的要求，COD釋放速率過快導致微生物不能及時完全利用，出水COD質(zhì)量濃度迅速上升，釋放速率過慢、后期供碳不足則不能滿足微生物反硝化脫氮的需求。根據(jù)計算，蘆葦、水稻、小麥和香蒲的有機碳釋放周期分別為185 d、97 d、104 d、98 d?？梢?，蘆葦?shù)尼屘贾芷谳^長、釋碳速率穩(wěn)定，作為人工濕地外加碳源時更易調(diào)控。

表2 植物材料中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素占比單位：mg/g

2.1.2 氮磷的釋放規(guī)律

采用植物材料作為外加碳源，其內(nèi)部纖維素類物質(zhì)能夠分解釋放有機質(zhì)，為反硝化菌提供充足的碳源，然而，物料體內(nèi)的N、P等營養(yǎng)元素也會同步釋放至水中加重水體富營養(yǎng)化。

圖2為植物材料靜態(tài)釋放實驗中TN、TP的變化規(guī)律。由圖2（a）可知，4植物材料TN在第1天有最大釋放量，隨后在3 d內(nèi)迅速下降后逐漸趨于穩(wěn)定，進入穩(wěn)定釋放期，此時蘆葦、水稻、小麥、香蒲的TN平均釋放量分別為0.39 mg/（L·d）、0.65 mg/（L·d）、1.24 mg/（L·d）、0.73 mg/（L·d）。隨著水稻、小麥、香蒲在水中快速分解，在實驗初期即釋放出較多的氮素，同時中后期持續(xù)釋氮能力也較強，對水環(huán)境帶來較大營養(yǎng)負荷。相比之下，蘆葦?shù)腡N釋放量較低、對水體水質(zhì)的影響更小。

由圖2（b）可知，4種植物材料均在第1天有最大TP釋放量，分別為蘆葦1.58 mg/L、水稻11.29 mg/L、小麥9.53 mg/L、香蒲9.02 mg/L，隨后TP釋放量在5 d內(nèi)迅速下降，11 d時水稻、小麥、香蒲釋放的TP降至0.10 mg/L以下，而蘆葦釋放的TP則降至0.05 mg/L以下。與COD和TN的釋放規(guī)律不同，4種植物材料在實驗中后期的TP釋放量均處于較低水平。肖蕾等［8］將添加和未添加堿處理千屈菜植物碳源的濕地系統(tǒng)進行對比研究發(fā)現(xiàn)，2種濕地系統(tǒng)的TP釋放規(guī)律沒有顯著性差異。因此，采用植物材料作為人工濕地外加碳源，對水體中TP含量影響較小。但是，為保證濕地系統(tǒng)運行的安全性，仍需確定合適的植物碳源添加量，在最大程度促進反硝化的同時，避免N、P等營養(yǎng)物質(zhì)過量釋放使出水水質(zhì)不達標。

圖2 植物材料浸出液中TN和TP變化規(guī)律

2.1.3 浸出液C/N、pH變化規(guī)律

C/N是污水處理中的重要指標之一，適宜的C/N是保證反硝化脫氮高效進行的關鍵。圖3為植物材料浸出液C/N、pH的變化規(guī)律。由圖3（a）可知，4種植物材料浸出液C/N整體呈現(xiàn)前期逐漸上升、中期波動下降，后期趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，最大值分別為蘆葦125、水稻216、小麥93和香蒲151。陳帥全等［9］研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈浸出液C/N隨時間推移呈下降趨勢，最大值為185，而美人蕉稈浸出液C/N則表現(xiàn)為前期下降，后期有一定程度上升，最大值為323。不同種類植物材料釋放C、N能力不同導致其浸出液C/N有所區(qū)別。C/N主要影響微生物的反硝化過程，較高的C/N能夠提供充足的碳源，促進反硝化速率，減少NO-2-N的累積。實驗中蘆葦浸出液C/N較其它植物材料變化更為平穩(wěn)，與前者實驗結(jié)果一致。

圖3 植物材料浸出液C/N和pH變化規(guī)律

水體pH主要影響人工濕地脫氮系統(tǒng)中的微生物活性，硝化細菌在pH值為7.0～8.1時活性最強，反硝化細菌最適宜生長的pH值為7.0～8.5。由圖3（b）可知，蘆葦、水稻浸出液pH變化比較平穩(wěn)，pH值均在6.0～7.0范圍內(nèi)變化；而小麥、香蒲浸出液pH值全周期呈波動上升趨勢，前9天pH值均低于6.0，最低值達到5.1、5.2，而9 d后pH值則在6.0～6.4之間變化。這主要是因為小麥、香蒲表面附著有大量的可溶性有機酸類物質(zhì)，在實驗初期迅速溶解進入水體，導致浸出液pH值較低。隨著時間推移，4種植物材料表面有機酸釋放完全，進入穩(wěn)定釋碳階段，浸出液pH值開始逐漸上升。但是，此時植物體內(nèi)纖維素類物質(zhì)緩慢分解，同樣會釋放乙酸、丙酸等有機酸類物質(zhì)，因而浸出液呈酸性。然而在實際應用中，作為碳源的蘆葦水解酸化有機酸釋放量較小，不易引起水體pH較大變化而影響脫氮效果。

2.2 環(huán)境因素對植物材料釋放的影響

溫度和水體pH兩種環(huán)境因素變化會影響植物材料的分解過程。將實驗中5次取樣測定結(jié)果通過衡量計算得出各植物材料在不同溫度、pH條件下的COD、TN、TP平均釋放量，繪制出圖4和圖5。

圖5 不同pH植物釋放COD、TN、TP變化

由圖4可知，水稻、小麥、香蒲的COD、TN、TP釋放量受溫度影響變化規(guī)律相似：當溫度為10～15℃時，COD、TN、TP的釋放量隨溫度變化不顯著，均處于較低水平；當溫度為15～35℃時，COD、TN、TP的釋放量隨溫度上升顯著提高。這與熊劍鋒等［10］研究梧桐樹葉隨著溫度升高COD釋放速率和增加量均有所提高的結(jié)論一致。原因主要在于：低溫時物質(zhì)內(nèi)部分子活動減緩，有機碳和營養(yǎng)元素釋放量較低；隨著溫度升高，分子運動加劇，與外界水體間的物質(zhì)傳遞加速，同時秸稈表面孔隙在一定程度上膨脹，各物質(zhì)釋放量顯著增加。

圖4 不同溫度植物釋放COD、TN、TP變化

而蘆葦?shù)腃OD、TN、TP釋放量在溫度為10～35℃內(nèi)呈緩慢上升趨勢，并在35℃時達到最大值，CODmax為125.09 mg/（L·d），TNmax為2.89 mg/（L·d），TPmax為0.75 mg/（L·d），遠低于其它植物材料。這主要是因為蘆葦木質(zhì)素含量較高，實驗中溫度提升不足以破壞它的結(jié)構(gòu)，因而COD、TN、TP的釋放量受溫度影響較小。王春喜等［11］研究表明溫度在20～30℃范圍植物外加碳源聯(lián)合反硝化細菌脫氮效果較好。蘆葦在此溫度區(qū)間碳源釋放充足穩(wěn)定，能夠較好地滿足微生物反硝化脫氮需求。

由圖5可知，在pH為5～9范圍內(nèi)，4種植物材料的COD釋放量隨pH的升高逐漸降低，在pH=5時有最大釋放量，分別為蘆葦124.48 mg/（L·d）、水稻345.79 mg/（L·d）、小麥393.05 mg/（L·d）、香蒲247.45 mg/（L·d）。這是因為酸性環(huán)境有利于促進纖維素分解菌的新陳代謝，加速纖維素酶的分泌，提高植物纖維素類物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，使碳源更快釋放，而堿性環(huán)境則會減緩有機碳的釋放。與COD釋放規(guī)律不同，4種植物材料的TN、TP釋放量均在pH=7時有最大值，蘆葦、水稻、小麥、香蒲的TNmax分別為2.68 mg/（L·d）、7.57 mg/（L·d）、6.33 mg/（L·d）、3.22 mg/（L·d），TPmax分別為0.61 mg/（L·d）、3.09 mg/（L·d）、2.43 mg/（L·d）、2.54 mg/（L·d）。因此，以蘆葦作為人工濕地外加碳源時，不會因水體pH變化而導致釋放過量的TN、TP。

2.3 投加蘆葦碳源對濕地系統(tǒng)脫氮的影響

2.3.1 對TN去除的影響

圖6為人工濕地系統(tǒng)運行期間進出水TN質(zhì)量濃度變化規(guī)律。由圖可知，濕地系統(tǒng)進水TN質(zhì)量濃度為15.49～16.82 mg/L，空白對照組和蘆葦實驗組濕地出水TN質(zhì)量濃度分別為11.94～14.07、1.64～3.05 mg/L，對應TN平均去除率分別為20.18%、86.04%。實驗進水中TN由和組成，主要經(jīng)濕地內(nèi)微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為，因而去除效果的好壞直接影響最終污水中TN的去除率。而反硝化反應主要依靠異養(yǎng)微生物在缺氧條件下將和還原為氣態(tài)氮，這一過程需要充足的碳源參加，所以在進水C/N較低的情況下，空白對照濕地中缺乏有機碳源導致異養(yǎng)反硝化菌的反硝化作用受到抑制，產(chǎn)生了大量累積，因而對TN的去除效果較差。相比之下，通過向人工濕地基質(zhì)中層添加蘆葦秸稈后，伴隨著植物碳源分解釋放有機物的同時，不僅可以為濕地系統(tǒng)提供足夠的能量和電子供體，而且可以加劇濕地中、下層基質(zhì)中溶解氧的消耗使得系統(tǒng)內(nèi)部快速形成缺氧/厭氧環(huán)境，強化反硝化菌的反硝化作用。此外，蘆葦秸稈表面復雜的孔隙結(jié)構(gòu)也可以為反硝化菌提供生長載體和適宜的生存環(huán)境，有效提高了人工濕地對低C/N微污染水體中TN的去除率。

圖6 濕地系統(tǒng)運行期間進出水TN質(zhì)量濃度變化

投加蘆葦碳源不僅顯著提升了人工濕地的脫氮效果，同樣也增強了對TP的去除效果。濕地系統(tǒng)進水TP質(zhì)量濃度為0.29～0.35 mg/L，空白對照組和蘆葦實驗組濕地出水TP質(zhì)量濃度則分別為0.05～0.09 mg/L、0.02～0.05 mg/L，對應TP平均去除率為77.62%、89.55%。這主要是因為在缺氧/厭氧環(huán)境下，反硝化菌利用NO3--N作為電子受體，產(chǎn)生與氧同樣的攝磷反應，從而促進了濕地對磷的脫除。

2.3.2 對出水COD的影響

圖7為人工濕地系統(tǒng)運行期間進出水COD質(zhì)量濃度變化情況。濕地系統(tǒng)進水COD質(zhì)量濃度為31.75～36.20 mg/L，空白對照組和蘆葦實驗組濕地出水COD質(zhì)量濃度分別為7.35～14.79 mg/L、21.82～29.16 mg/L，2組濕地系統(tǒng)對COD的去除效果均比較穩(wěn)定，對應COD平均去除率分別為66.44%、21.70%。添加蘆葦碳源使得濕地系統(tǒng)內(nèi)有機負荷上升，COD去除率降低。這是因為隨著蘆葦體內(nèi)纖維素和半纖維素水解釋放的有機物，未及時被濕地內(nèi)微生物分解利用就被排出系統(tǒng)。但濕地出水COD仍低于30 mg/L，滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅳ類水水質(zhì)標準。這表明，蘆葦碳源的添加一定程度上增加了濕地出水中有機物的含量，為反硝化菌提供充足的有機碳源，然而由于釋放量有限，對水體COD的提高不明顯，不會影響出水水質(zhì)。

圖7 濕地系統(tǒng)運行期間進出水COD質(zhì)量濃度變化

3 結(jié)論

植物材料經(jīng)粉碎處理后的有機碳15 d累積釋放量水稻（245.53 mg/g）＞小麥（208.40 mg/g）＞香蒲（175.77 mg/g）＞蘆葦（86.92 mg/g），但蘆葦?shù)尼屘贾芷陂L、釋碳速率穩(wěn)定，且TN、TP釋放量較低。當溫度為10～35℃時，4種植物材料的COD、TN、TP釋放量隨溫度升高而上升，但蘆葦受溫度影響程度最小。投加蘆葦碳源的濕地系統(tǒng)中，進水中TN質(zhì)量濃度為15.49～16.82 mg/L，出水中TN質(zhì)量濃度穩(wěn)定在1.64～3.05 mg/L，對應TN平均去除率達到86.04%，與對照組相比提高了65.86%，出水COD質(zhì)量濃度控制在21.82～29.16 mg/L，滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅳ類水水質(zhì)標準。