濕地植物固體碳源養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)及其對(duì)人工濕地水體脫氮效率的影響*

譚佩陽(yáng)，侯志勇，謝永宏，李 峰，楊 揚(yáng)，陳 薇，李 陽(yáng)

(1：中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，長(zhǎng)沙 410125) (2：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049) (3：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，長(zhǎng)沙410128)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)目前所面臨的水體污染領(lǐng)域常見(jiàn)問(wèn)題之一[1]. 研究發(fā)現(xiàn)，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因之一是含氮物質(zhì)的過(guò)量排放[2]. 2020年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)公告顯示湖泊(水庫(kù))重要漁業(yè)水域主要超標(biāo)指標(biāo)為總氮，且總氮比2019年有所上升. 同時(shí)，水體中較高的氮濃度也會(huì)危害人們的健康，因此對(duì)于污染水體進(jìn)行有效脫氮處理、改善水體水質(zhì)成為了迫切需求.

人工濕地因其在含氮污廢水的治理上有著投資低、運(yùn)行費(fèi)用少、耗能低等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用[3-5]. 但人工濕地所承接的污水主要為污水處理廠處理過(guò)后的尾水，其碳濃度較低，使人工濕地普遍面臨進(jìn)水中C/N較低的問(wèn)題. 低C/N會(huì)對(duì)濕地系統(tǒng)中的異養(yǎng)反硝化過(guò)程產(chǎn)生阻礙，從而限制濕地對(duì)水體中氮的去除效果[6-7]. 因此，外部碳源的投加是強(qiáng)化濕地水體脫氮效果的有效途徑.

甲醇、乙醇、乙酸和糖類(lèi)等小分子有機(jī)物在污水處理中應(yīng)用較為常見(jiàn)，但需通過(guò)持續(xù)添加來(lái)維持其持續(xù)供碳能力，運(yùn)行和管理成本較高[8]. 固體碳源中，聚已酸內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)等人工聚合物因成本高，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用[9-10]. 近年來(lái)，農(nóng)業(yè)廢棄物以其成本低廉、分布廣泛、易于取材、符合資源循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)，成為了碳源添加材料研究領(lǐng)域的熱門(mén)，比如稻草、稻殼、花生殼、秸稈、玉米芯、木屑和棉花等[11-13]. 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中配置的濕地植物普遍具有豐富的木質(zhì)素和纖維素，有作為外加碳源的潛力[14]，濕地植物由于周期性生長(zhǎng)，生長(zhǎng)到一定階段會(huì)進(jìn)入枯死期，枯死后植物腐爛分解釋放的有機(jī)物能夠?yàn)榉聪趸饔锰峁┮欢ǖ奶荚? 因此，可利用濕地植物作為外加碳源解決濕地污水脫氮問(wèn)題，其不但契合“就地取材，原位處理”的廢物利用原則，同時(shí)節(jié)省了大量處理凋亡水生植物的運(yùn)輸、掩埋等費(fèi)用，體現(xiàn)了“原位處理”的高效性和經(jīng)濟(jì)性，與農(nóng)業(yè)廢棄物相比更有優(yōu)勢(shì). 但目前有關(guān)濕地植物的釋碳特性以及濕地植物的反硝化脫氮效果的研究還有待完善，且大部分研究集中于潛流人工濕地，對(duì)表流人工濕地的研究相對(duì)較少.

本研究揭示了濕地植物作為植物碳源添加，在模擬表流人工濕地中處理模擬污水廠尾水的脫氮效果，首先分析了不同濕地植物的碳源釋放動(dòng)態(tài) ；其次，對(duì)篩選出釋碳效果較好的外加碳源濕地植物進(jìn)行模擬表流人工濕地生物反硝化實(shí)驗(yàn)；以期通過(guò)濕地植物原位利用的方式解決人工濕地C/N較低的問(wèn)題，進(jìn)而以人工濕地植物配置方式解決濕地外加碳源添加，為提高濕地污水脫氮效果提供有意義的新模式.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選取玉米芯及稻草秸稈2種農(nóng)業(yè)廢棄物和美人蕉(Cannaindica)、南荻(Triarrhenalutarioripari)、香蒲(Typhaorientalis)、蓮(Nelumbonucifera)、菹草(Potamogetoncrispus)、短尖苔草(Carexbrevicuspis)6種典型濕地植物研究其釋碳能力，玉米芯和稻草秸稈都是較為成熟的植物碳源添加材料，美人蕉、南荻、香蒲、蓮、菹草、短尖苔草是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的常見(jiàn)植物，取材簡(jiǎn)單，適合原位處理. 上述濕地植物碳源材料均采自中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所洞庭湖觀測(cè)研究站內(nèi)人工濕地，采集時(shí)間為12月上旬，采集植物為植物地上部分，稻草秸稈與玉米芯購(gòu)置附近農(nóng)戶，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將其切成 2 cm × 2 cm 的片狀，洗凈后在 78℃ 烘箱中烘 72 h，自然冷卻混合均勻后裝入樣品袋置于干燥器中備用.

1.2 碳源釋放實(shí)驗(yàn)

選取1000 mL的錐形瓶，洗凈并烘干，分別稱取5 g上述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的植物碳源材料加入錐形瓶，并加入1000 mL的自來(lái)水充分浸泡，最后瓶口使用帶有小孔的塑料薄膜密封. 水樣采集前先搖晃錐形瓶使其混合均勻，取其上清液100 mL，每次水樣采集完后更換自來(lái)水. 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后分別在第2、4、6、8、10、12和14天開(kāi)始采集各處理水樣，分析各樣品的總有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN) 濃度.

1.3 反硝化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用1 m×1 m×1 m的水泥池作為模擬濕地. 將采集于洞庭湖濕地的土壤，經(jīng)過(guò)晾曬、搗碎、去除植物根莖等前處理后裝入水泥池作為濕地植物生長(zhǎng)基質(zhì)，土壤厚度約20 cm. 每個(gè)池中種植菹草36株構(gòu)建人工濕地植被，模擬表流人工濕地裝置如圖1. 實(shí)驗(yàn)水泥池共12個(gè)，設(shè)置南荻、香蒲、玉米芯和對(duì)照(不添加碳源)共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次作為平行對(duì)照. 其中，植物碳源處理的碳源添加量為500 g/池.

圖1 人工濕地模擬裝置Fig.1 Artificial wetland simulation device diagram

1.4 水樣測(cè)定方法

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理，數(shù)據(jù)作圖使用GraphPad Prism 8，各階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 IBM SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行 One-way ANOVA 方差分析，用Duncan法進(jìn)行多個(gè)樣本的平均值比較，顯著性水平設(shè)為0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 碳源靜態(tài)釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

8種植物碳源材料在14天內(nèi)TOC的靜態(tài)釋放情況如圖2a所示. 除南荻以外其他材料在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始2天內(nèi)釋放量最大，在6天內(nèi)釋放速率逐漸降低，6天以后趨近于穩(wěn)定. 各種植物碳源材料6天內(nèi)的釋碳能力依次為：美人蕉>玉米芯>香蒲>短尖苔草>菹草>南荻>蓮>稻草，其中美人蕉的TOC釋放最多，其釋放量為288.07 mg/L. 6天后碳源釋放穩(wěn)定期間，如表1所示，各植物材料的碳源持續(xù)釋放能力有明顯的差異(P<0.05)，釋碳能力依次為：玉米芯>稻草>蓮>香蒲>美人蕉>短尖苔草>菹草>南荻，其中玉米芯的持續(xù)釋放能力最強(qiáng)，2天釋放量為5.23 mg/L，濕地植物中持續(xù)釋放能力較強(qiáng)的為香蒲與蓮. 綜合分析發(fā)現(xiàn)，美人蕉的碳釋放能力最強(qiáng)，但其碳源的釋放主要在前期，穩(wěn)定釋碳能力較弱；玉米芯的釋碳能力和穩(wěn)定釋碳能力都比較強(qiáng).

8種植物碳源材料在14天內(nèi)TN的靜態(tài)釋放情況如圖2b所示. 其變化趨勢(shì)與碳源釋放基本相同，植物碳源TN的釋放能力依次為：菹草>稻草>短尖苔草>蓮>玉米芯>美人蕉>香蒲>南荻，其中菹草的TN釋放最多，其釋放量為20.00 mg/L，南荻的釋放量最少，其釋放量為1.04 mg/L. 如表1所示，植物穩(wěn)定釋放期，植物碳源添加的水體TN濃度均小于對(duì)照組(P<0.05)，由此可見(jiàn)植物作為反硝化固體碳源添加到水體，本身所釋放的氮素污染對(duì)水體的影響主要集中在前6天內(nèi)，6天后對(duì)水體的氮素污染無(wú)影響，由此可見(jiàn)南荻、美人蕉和香蒲都是較為適合的碳源材料.

綜合分析選取總體碳釋放能力最強(qiáng)的美人蕉和氮素釋放最少的南荻作為植物碳源添加物，以有較好脫氮能力的玉米芯作為參照，衡量濕地植物作為碳源添加材料的可能性.

圖2 不同植物碳源TOC(a)和TN(b)靜態(tài)釋放曲線Fig.2 Static release curves of TOC (a) and TN (b) from different plant carbon sources

表1 不同植物碳源6天后穩(wěn)定釋放期TN、TOC和TOC/TN對(duì)比*

2.2 不同碳源反硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第1個(gè)周期(6 d)內(nèi)，美人蕉組的NH3-N濃度顯著高于對(duì)照組；從第2個(gè)周期開(kāi)始，NH3-N濃度隨時(shí)間逐漸降低至趨于穩(wěn)定，其中對(duì)照組、南荻組和美人蕉組差異不顯著，其去除效率分別為56.44%、56.58%和61.34%，玉米芯組的去除效果有較好的提升，其去除效率為66.88%，南荻和美人蕉的添加對(duì)NH3-N去除的提升效果不明顯，但在穩(wěn)定后不會(huì)對(duì)系統(tǒng)有負(fù)面影響；其中美人蕉在前期會(huì)出現(xiàn)NH3-N積累的情況，在應(yīng)用中需要注意，控制碳源添加的量.

在第1個(gè)周期(6 d)內(nèi)，玉米芯和南荻對(duì)系統(tǒng)進(jìn)水TN處理效果較好，美人蕉的處理效果較差；從第2個(gè)周期開(kāi)始，碳源的釋放逐漸減少至趨于穩(wěn)定，從TN的去除效率上來(lái)看，南荻、美人蕉和玉米芯都有顯著的處理效果(P<0.05)，對(duì)照組、南荻組、美人蕉組和玉米芯組的出水TN濃度分別為(5.24±0.07)、(4.50±0.10)、(3.75±0.17)和(2.97±0.18)mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率分別為58%、64%、70%和76%，所有植物碳源添加顯著提高了TN的去除效率(P<0.05)，

實(shí)驗(yàn)組的出水TOC濃度均高于對(duì)照組，其中玉米芯的濃度最高，與碳源釋放的結(jié)果基本一致，植物碳源的添加對(duì)出水TOC濃度有一定的影響，出水的碳氮比提高，可考慮作為前置池匯入未經(jīng)處理的污水，對(duì)TOC進(jìn)行二次利用.

圖3 3種植物碳源TOC(a)、TN(b)、NH3-N(c)和濃度變化特征Fig.3 Variation characteristics of TOC (a), TN (b), NH3-N (c) and (d) concentrations of three plant carbon sources

3 討論

3.1 碳源靜態(tài)釋放特征

本研究的8種植物碳源釋放特征與Brodersen等的研究基本符合[16]，主要分為3個(gè)過(guò)程:前期由于植物凋落物所含的糖類(lèi)、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)和易溶性物質(zhì)快速溶出，2天內(nèi)水體的TOC濃度迅速上升；中期植物凋落物所含的難溶易分解物質(zhì)開(kāi)始逐漸被微生物利用，2～6天水體的TOC濃度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；后期植物凋落物所含的物質(zhì)多為木質(zhì)素、纖維素等較為難分解的物質(zhì)，其水解速率受到抑制，在6天后水體TOC濃度降至最低水平并趨于平穩(wěn). 植物碳源TN的釋放能力依次為：菹草>稻草>短尖苔草>蓮>玉米芯>美人蕉>香蒲>南荻，菹草前期會(huì)釋放較多的TN，對(duì)水體的影響相對(duì)較大，需慎重考慮其原位利用的可行性. 各種植物碳源材料6天內(nèi)的釋碳能力依次為：美人蕉>玉米芯>香蒲>短尖苔草>菹草>南荻>蓮葉>稻草，濕地植物中以美人蕉、香蒲為代表的挺水植物具有相對(duì)較好的碳釋能力，TN的釋放較少，對(duì)水體產(chǎn)生二次污染的可能性小，是較為適合的碳源添加材料，南荻釋碳能力相對(duì)較弱，但在人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，并且其TN的釋放顯著低于其他各類(lèi)植物，出于“就地取材，原位處理”的原則，綜合考慮其低TN釋放特征和應(yīng)用廣泛性，可以將其作為碳源添加材料.

3.2 植物碳源添加對(duì)人工濕地氮素凈化的影響

4 結(jié)論

1)從碳源的釋放實(shí)驗(yàn)看，以美人蕉、香蒲、南荻為代表的挺水植物不但具有較好的釋放碳能力，氮素的釋放較少，且在濕地生態(tài)系統(tǒng)中廣泛分布，都可作為碳源添加材料；以菹草為代表的沉水植物含氮量相對(duì)過(guò)高，在投放初期會(huì)釋放大量的氮素，在原位利用時(shí)需要考慮其對(duì)水體的二次污染.

2)對(duì)低碳氮比的模擬濕地投入植物碳源，有效地提高了系統(tǒng)的脫氮效率，對(duì)照組、南荻組、美人蕉組和玉米芯組的出水TN濃度分別為(5.24±0.07)、(4.50±0.10)、(3.75±0.17)和(2.97±0.18)mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率分別為58%、64%、70%和76%. 可見(jiàn)，南荻、美人蕉等挺水植物均適合作為人工濕地中原位利用的外加碳源.

3)根據(jù)植物碳源前期快速淋溶期所釋放的TOC較后期利用效率更高的特征，在人工濕地運(yùn)行管理過(guò)程中應(yīng)少量多次投放植物碳源，以充分利用淋溶期大量釋放的可溶性有機(jī)碳提升人工濕地脫氮效能.

4)通過(guò)篩選配置高釋碳、低釋氮的濕地植物，能解決人工濕地廣泛存在的C/N較低的問(wèn)題，為提高濕地污水脫氮效果提供了有意義的新途徑.