利用農業(yè)廢棄物強化人工濕地處理污水處理廠尾水機理研究

摘要：為研究3種典型的農業(yè)廢棄物（玉米芯、玉米秸稈和小麥秸稈）作為人工濕地外加碳源脫氮的可行性，利用三維熒光和高通量測序分析了植物碳源在人工濕地中促進廢水脫氮的增強機制。結果表明：農業(yè)廢棄物材料可以很好地釋放有機碳，累計碳釋放量為119.78-172.84 mg·g-1，同時分解釋放的溶解性有機物（Dissolved organic matter，DOMs）主要由腐植酸和黃腐酸組成。在添加農業(yè)廢棄物的人工濕地中，TN去除效率提高了30.8％-41.2％，并且脫氮菌屬Pseudomonas、Thauera等的相對豐度提高了16.38％-22.02％。添加玉米秸稈的人工濕地具有較好的脫氮效果。研究表明，利用農業(yè)廢棄物作為人工濕地外部碳源處理污水處理廠尾水，可以顯著降低尾水中TN，這也為農業(yè)廢棄物的處理找到了一個新的出路。

關鍵詞：脫氮；人工濕地；農業(yè)廢棄物；植物碳源；碳排放量；尾水

中圖分類號：X71；X703 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0411-08 doi：10.11654/jaes.2023-0247

人工濕地是一種高效的水生態(tài)處理技術，可廣泛用于生活污水、受污染河流等水體的凈化。濕地生態(tài)系統(tǒng)利用微生物作用、植物吸收和基質吸附等方式處理含氮廢水，其中反硝化是生物脫氮的關鍵步驟。研究表明，當廢水的C/N大于5時，微生物的脫氮效果較為明顯，然而，碳源不足是低C/N廢水處理過程中面臨的主要問題。He等研究處理低C/N廢水，開發(fā)了一種新型的CW-BER系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過提高進水中的C/N使總氮和硝態(tài)氮的去除率得到提高。研究簡單、有效、低成本的材料作為人工濕地脫氮的外部碳源具有重要意義。目前，用于人工濕地反硝化的外加碳源主要有：小分子碳源（糖類、醇類等小分子有機物）和天然植物碳源材料（稻殼、蘆葦、花生殼等），此外還包括可生物降解的高分子聚合物碳源，如聚-B-羥丁酸（Poly-B-hydroxybutyrate，PHB）、聚己內酯（Polycaprolactone，PCL）、聚羥基烷酸（Poly-hydroxy-alkanoates，PHAs）等。小分子碳源可以迅速提高廢水中的C/N，能夠起到極佳的脫氮效果，如Abu-Ghararah等選擇甲醇和乙醇作為外加碳源處理高濃度含氮廢水，研究結果表明，當原水中氮濃度較高時，將小分子醇類加到缺氧靜態(tài)床柱中可顯著減少水的含氮量。但小分子碳源消耗速度快、用量大，難以控制投加量，且部分材料有一定的致病性，在實際工程中，更多地被用于緊急處理。可生物降解的高分子聚合物碳源具有較好的物理性能，能夠以穩(wěn)定的速率釋碳，是理想的固態(tài)碳源材料。Xiong等利用PCL和聚乳酸（Polylactic acid，PLA）合成了新的碳源，研究發(fā)現，合成碳源能夠表現出穩(wěn)定的緩釋性能，實現了較高的脫氮效率，并且有機物殘留濃度更低。高分子聚合物的化學成分比較簡單，制備過程復雜，成本高，因此并不適合大規(guī)模的應用。天然植物碳源來源廣、成本低、可再生，其主要成分纖維素在水解過程中主要以含碳化合物的形式存在，能夠作為外加碳源對污水脫氮起到促進作用；此外，也為解決農業(yè)廢棄物因不當焚燒所造成的環(huán)境污染問題提供一條新的思路。

在不影響人工濕地出水水質的前提下，選擇有潛力的農業(yè)廢棄物作為外加碳源，能夠有效回收利用廢棄植物材料，減少水體污染。近幾年，諸多學者已經將農業(yè)廢棄物作為外加碳源研究其對污水脫氮的影響。如Boussaid等利用秸稈修復硝態(tài)氮含量高的地下水，通過微生物和土壤的協同凈化，使受污染的地下水達到了飲用水標準。Tanner等在研究中發(fā)現，將人工濕地與反硝化生物反應器組合成一個混合反應系統(tǒng)，通過添加木屑、椰殼等含碳物質，反應系統(tǒng)出水含氮量明顯降低。Yang等選擇8種植物材料作為固態(tài)碳源進行脫氮研究，通過膜生物反應柱試驗評價了它們的釋碳能力和反硝化潛力，研究結果表明，添加植物碳源能夠明顯提高微生物的反硝化能力。Saeed等選擇甘蔗渣作為構建人工濕地填料，研究發(fā)現加入甘蔗渣填料可以提高污水C/N，人工濕地的除氮效率明顯增強，更重要的是，添加甘蔗渣可以有效提高人工濕地中微生物的活性。因此，選擇具有可持續(xù)供碳能力的天然植物材料作為外部碳源具有重要的現實意義，既能夠實現資源循環(huán)回收，又能為處理污水處理廠尾水提供必要條件。近年來，全球變暖問題加劇，選擇將廢棄植物材料作為外加碳源用于污水脫氮已成為一種備受關注的方法，且該方法可以有效降低不當焚燒所造成的空氣污染，從而提升區(qū)域空氣質量。

本研究選取玉米芯、玉米秸稈、小麥秸稈3種農業(yè)廢棄物，研究其COD和TN的釋放量及釋放規(guī)律，利用三維熒光和SUVA2s4分析農業(yè)廢棄物水解釋放的溶解性有機物（DOMs），并研究添加植物碳源的人工濕地在脫氮過程中的N2O釋放規(guī)律和脫氮菌屬的相對豐度，以評價農業(yè)廢棄物作為外加碳源強化人工濕地處理污水處理廠尾水的可行性和效率。

1材料和方法

1.1植物材料

根據自然環(huán)境的實際情況，在山東省濟南市采集了玉米芯、玉米秸稈和小麥秸稈3種材料作為實驗用的農業(yè)廢棄物。將材料粉碎成1-2 cm后，在2％NaOH溶液中浸泡24 h，用去離子水調節(jié)pH至中性，烘箱（40℃）烘干至恒質量。將處理好的材料放入干燥容器中備用。

1.2實驗設計

1.2.1間歇浸出試驗

稱取各種植物材料2g于錐形瓶中，加入去離子水至固定刻度，瓶口用密封膜密封。實驗裝置放置于恒溫室中，每天對錐形瓶搖動3次。實驗第1、3、5、7、9、11、13、15、19、25天時定期更換去離子水，將上清液用0.45 um濾膜浸出后，檢測過濾水樣中TN和COD等參數，同時設置兩組平行樣本。上述實驗是在25℃條件下進行，以評估農業(yè)廢棄物對有機碳和氮的潛在釋放能力。

1.2.2人工濕地試驗設計與運行

為探究植物碳源應用于人工濕地處理污水處理廠尾水的可行性，采用PVC材料設計4組結構相同的潛流人工濕地，并分別標記為：A（玉米芯）、B（玉米秸稈）、C（小麥秸稈）、D（空白對照），同時實驗組設置3個平行單元，其結構如圖1所示，濕地采用連續(xù)運行模式。裝置長2.0 m、寬0.5 m、深0.5 m，基質深0.45m，孔隙率為60％。實驗裝置分成3個體積相同的前端、中端、后端，分別填充陶粒（d=3-5 mm）、碎石（d=5-7 mm）和礦渣（d=8-10 mm），總體積約為500 L。將曝氣裝置安放在系統(tǒng)底部，用于供氧。為防止填料堵塞濕地，本設計在頂部添加植物碳源，依據間歇浸出試驗結果，添加的廢棄物材料質量約為3 000 g，放置時保證3種實驗材料的添加體積均勻壓縮，以保持一致性。前端、中端、后端3部分處理面積分別為總面積的1/2、1/3和1/6。同時，農業(yè)廢棄物經堿處理后，需先用水清潔，去除水中過多的色素，防止造成干擾?？瞻讓φ战M僅在頂層鋪設沙礫，水平高度同實驗組相同。人工濕地中菖蒲的種植密度為13株·m-2，。

人工濕地裝置安置于模擬日照的恒溫室中。使污水廠的二沉池出水流入人工濕地30 d，主要目的是對系統(tǒng)內的植物和微生物進行馴化和培養(yǎng)。穩(wěn)定階段將合成廢水流入濕地進行實驗，在對水樣的檢測中，實驗組每個人工濕地進行一次采樣檢測；空白組在同一濕地進行3次采樣檢測。合成廢水采用C6H12O6、KNO3、NH4Cl、KH2PO4等配制，設計濃度控制在：COD 26-30 mg·L-1；TN 12-14 mg·L-1（NO=3-N 7-8mg·L-1，NH4-N 5～6 mg·L-1）；合成廢水C/N為2：1。人工濕地的設計水力停留時間（Hydraulic retention time，HRT）為72 h，并對穩(wěn)定階段時TN、COD等指標進行檢測，以分析添加植物碳源對人工濕地強化脫氮的影響。

1.3分析方法

間歇浸出試驗和人工濕地進出水的COD和TN檢測均采用標準方法。三維熒光用于檢測植物材料浸出試驗和穩(wěn)定階段中的DOMs。熒光數據的參數范圍設置：Ex波長范圍為200-500 nm，Em波長范圍為250～550 nm，狹縫寬度為5 nm，掃描速度為12 000nm·min-1。在系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，采用靜態(tài)暗箱法收集產生的溫室氣體N2O。濕地系統(tǒng)上部設置水封裝置，并配備靜態(tài)集氣箱。每隔0、20、40、60 min采集一次N2O氣體，采集時間固定在上午8：00。氣體樣品在24 h內通過氣相色譜儀Agilent7890A（Generic Cabling，GC）進行分析。

1.4數據分析

統(tǒng)計分析采用單因素方差分析（ANOVA）方法，包括平均值和標準差。在所有實驗中，只有當P值小于0.05時才認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2結果與討論

2.1植物碳源有機質釋放特征

分批浸出試驗過程中的COD、TN、C/N特征如圖2所示，3種農業(yè)廢棄物的COD和TN釋放趨勢相同?？傮w來看，在試驗的前5 d COD和TN有較快的釋放速率，隨后逐漸放緩，并且后期3種植物碳源的釋放速率相差不大，COD釋放速率低于5 mg·g-1·d-1，TN釋放速率在0.1 mg·g-1·d-1以下，這些結果反映出植物碳源存在后期碳釋放不足的缺點。在25 d內玉米芯、玉米秸稈和小麥秸稈累計釋放COD分別為135.49、172.84 mg·g-1和119.78 mg·g-1，累積釋放TN分別為3.43、3.87 mg·g-1和2.96 mg·-1。不同農業(yè)廢棄物COD和TN累積釋放量存在一定差異，且釋放量的差異主要是由早期階段的差異造成的。圖2（c）顯示了不同農業(yè)廢棄物釋放周期內C/N差異及變化，3種農業(yè)廢棄物的C/N在試驗期間表現出不同的波動趨勢，但后期逐漸趨于穩(wěn)定，其中，玉米秸稈的平均C/N為44.86，遠高于玉米芯（42.71）和小麥秸稈（42.5）。

2.2植物碳源的EEM-PARAFAC分析

如圖3所示，玉米芯、玉米秸稈、小麥秸稈出現類腐植酸熒光峰Ex/Em（圖中A點）分別為370 nm/470nm、360 nm/470 nm、360 nm/460 nm，類富里酸熒光峰Ex/Em（圖中B點）分別為240 nm/460 nm、270 nm/460nm、260 nm/460 nm，玉米芯黃腐酸熒光峰Ex/Em（圖中C點）為430 nm/520 nm，小麥秸稈出現類酪氨酸熒光峰Ex/Em（圖中C點）為270 nm/360 nm。整個試驗期間，玉米芯釋放的DOMs，前期A組分（腐植酸類）類腐植酸相對豐度高達80％，但后期A組分相對分布逐漸低于50％，B組分類富里酸和C組分類酪氨酸分別增加到24％和35％。在玉米秸稈和小麥秸稈中，其成分的相對變化波動較小。

一般采用SUVA254指數來反映DOMs的腐殖化程度。從圖4中可以看出，不同物質的平均SUVA254值依次為玉米秸稈（0.632 L·mg-1·m-1）gt;玉米芯（0.276L·mg-1·m-1）gt;小麥秸稈（0.097 L·mg-1·m-1）。試驗結果表明，玉米秸稈的芳香性最低，腐殖化程度較高。先前研究發(fā)現DOMs的SUVA254值大于4 L·mg-1·m-1主要表示疏水性，尤其是芳香性物質，而SUVA254值小于3 L·mg-1·m-1則表示親水性DOM物質。本研究中SUVA254值均低于1.0 L·mg-1·m-1，表示農業(yè)廢棄物釋放的DOMs可能是一種親水物質。通過分析水中3種實驗材料釋放的DOMs和腐殖程度可以更好地了解這些農業(yè)廢棄物的碳供應機制。所以，了解農業(yè)廢棄物水解釋放的DOMs特性和功能是研究其在人工濕地中應用的重要因素。

2.3添加農業(yè)廢棄物的人工濕地脫氮研究

2.3.1人工濕地脫氮可行性研究

圖5顯示了4種人工濕地中不同污染物的去除效率。添加玉米芯、玉米秸稈、小麥秸稈3種不同植物碳源的人工濕地的平均COD出水濃度分別為12.4、13.9 mg·L-1和13.1 mg·L-1，與添加植物碳源的人工濕地相比，空白對照組平均出水COD濃度較低，為9.12mg·L-1。造成這種現象的主要原因是添加的植物碳源分解釋放有機物，導致COD出水濃度略高于空白對照組，這一結果與Yang等的結果一致。同時，在穩(wěn)定階段，添加玉米芯、玉米秸稈和小麥秸稈3種不同植物碳源的人工濕地的TN平均去除率分別為56.9％、67.3％和61.9％，脫氮效果最好的是添加玉米秸稈的人工濕地（Plt;0.05），而空白對照組對TN的去除率僅有26.1％，證明植物碳源的添加能夠有效增強人工濕地對污水的脫氮效果，使去除效率提高30.8-41.2個百分點。在實驗運行后期，實驗組人工濕地出水TN濃度逐漸緩慢上升，去除效率降低?？紤]到實驗材料的使用壽命，造成該現象的主要原因是實驗材料后期碳釋放不足。結果表明，添加植物碳源可以明顯提高人工濕地處理低C/N廢水的脫氮效率。

2.3.2添加植物碳源人工濕地中DOMs的變化規(guī)律

圖6揭示了在穩(wěn)定階段添加3種實驗材料植物碳源的人工濕地中DOMs的相對分布。從圖中可以看出，人工濕地中DOMs的主要成分仍然是腐植酸，此外還有一定量的黃腐酸和少量酪氨酸，這一結果與分批浸出試驗中釋放的DOMs相似。通過研究添加植物碳源的人工濕地中DOMs變化規(guī)律，可以更好地解釋纖維素植物降解機理和人工濕地中DOMs的變化過程，為研究利用植物碳源提高人工濕地脫氮提供理論指導。

2.4人工濕地中的N2O排放量

圖7為穩(wěn)定階段人工濕地中N2O排放量。在人工濕地系統(tǒng)中，微生物進行硝化反硝化反應時通常會產生N2O。N2O主要在反硝化過程中釋放，但在好氧硝化階段也會產生少量的N2O。整個實驗期間，添加不同植物碳源的人工濕地中N2O排放量平均值為75-88 ug·m-2·h-1，與空白對照組30.7 ug·m-2·h-1相比，明顯升高，這一結果表明，添加植物碳源會導致人工濕地N2O排放量增加。在反硝化過程中，NO在催化酶的作用下被還原為N2O，N2O最終會被N2O還原酶催化還原為N2釋放到空氣中。在實驗中，通過向人工濕地外加碳源來有效增強反硝化反應，提高了N2O排放，這與Han等的實驗結果一致，隨著濃度和物種豐富度水平的增加，N2O的釋放量明顯增加，可能的原因是物種豐富度越高，碳含量越高，進而增強反硝化過程，導致N2O的排放量增加?？傮w而言，由于人工濕地生態(tài)系統(tǒng)復雜，N2O的釋放和積累有多種可能的原因，所以，添加植物碳源后人工濕地N2O排放量增加與微生物之間的相互作用還有待進一步研究。

2.5人工濕地微生物群落多樣性

圖8揭示了人工濕地中微生物屬水平的相對豐度。添加玉米芯、玉米秸稈和小麥秸稈植物碳源的3個人工濕地，通過高通量測序分析發(fā)現，Dechloromonas、Hydrogenophaga、Zoogloea、Sulfurospirillum、Sulfurimonas、Pseudomonas、Thauera、Simplicispira等與脫氮相關的細菌相對豐度分別為47.82％、50.62％、44.98％，與空白對照組（28.6％）相比，有明顯提高。結果表明，在人工濕地中外加植物碳源，能夠提高反硝化細菌豐度和人工濕地的脫氮效率。研究也進一步揭示了利用農業(yè)廢棄物作為人工濕地的外加碳源對于N2O排放與反硝化細菌相對豐度之間的潛在聯系。

3結論

（1）間歇浸出試驗研究發(fā)現，堿處理后的農業(yè)廢棄物能夠有效釋放有機碳，釋碳速率穩(wěn)定，并且具備持久析出碳源的優(yōu)勢；通過向人工濕地中添加農業(yè)廢棄物碳源，可以有效增強微生物的反硝化作用，提高脫氮菌屬的富集程度，經過處理后的污水處理廠尾水中TN含量明顯降低，且添加玉米秸稈的人工濕地具有更好的出水水質。

（2）利用農業(yè)廢棄物作為污水反硝化的外加碳源，不僅能夠實現對污水處理廠尾水中氮的有效去除，也為農業(yè)廢棄物高效資源化利用提供了一條新思路，為處理低C/N廢水提供了參考和借鑒。