基于水位調(diào)控的垂直流人工濕地強化脫氮研究

左尚武 王月圓 余少樂 李子辰 吳 娟, 成水平,

(1.同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室, 上海 200092; 2.中國建筑第八工程局有限公司, 上海, 200135; 3.河北建設(shè)集團安裝工程有限公司, 保定 071051; 4.上海生態(tài)景觀水環(huán)境工程技術(shù)研究中心, 上海 200031)

人工濕地作為一種綠色、經(jīng)濟、低耗并具有其獨特生態(tài)價值的水處理工藝, 在全世界范圍被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)及農(nóng)村生活污水、農(nóng)業(yè)退水、市政尾水等水質(zhì)凈化[1]。李小艷等[2]統(tǒng)計了1990—2015年我國建成的791個人工濕地工程, 其中接近50%的人工濕地被應(yīng)用于處理城鎮(zhèn)及農(nóng)村生活污水, 氮、磷的去除是主要的水質(zhì)凈化目標。

為了提高人工濕地的脫氮性能, 本研究以傳統(tǒng)垂直流人工濕地為研究對象, 探究水位調(diào)控對濕地系統(tǒng)脫氮性能的影響效果及其影響機制, 以期為垂直流人工濕地的優(yōu)化設(shè)計及運行提供參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 垂直流人工濕地小試系統(tǒng)

構(gòu)建3套垂直流人工濕地小試系統(tǒng)(圖1)。每套系統(tǒng)的表面積為0.25 m2(50 cm×50 cm), 基質(zhì)床深度90 cm?；|(zhì)床順著水流方向分為進水區(qū)(5 cm)、主功能區(qū)(75 cm)和排水區(qū)(10 cm), 分別填充粒徑為5—8、3—5和5—8 mm的陶粒。每套濕地系統(tǒng)的頂部和底部設(shè)有直徑為15 mm的穿孔PVC管用于布水或集水。進水采用間歇性進水, 每天共進水4次, 每次持續(xù)1min。底部集水管出口連接有L型PVC管, 高度與基質(zhì)床齊平。所有濕地系統(tǒng)均種植美人蕉(Canna indicaL.), 種植密度為20 株/ m2。

圖1 垂直流人工濕地裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical flow constructed wetland

1.2 實驗設(shè)計

實驗前用自來水浸泡清洗陶粒, 去除其表面的灰塵和其他污染物。取上海市某污水廠回流污泥,稀釋后隨進水泵入各濕地系統(tǒng)進行微生物接種。進水各污染物濃度參考沈林亞等[9]研究中生活污水濃度進行人工配水, 碳源來自于大豆蛋白粉和工業(yè)純乙酸鈉, 氮源來自于氯化銨和大豆蛋白粉, 磷源來自于磷酸二氫鉀, 鈣鹽與鎂鹽來自于無水氯化鈣和無水硫酸鎂, 無機碳來自于碳酸氫鈉。實際的進水化學需氧量(CODCr)、總氮(TN)、銨態(tài)氮(-N)、硝態(tài)氮(-N)、亞硝態(tài)氮(-N)和總磷(TP)的濃度分別為 (128.2±14.6)、(44.5±3.6)、(40.9±4.0)、(0.8±0.7)、(0.5±0.2)和(4.0±0.4) mg/L。

3套濕地系統(tǒng)的總進水負荷均為100 mm/d, 運行方式如表1所示, 其水位運行高度分別為90、70和20 cm, 分別標記為H90、H70和H20。各人工濕地系統(tǒng)自2020年9月開始運行, 至實驗開始前均已穩(wěn)定。本實驗周期為2021年4—7月, 歷時4個月。

1.3 樣品采集與測試

實驗期間采集進水、每套濕地的出水及沿程水樣用于水質(zhì)分析, 采樣頻率為1次/周。水質(zhì)測試指標為CODCr、TN、-N、-N、-N和TP濃度, CODCr濃度采用哈希消解儀DRB 200和分光光度計DR2800測定, 其他水質(zhì)指標均采用標準方法測定[10]。2021年7月中旬采集基質(zhì)進行微生物群落(bacteria 16S rRNA和arc rRNA)及氮循環(huán)功能基因(AOA_amoA、AOB_amoA、nxrA、narG、nirK、nirS、nosZ、anammox)豐度的測定,測定方法參照Wang等[11]研究。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS 26 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析法分析不同運行水位下處理效果的差異性,P＜0.05表明具有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 水位調(diào)控對系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果的影響

為探究水位調(diào)控對系統(tǒng)總體水質(zhì)凈化效果的影響, 收集與分析了實驗周期內(nèi)進水及各系統(tǒng)的出水水質(zhì), 結(jié)果表明實驗前期受氣溫變化影響, 出水水質(zhì)存在波動, 中后期水質(zhì)較為穩(wěn)定。各系統(tǒng)每周進出水水質(zhì)以及平均污染物去除率分別如圖2和表1所示。此外, 為探究不飽和層、飽和層在水質(zhì)凈化中起到的作用, 分析了不同水位運行下二者對CODCr、-N和TN的去除貢獻率(圖3)。

表1 各系統(tǒng)的運行方式及污染物平均去除率Tab.1 Operating conditions and average removal rates of pollutants in each constructed wetlands

水位調(diào)控對CODCr去除的影響盡管本研究主要討論水位調(diào)控對于系統(tǒng)脫氮性能的影響, 但是CODCr的去除與氮素的去除高度相關(guān)[12]。各系統(tǒng)的CODCr出水濃度如圖2e所示, 當垂直流人工濕地滿飽和水位運行時(H90), 對CODCr去除效果并不理想, 平均出水濃度為57.6 mg/L, 平均去除率僅為56.2%。但當系統(tǒng)飽和水位降至為70 cm時(H70),CODCr的去除效果得到顯著增強(P＜0.05), 平均出水濃度降為17.3 mg/L, 平均去除率提高至86.8%。當系統(tǒng)飽和水位繼續(xù)下降至20 cm時(H20), CODCr去除效果與H70并無顯著差異(P＞0.05), 平均去除率為83.7%。這說明降低飽和運行水位, 使系統(tǒng)保持部分飽和運行可以顯著提高對CODCr的去除效果。進一步分析不飽和層、飽和層對CODCr的去除貢獻率(圖3), 發(fā)現(xiàn)不飽和層在CODCr的去除中占絕對主導作用, 其平均去除貢獻率為89%。這可能與降低水位運行后在基質(zhì)床上部形成的不飽和層有關(guān), 大量的有機物被截留吸附在基質(zhì)床上層10 cm內(nèi), 而不飽和層內(nèi)的好氧環(huán)境為有機物的降解提供了有利條件[13]。此外, 在同樣處理生活污水的部分飽和垂直流人工濕地研究中, 當不飽和層高度為9—33 cm時, 平均CODCr去除率為71%—96%[14—17],與本研究中的結(jié)果類似。

生活污水中氮素主要以-N為主。因此, 高效的硝化效率是實現(xiàn)氮素去除的關(guān)鍵。實驗結(jié)果表明隨著飽和水位的降低, 系統(tǒng)的硝化效率逐步提高(H20＞H70＞H90)。各系統(tǒng)-N的出水濃度如圖2b所示, 與高飽和水位運行的H90相比, 飽和水位相對較低的H70的-N平均出水濃度從33.5降至19.0 mg/L,去除效率顯著提高了近35%(P＜0.05)。當飽和水位繼續(xù)下降至20 cm時, 系統(tǒng)的硝化效率得到進一步提高,-N平均出水濃度降至8.4 mg/L, 平均去除率達到了79.6%。在Dong 和 Sun[17]的研究中發(fā)現(xiàn)了類似的飽和水位與硝化效率的關(guān)系, 當運行水位下降約50 cm 時, 系統(tǒng)的-N平均去除率從33.1%提高至50.3%。此外, 在一些其他應(yīng)用部分飽和垂直流人工濕地處理生活污水(-N濃度為24—62 mg/L)的研究中,-N的平均去除率僅為33%—51%[4,13,18—20], 本研究中H20擁有高效的硝化效率。

系統(tǒng)逐步提高的硝化效率意味著濕地內(nèi)部的復(fù)氧能力得到了加強, 通過分析各系統(tǒng)不飽和層、飽和層對-N的去除貢獻率(圖3), 發(fā)現(xiàn)不飽和層在-N的去除中占主導作用。在H70中, 20 cm的不飽和層對-N去除的貢獻率約65.1%, 而這一比例在不飽和層為70 cm的H20中被提高至90.0%。在Xia 等[14]和 Liu 等[16]關(guān)于部分飽和垂直流人工濕地的研究中同樣發(fā)現(xiàn)不飽和層在-N去除中起到了關(guān)鍵作用。此外, Morvannou等[20]的研究表明氨氮的完全硝化可以通過足夠長的不飽和層來實現(xiàn), 在處理-N平均濃度為55 mg/L的生活污水時, 不飽和層高度為110 cm的系統(tǒng)-N平均去除率高達90%。

圖3 不同水位運行下不飽和層/飽和層對于CODCr、-N和TN的去除率貢獻率Fig.3 The contribution of unsaturated and saturated zones to CODCr, -N and TN removal efficiency under different operating water levels

水位調(diào)控對TN去除的影響與-N的去除變化情況不同, TN的去除結(jié)果表明系統(tǒng)的TN去除率隨著飽和水位的降低呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢, 這說明適當降低飽和水位可以提高系統(tǒng)的脫氮性能。這與Dong and Sun等[17]、Huang等[21]和Liu 等[16]的研究結(jié)果相一致。如圖2所示, 飽和水位較高的H90受限于較低的硝化效率, 其TN平均去除率僅為22.1%, 復(fù)氧能力較弱是限制其脫氮性能的關(guān)鍵因素。而在飽和水位較低的H20中, 盡管濕地內(nèi)部較長的不飽和層大大增強了系統(tǒng)的復(fù)氧能力, 但過量復(fù)氧也可能導致碳源的大量損耗。H20出水中較高的N平均濃度(28.6 mg/L)說明后續(xù)反硝化碳源不足是導致系統(tǒng)脫氮效率較低的主要原因。與前兩者相比, 在飽和水位適中的H70中, 恰當?shù)牟伙柡蛯痈叨容^好地優(yōu)化了濕地內(nèi)部的碳-氧分布, 其脫氮效率得到顯著提升(P＜0.05), TN平均去除率達到了53.6%。這與已報道的部分飽和流人工濕地的TN平均去除率(37%—58%)相當[17,19,20,22,23]。不飽和層對TN的去除貢獻率高達80.2%。此外,H70出水中未見明顯-N積累, 說明同步硝化反硝化過程可能是其主要的脫氮路徑, Zheng等[13]的研究認為部分飽和垂直流人工濕地發(fā)生了同步硝化反硝化脫氮過程。

圖2 不同水位運行下人工濕地進出水水質(zhì)Fig.2 Influent and effluent water quality in constructed wetlands operated with different water levels

水位調(diào)控對磷去除的影響各系統(tǒng)磷的出水濃度如圖2f所示, 實驗期間磷的去除較為穩(wěn)定,各系統(tǒng)無明顯差異。H90、H70和H20的平均出水濃度均低于0.1 mg/L, 其平均去除率都高于98%, 這可能是由于陶粒出色的吸附效果[9,24,25]。

綜上, 水位調(diào)控可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的不飽和層、飽和層分布, 提高對CODCr和NH4+-N的去除效果, 進而提高系統(tǒng)的脫氮能力, 但對磷的去除無明顯影響。

2.2 水位調(diào)控對系統(tǒng)微生物群落及脫氮路徑的影響

為深入研究水位調(diào)控對微生物的影響以及同脫氮路徑及效率之間的關(guān)系, 對各系統(tǒng)不飽和層、飽和層的微生物群落及氮循環(huán)功能基因的絕對豐度進行了定量與分析(圖4)。

水位調(diào)控對系統(tǒng)內(nèi)部微生物群落的影響在人工濕地氮素去除中, 微生物作用是其主要的去除路徑, 穩(wěn)定且充足的微生物量可為脫氮性能的強化提供保障[26]。Bacteria 16S rRNA和arc rRNA通常被用來表征細菌與古菌的豐度[27]。如圖4所示, 各系統(tǒng)細菌的絕對豐度在(2.5—8.3)×1010copies/g, 細菌在不飽和層與飽和層的分布無明顯差異。與細菌相比, 古菌在微生物群落中并不占主導地位, 其絕對豐度在(0.2—6.5)×107copies/g。與細菌不同,古菌在不飽和層與飽和層的分布存在明顯差異。在H70中, 不飽和層的古菌數(shù)量顯著高于飽和層(P＜0.05)。但在H20中獲得了相反的結(jié)果。有文獻指出古菌在系統(tǒng)的脫氮過程中有不可忽視的作用[28],這說明水位調(diào)控可能通過影響系統(tǒng)內(nèi)部古菌的豐度與分布影響其脫氮過程。

圖4 不同水位運行下各濕地微生物群落與功能基因的豐度及分布情況Fig.4 The abundance and distribution of microbial communities and functional genes in each constructed wetland operated with different water levels

水位調(diào)控對硝化過程的影響AOA_amoA、AOB_amoA和nxrA分別是參與硝化過程中-N、-N氧化的3種功能基因, 它們通常被作為氨氧化古菌(AOA)、氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)三種脫氮功能微生物的標志物[27]。如圖4所示, 功能基因定量的結(jié)果表明水位調(diào)控可以通過改變AOA、AOB的豐度顯著影響濕地內(nèi)部的氨氧化過程。H90的AOA_amoA和AOB_amoA的豐度分別為4.8×106和1.2×106copies/g, 說明AOA、AOB共同主導氨氧化活性。而在H70和H20中, 濕地內(nèi)部的AOB_amoA的豐度急劇減少, 在(1.3—9.3)×104copies/g, 顯著低于AOA_amoA的豐度(1.3—6.5)×107copies/g(P＜0.05)。這說明此時AOA主導氨氧化活性。這可能是AOA、AOB對于運行水位下降后濕地內(nèi)部氧化還原條件發(fā)生了巨大改變后的響應(yīng)結(jié)果[29]。越來越多的證據(jù)表明在許多環(huán)境中AOA比AOB對-N的氧化貢獻更大[30]。

此外, 水位調(diào)控同樣可以改變系統(tǒng)內(nèi)部的 NOB分布及豐度, 并顯著影響其亞硝酸鹽氧化過程。在本研究中, H90的nxrA豐度為2.2×106copies/g, 這一值在H70的不飽和層被顯著提高到了5.9×108copies/g(P＜0.05), 并在H20的不飽和層中進一步被顯著提高到了1.5×109copies/g(P＜0.05)。這一結(jié)果與-N去除率變化趨勢保持一致(H20＞H70＞ H90), 說明水位調(diào)控可能通過增強系統(tǒng)的復(fù)氧能力, 給 NOB生長繁殖創(chuàng)造更有利的好氧環(huán)境, 從而提高濕地的硝化效率。此外, 在H70和H20中,nxrA在不飽和層的豐度要顯著高于飽和層, 說明NOB在不飽和層中得到富集, 這也進一步解釋了不飽和層在濕地內(nèi)部-N去除過程中占主導的原因。值得一提的是,在部分飽和運行的H70和H20中,nxrA的豐度要明顯高于AOA_amoA和AOB_amoA的豐度之和, 這說明完全硝化過程是-N的主要去除路徑。此外,在不同水位運行的濕地內(nèi)部中,anammox的豐度均超過了AOA_amoA、AOB_amoA和nxrA豐度之和,說明厭氧氨氧化可能是-N去除的另外一條路徑。

水位調(diào)控對反硝化過程的影響narG、nirK、nirS和nosZ分別是參與反硝化過程中的4種關(guān)鍵基因(-N→-N→NONO2→N2), 它們通常被作為研究反硝化菌菌群的標志物[27]。功能基因的定量結(jié)果表明降低飽和水位后所創(chuàng)造的不飽和層并不會削弱濕地內(nèi)部的反硝化環(huán)境, 相反,其高效的硝化效率可以為反硝化過程提供底物, 為發(fā)生同步硝化反硝化提供可能。但是過低的運行水位可能會引起不必要的碳源損耗, 導致后續(xù)反硝化過程受限。如圖4所示, 在H90中,narG、nirK、nirS和nosZ的豐度分別為9.7×108、4.4×109、3.3×108和1.4×106copies/g, 說明濕地內(nèi)部擁有較好的反硝化環(huán)境, 硝化能力受限是導致其脫氮效率較低的主要原因。在H70中, 盡管不飽和層通過被認為是好氧環(huán)境[16], 但是其narG、nirK、nirS和nosZ的豐度與H90并無明顯差異(P＞0.05), 分別為4.2×108、3.2×109、3.1×108和1.2×106copies/g, 這可能得益于不飽和層中固-液-氣三相所創(chuàng)造的復(fù)雜氧化還原環(huán)境,這進一步表明同步硝化反硝化可能是系統(tǒng)主要的微生物脫氮路徑, 同時這也較好地解釋了H70中不飽和層對TN的去除貢獻高達80.2%的原因。與前兩者相比, H20飽和層中narG、nirK、nirS和nosZ的豐度均為最高, 分別為3.6×109、2.7×109、3.6×109和8.0×106copies/g, 說明其濕地內(nèi)部擁有較好的反硝化環(huán)境, 但是出水-N的大量積累表明碳源不足是導致濕地反硝化過程受限的主要原因。

此外, 隨著飽和水位的降低, 濕地內(nèi)部反硝化菌物種組成的基因型由nirK基因型逐漸向nirS基因型轉(zhuǎn)變。有文獻表明nirK反硝化菌可能比nirS反硝化菌對環(huán)境變化更敏感[31], Ligi等[32]的研究發(fā)現(xiàn)河流濕地細菌群落中nirK基因比例和nirK/nirS比值與濃度呈負相關(guān)。因此, H20中的積累可能是促使反硝化菌的物種組成向nirS基因型轉(zhuǎn)變的原因。另外值得注意的是nosZ在不飽和層的豐度都顯著低于飽和層, 這意味著水位調(diào)控可能會引起溫室氣體排放量的增加, 后續(xù)可以通過在不飽和層內(nèi)添加生物炭等措施緩解這一矛盾。

3 結(jié)論

本實驗通過調(diào)控垂直流人工濕地的飽和水位,研究了水位調(diào)控對系統(tǒng)脫氮效率作用及機制。結(jié)果表明水位調(diào)控可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的不飽和層、飽和層分布, 提高對CODCr和-N的去除效果,進而提高系統(tǒng)的脫氮能力。當系統(tǒng)飽和水位高度為70 cm時(基質(zhì)床高度為90 cm), TN去除率最高,為53.6%。飽和水位降低后所創(chuàng)造的不飽和層并未對反硝化菌群造成負面影響, 不飽和層中富集的亞硝酸鹽氧化菌(NOB)促進了系統(tǒng)的硝化過程, 因而硝化反硝化效率同步提高。研究結(jié)果可以為垂直流人工濕地的優(yōu)化設(shè)計及運行提供依據(jù)和參數(shù)。