碳氧调控下人工湿地净化效果的协同与拮抗研究

陶 敏，贺 锋，胡 晗，郭建林，吴振斌，王启烁，3（.湖北理工学院环境科学与工程学院，矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003；.中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室，湖北 武汉 43007；3.中国科学院水生生物研究所淮安研究中心，江苏 淮安 300）

碳氧调控下人工湿地净化效果的协同与拮抗研究

陶 敏1，2，贺 锋2*，胡 晗1，郭建林1，吴振斌2，王启烁2，3（1.湖北理工学院环境科学与工程学院，矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003；2.中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.中国科学院水生生物研究所淮安研究中心，江苏 淮安 223002）

从人工湿地脱氮效果的重要限制因子——溶解氧和碳源着手，构建了一种人工湿地碳氧联合调控脱氮系统，研究了曝气、碳源投加、碳氧联合调控下人工湿地的净化效果.结果表明，曝气促进了TSS、COD、TN、N-N、TP的去除，但夏季时会导致N-N的积累；碳源投加提高了TN、NN的去除，但冬季时会导致COD去除率的下降.碳氧联合调控下人工湿地对TN、N-N的去除表现出协同作用，对N-N、COD的去除表现出独立作用，而对TP、TSS的去除表现出一定的拮抗作用.另外，对于以氨氮为主的“低碳高氮”污水，人工湿地碳氧联合调控系统脱氮效率达87.3%，可见该强化系统适用于“低碳高氮”污水的处理.

人工湿地；曝气；碳源投加；净化效果；协同效应；拮抗效应

人工湿地具有环境美化、应用方式灵活的特点，它可以因地制宜，适用面广，广泛应用于各种污水的处理和受污染地表水的修复［1-2］.然而，许多潜流人工湿地脱氮效率较低，这是由于潜流人工湿地自身构造的限制（长期处于饱水状态），湿地内部整体处于缺氧/厌氧状态，不能满足硝化作用的要求［3］；尤其当冬季植物枯萎时，根系泌氧减少，导致湿地缺氧严重、脱氮效果更差［4］.同时，研究发现湿地内还存在碳源不足，反硝化速率低，也限制了湿地的脱氮效果［5］.

研究表明，利用通气管、曝气等措施可增强湿地的硝化作用［6-7］；通过外加碳源可促进湿地的反硝化作用［8-9］.然而，持续增氧会导致湿地出水中硝态氮的积累［10］，碳源投加量不当也会降低湿地对有机物的去除效率.目前，国内外研究学者在氧调控湿地硝化作用、碳源强化反硝化作用有较多的研究，但是关于碳氧联合调控脱氮研究不多，对于碳氧联合调控下污染物去除的协同与拮抗研究较少.因此，本文从人工湿地脱氮效果的重要限制因子——溶解氧和碳源着手，研究了无调控湿地（CW）、曝气湿地（ACW）、碳源投加湿地（CCW）、碳氧联合调控湿地（ACCW）的净化效果，探讨了碳氧联合调控下人工湿地对污染物去除的协同或拮抗效应，以为人工湿地技术优化提供科学参考.

1 材料与方法

1.1 实验系统

图1 人工湿地强化脱氮系统示意Fig.1 Sketch of constructed wetland enhancing nitrogen removal system

实验系统由四套相同的人工湿地小试系统组成，每套人工湿地小试系统又由进水池（0.1m× 0.4m×0.6m）、硝化池（0.3m×0.4m×0.6m）、反硝化池（0.3m×0.4m×0.6m）和出水池（0.1m×0.4m×0.6m）组成；硝化池底部埋有曝气管，曝气管一端封闭，另一端与增氧泵相连；反硝化池垂直插有碳源投加管，其侧壁开有小孔，如图1所示.湿地填料上部为0.4m厚的细沙层，下部为0.1m厚的砾石层.湿地栽种植物为美人蕉. 四套人工湿地小试系统分别在无调控、曝气、碳源投加、碳氧联合调控四种强化措施下运行，均采用最优化运行条件［11］，即曝气速率=2.5L/h，曝气运行/停止时间比=8h/16h，碳源投加量=0.025g/L.

1.2 运行条件

系统进水为受污染磁湖水添加氯化铵配制而成的“低碳高氮”含氮污水，进水理化指标见表1.进水采用分批次进水，水力负荷0.1m3/（m2·d），水力停留时间为24h.

表1 进水理化指标Table 1 Water quality of the influent

1.3 分析指标及测定方法

总悬浮颗粒物（TSS）、化学需氧量（CODCr）、总氮（TN）、氨氮（N-N）、硝态氮（N-N）、总磷（TP）等化学指标参照国家标准方法进行测定［12］.

1.4 数据处理

利用SPSS 13.0软件进行多因子方差分析（ANOVO），评价曝气、碳源投加、碳氧联合调控3种强化措施对TSS、COD、TN、N-N、N-N和TP去除率的影响.

2 结果与分析

2.1 TSS的去除

在无调控、曝气、碳源投加、碳氧联合调控下，各人工湿地小试系统对TSS的去除率均较高，维持在70%以上，如图2所示.无论是夏季还是冬季，曝气湿地和碳氧联合调控湿地对TSS的去除率均显著高于无调控湿地和碳源投加湿地（P＜0.05），表明曝气提高了TSS的去除，促进了悬浮物中部分有机物颗粒的分解，这与Ouellet-Plamondon等［13］的研究结果是一致的.另外，TSS的去除率没有显著的季节性变化（P＞0.05），表明TSS的去除主要是由于基质过滤、沉淀等物理过程.

2.2 COD的去除

在人工湿地中增设曝气管，不仅可以改善湿地的溶解氧水平，而且还可提高好氧微生物的生物量以及酶的活性，从而促进了有机物的好氧分解［14］.然而，向人工湿地内投加碳源，若碳源投加量控制不当，会增加人工湿地系统的有机物负荷，导致有机物去除率的下降.由图2可以看出，夏季时，曝气湿地和碳氧联合调控湿地对COD的去除率显著高于无调控湿地和碳源投加湿地（P＜0.05），表明曝气促进了COD的去除.然而冬季时，碳氧联合调控湿地对COD的去除率明显低于曝气湿地（P＜0.05），与无调控湿地相当（P＞0.05），且碳源投加湿地对COD的去除率最低，这说明冬季时碳源投加量可能过量，导致有机物负荷过高，因此冬季时碳源投加量应适当减小.

另外，COD的去除率表现出显著的季节性变化（P＜0.05），即夏季时去除率较高，而冬季时去除率较低.可以发现，冬季时曝气湿地系统对COD的去除率与夏季时无调控湿地相当，这说明曝气可能抵消了低温对有机物去除率的不利影响.

2.3 TN的去除

人工湿地对于氮的去除作用包括基质的吸附、沉淀、水生植物的吸收、氮的挥发以及微生物的硝化与反硝化作用，其中微生物的硝化与反硝化作用是湿地脱氮的主要途径［15］.由图2可知，曝气湿地和碳源投加湿地对TN的去除率均明显高于无调控湿地；同时，可以发现冬季时曝气湿地对TN的去除率与夏季时无调控湿地相当，从某种程度上说明，曝气措施能完全补偿冬季低温以及植物枯萎对湿地系统硝化能力的影响.

无论是夏季还是冬季，碳氧联合调控湿地对TN的去除率均显著高于其他湿地系统（P＜0.05），且夏季时碳氧联合调控湿地对TN的去除率最高，达到87.3%.并且，冬季时碳氧联合调控湿地对TN的去除率与夏季时曝气或碳源投加湿地相当，显著高于夏季时无调控湿地，表明碳氧联合调控强化了人工湿地冬季时的脱氮能力.另外，冬季时各湿地系统对TN的去除明显小于夏季（P＜0.05），这是由于冬季植物枯萎时根系泌氧减少，硝化作用减弱所致.

人工湿地处理含氮污水时，应充分考虑污水中氮的形态，对于以硝态氮为主的污水，可以通过补充碳源提高脱氮效果；而对于以氨氮为主的污水，仅靠投加碳源是不够的，还应考虑与复氧措施相结合［16］.本实验进水为以氨氮为主的“低碳高氮”污水，因此利用碳氧联合调控措施显著提高了人工湿地的脱氮效果.

2.4 氨氮的去除

Jamieson等［10］研究表明，持续增氧可为湿地中的好氧微生物提供充足的氧源，从而提高湿地对氨氮的去除；但持续增氧会导致湿地出水中硝态氮的积累，使TN的去除率下降.本试验采用8h:16h的间歇停曝方式，并结合上行流-下行流的复合水体流态，形成了时空上动态变化的好氧/厌缺氧环境条件，有利于氨氮的硝化.同时，曝气管设置在湿地进水区域（硝化池底部），在曝气的吹脱作用下，可加快氨氮的挥发，这可能是本实验氨氮去除率较高的原因之一.

2.5 硝态氮的去除

图2 碳氧调控下人工湿地对污染物的去除效果Fig.2 Pollutants removal efficiency of constructed wetlands under artificial aeration and external carbon source

人工湿地除磷机制主要是通过基质的吸附、沉淀、植物的吸收和微生物的利用，其中基质的吸附是主要作用［5］.本实验期间各湿地系统对TP的去除率均较高，这可能是由于本实验系统为新建湿地，在运行初期由于基质的吸附和植物根系的固定所致.由图2可以看出，夏季时各湿地系统对TP的去除无显著性差异（P＞0.05），而冬季时曝气湿地和碳氧联合调控湿地对TP的去除明显高于无调控湿地和碳源投加湿地（P＜0.05），这说明冬季时曝气促进了基质中聚磷菌吸收磷，并在磷的去除中占有一定的比重.另外，可以发现冬季时无调控湿地对TP的去除率低于夏季，表现出季节性差异，这说明湿地在植物生长茂盛的季节TP的去除率较高，而在植物枯萎的季节去除率较低.

3 讨论

3.1 碳氧调控下人工湿地对污染物去除的协同与拮抗效应

为了探明碳氧联合调控下人工湿地对污染物去除的影响效应，以无调控湿地对各污染物的平均去除率为基准，计算曝气湿地、碳源投加湿地、碳氧联合调控湿地对各污染物去除率的变化值，结果见表2.可见，无论是夏季还是冬季，碳氧联合调控湿地对TN去除率显著高于曝气湿地或碳源投加湿地，并且大于二者之和，故碳氧联合调控下人工湿地对TN的去除表现出显著的协同效应.然而，碳氧联合调控下人工湿地对COD的去除夏季时表现出独立效应，而冬季时表现为拮抗效应.因此，碳源投加量应随季节有所变化，冬季时应适当减少碳源投加量，其对COD去除的拮抗效应可消除.同时，可以发现，碳氧联合调控下人工湿地对NO3--N的去除夏季表现为拮抗作用，而冬季表现出协同作用.因此，曝气量在夏季应有所减少，才可消除曝气对NO3--N去除的拮抗效应.另外，夏、冬季时碳氧联合调控下人工湿地对N-N的去除表现为独立效应.碳氧联合调控湿地对TSS、TP去除率的增加值均小于曝气湿地，这说明碳氧联合调控下人工湿地对TSS、TP的去除存在拮抗效应.

研究表明，常规垂直流人工湿地对氮的去除率一般为43.6%～55.9%［1，9］；曝气下人工湿地的脱氮效率为58.5%～71.8%［7］，碳源投加下人工湿地对TN的平均去除率约为64.6%［9］.本实验期间，碳氧联合调控下人工湿地的脱氮效率为69.5%～87.3%，高于同类型常规人工湿地和曝气或碳源投加强化湿地的脱氮效率，可能是曝气和碳源投加联合调控下人工湿地对氮的去除产生了协同效应的缘故.

表2 碳氧联合调控下人工湿地对污染物去除的影响效应Table 2 Effects of artificial aeration and external carbon source on pollutants removal efficiency in constructed wetlands

3.2 碳氧调控下人工湿地的净化机理

人工湿地中污染物质的降解与转化主要是由基质微生物完成的，因而微生物群落的结构（如数量大小、活性高低以及优势种群等）直接关系到湿地的净化能力［17］.基质为微生物提供赖以生存的栖息地，而进水中有机物、氮、磷等污染物为微生物提供营养物质，因而基质理化性质、氧环境状况、进水碳氮比值等直接影响着湿地微生物群落的结构和污染物去除效率［18-19］.

常规潜流人工湿地普遍溶解氧水平较低，湿地内部整体处于缺氧/厌氧状态，不能满足有机物的好氧分解和硝化作用的要求，这也是本实验无调控湿地净化能力较低的主要原因.在间歇曝气作用下，湿地内的氧环境得到改善，好氧微生物的生物量以及酶活性增强［14］，因而曝气湿地对TSS、COD、TN、NH4+-N、TP的去除率（尤其是冬季时）显著提高.在碳源投加作用下，湿地反硝化池内碳氮比得到了优化，反硝化细菌的活性增强［20］，因此碳源投加湿地对TN、NO3--N的去除率明显提高.在碳氧联合调控下，曝气促进了硝化作用，碳源投加增强了反硝化作用，因而碳氧联合调控产生协同效应，总氮的去除率显著提高［21］.然而，由于夏季湿地内溶解氧水平较高（植物根系泌氧所致），曝气导致湿地内溶解氧过剩，因而夏季时碳氧联合调控对NO3--N产生了拮抗效应；又由于冬季有机物降解速率较慢，碳源投加导致湿地内碳源过多，因而冬季时碳氧联合调控对COD也产生了拮抗效应.另外，实验发现碳源（葡萄糖）的投加致使湿地反硝化池内藻类生长、出水出现浑浊等现象，即一方面引起基质对磷的吸附减弱、TP的去除率下降，另一方面导致出水悬浮物增加、TSS去除率有所减少；这可能是碳氧联合调控对TSS、TP产生拮抗效应的缘故.

综上所述，碳氧联合调控措施的优点主要有:（1）改善基质氧环境，为有机物的好氧分解和硝化作用提供氧气；（2）优化湿地碳氮比，为反硝化作用提供碳源；（3）提高微生物尤其是好氧微生物的生物量；（4）增强微生物及基质酶的活性，尤其是反硝化菌的活性.

4 结论

4.1 与无调控湿地相比，曝气促进了TSS、COD、TN、N-N、TP的去除，但夏季时会导致N-N的积累；碳源投加提高了TN、N-N的去除，但冬季时会导致COD去除率的下降.

4.3 对于以氨氮为主的“低碳高氮”污水，利用碳氧联合调控措施显著提高了人工湿地的脱氮效果，平均脱氮效率达87.3%，可见人工湿地碳氧联合调控系统适用于“低碳高氮”污水的处理.

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Synergistic and antagonistic effect of treatment performance of constructed wetlands under artificial aeration and external carbon source.

TAO Min1，2， HE Feng2*， HU Han1， GUO Jian-lin1， WU Zhen-bin2， WANG Qi-shuo2，3 （1.Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation， School of Environmental Science and Engineering，Hubei Polytechnic University， Huangshi 435003， China；2.State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430072， China；3.Huai'an Research Center， Institute of Hydrobiology， Chinese Academy of Sciences， Huai'an 223006， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3646～3652

A new enhancing nitrogen removal constructed wetland which there were aeration pipes at the bottom of nitrification chamber and carbon addition pipes in the denitrification chamber was built， and effects of artificial aeration，external carbon source and both of them on treatment performance of constructed wetlands were investigated， based on important limiting factors for nitrogen removal in constructed wetlands， i.e. dissolved oxygen and carbon concentrations. The results showed that artificial aeration obviously improved the removal efficiency of TSS， COD， TN， N-N and TP in constructed wetlands， while there was significant accumulation of N-N in the effluent in summer.External carbon source significant improved the removal efficiency of TN and NN in constructed wetlands， while had negative effect on COD removal efficiency in winter. Moreover， the results showed that artificial aeration and external carbon source had a synergistic effect on TN and N-N removal， and an independent effect on NH-N and COD removal， while showed an antagonism effect on the removal of TP and TSS. When the low-carbon and high-nitrogen wastewater mainly contained ammonia， the average removal efficiency of TN was 87.3% in constructed wetland under artificial aeration and external carbon source， so the enhanced system is especially suitable for treatment of wastewater with low-carbon and high-nitrogen.

constructed wetland；artificial aeration；external carbon source；treatment performance；synergistic effect；antagonistic effect

X171

A

1000-6923（2015）12-3646-07

陶 敏（1982-），男，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事水体修复技术研究.发表论文20余篇.

2015-04-29

国家自然科学基金项目（51178452）；国家科技支撑计划（2012BAJ21B03-04）；黄石市科技支撑计划（2014A067）；湖北理工学院大学生科技创新研究项目（14cx11）

* 责任作者， 研究员， hefeng@ihb.ac.cn