湿地植物作为低C/N比生活污水反硝化碳源的研究*

孙金昭 李明杰，2 林恒兆 卢星星 成 功 谢 冰#

(1.华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241；2.上海城投水务(集团)有限公司，上海200002；3.深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518100)

污水中C/N比是影响异养反硝化生物脱氮过程的一个重要因素。脱氮系统中，C/N比在2.86(质量比)以上方能满足反硝化细菌对碳源的需求[1]。对于低C/N比生活污水，由于污水中COD、BOD浓度较低，导致污水反硝化碳源不足，生物反硝化脱氮较难实现。添加甲醇等有机物作为反硝化碳源将增加运行成本，且在运输储存等过程中易发生安全隐患[2]。为此，选用纤维素类植物材料作为反硝化碳源受到国内外学者的广泛研究[3]776-778,[4-5]。金赞芳等[6]将棉花作为地下水中硝酸盐的反硝化碳源，硝酸盐去除率达到100%，出水中未检出亚硝酸盐；熊剑锋等[7]利用梧桐树叶浸出液作为碳源进行反硝化实验，发现浸出液中有机酸成分主要是延胡索酸、柠檬酸、草酸和苹果酸等，以此作为反硝化碳源时，平均硝酸盐去除速率为2.19 mg/h；OVEZ等[8]利用竹叶焦、光果甘草大型植物作为反硝化碳源，两种植物作为反硝化碳源的硝态氮去除速率分别为4.23、6.96 mg/(L·d)。此类纤维素固体碳源取材方便，经济环保，具有广泛的应用前景。

湿地植物是湿地系统的一个重要组成部分，在湿地系统去污机制中发挥了重要作用。但湿地植物收割后的处理处置成为湿地管理中一个不容忽视的问题[9]，处置不当易造成二次污染。本研究利用湿地植物浸出液中的有机物质，探讨其作为低C/N比生活污水反硝化碳源的可行性，从而节约经济成本，减少二次污染，为湿地植物的资源化处置提供指导。

1 材料与方法

1.1 湿地植物的预处理

选取人工湿地中5种较为常见的湿地植物(风车草、香根草、再力花、芦荻、美人蕉)作为反硝化碳源。湿地植物取回后，洗净表面附着的泥沙，除掉叶片，取茎秆部分作为研究材料。将茎秆部分切成1 cm×1 cm的小方块，放在烘箱中60 ℃烘干至恒质量，以备后续实验使用。

1.2 静态碳源释放实验

分别称取5 g经预处理后的植物茎秆，用尼龙纱布包裹后置于同等型号带封口的1 000 mL玻璃瓶中，加入1 000 mL去离子水，放入摇床中振荡6 d，测定植物茎秆浸出液的COD、TN、TP浓度。

1.3 静态反硝化脱氮实验

人工配置硝酸盐溶液，溶液中硝态氮质量浓度为25 mg/L，将硝酸盐溶液与污水处理厂采集的活性污泥按照1∶4的体积比进行混合，取1 000 mL混合液加入5 g经预处理的植物茎秆，连续充入氮气保持厌氧环境，调节pH，放入摇床中，定时取样测定COD、硝态氮的浓度变化。

1.4 反硝化脱氮中试实验

低C/N比生活污水的反硝化脱氮中试实验采用A/O工艺，实验装置见图1。调节池、水解酸化池及曝气生物滤池均为有机玻璃制成，管道采用穿孔聚氯乙烯(PVC)水管。水解酸化池(50 cm×50 cm×20 cm)内悬挂弹性填料，曝气生物滤池(50 cm×50 cm×50 cm)内的填料为自主研发的陶粒填料，陶粒填料性质参数见表1。

反硝化脱氮中试实验采用活性污泥法接种挂膜，接种污泥取自污水处理厂压滤过后的污泥。将一定接种污泥分别加入到水解酸化池与曝气生物滤池进行闷曝，接种污泥投加量约为两池体积的10%，闷曝过程中控制曝气生物滤池DO质量浓度在2.5～3.0 mg/L，闷曝3 d后静沉排出上清液。将高浓度植物茎秆浸出液(COD=(2 148.0±30.9) mg/L)作为碳源，与低C/N比生活污水(COD=(12.2±0.7) mg/L)以19∶1的体积比于调节池内混合，经水解酸化池分解后进入曝气生物滤池进行反硝化脱氮，控制曝气生物滤池DO在2.5～3.0 mg/L，并对进出水的COD、TN指标进行测定。实验中通过流量计控制流量，每日进水200 L，水力停留时间6 h，控制回流比为100%(体积分数)，气水比为3∶1(体积比)。

表1 陶粒填料性质参数

2 结果与讨论

2.1 湿地植物释碳能力

以COD释放量表征释碳能力。5种湿地植物COD释放量如图2所示。由图2可见，在6 d的时间内，5种湿地植物浸出液中均有COD释放，释碳能力为风车草>再力花>芦荻>香根草>美人蕉。风车草、再力花的COD释放量较高，分别达到(129.2±6.2)、(124.4±9.6) mg/(g·L)，香根草、美人蕉的COD释放量最低，分别为(59.1±8.0)、(53.8±7.9) mg/(g·L)。COD释放量的差异是由每种湿地植物的茎秆纤维素、半纤维素以及木质素的组成和含量不同导致，有机质的释放速率也会影响COD释放量[3]777。邵留等[10]筛选农业废弃物玉米芯、稻草和稻壳作为反硝化固体碳源，3种农业废弃物的总碳释放质量浓度为150～300 mg/L。本研究选取的5种湿地植物释碳能力基本能够满足反硝化碳源需求。

图1 反硝化脱氮中试实验装置Fig.1 Pilot experiment device of denitrification

图2 5种湿地植物COD释放量Fig.2 The COD release ability of five kinds wetland plants

2.2 湿地植物TN、TP释放结果

在利用湿地处理城镇生活污水的过程中，湿地植物通过根系吸收氮、磷等营养元素，具有很好的脱氮除磷能力[11-12]。在研究湿地植物释碳能力的同时，对其TN、TP的释放量进行监测，结果如图3所示。

图3 5种湿地植物TN、TP释放量Fig.3 The TN and TP release ability of five kinds wetland plants

由图3可见，5种湿地植物浸出液中均有TN、TP检出，其中芦荻TN释放量最高，达(3.3±0.6) mg/(g·L)，再力花的TN释放量最低，仅为(0.9±0.2) mg/(g·L)；5种湿地植物TP的释放量基本相当，维持在0.1 mg/(g·L)以下。总体看来，5种湿地植物TN、TP的释放量较低，对出水水质影响较小，在后续实验中能够通过稀释或者反硝化作用降低或者去除[13]。

2.3 静态反硝化脱氮实验结果

静态反硝化脱氮实验中，反硝化出水中硝态氮质量浓度见图4。

由图4可见，在微生物反硝化作用下，溶液中硝态氮均有一定程度的去除。其中，风车草和再力花脱氮效果最好，反硝化出水中硝态氮质量浓度均降低至3 mg/L左右，硝态氮去除率均达88%左右；香根草脱氮效果较差，反硝化处理后硝态氮质量浓度降至8 mg/L左右，硝态氮去除率仅为67%。

图4 反硝化出水中硝态氮质量浓度Fig.4 The nitrate concentration of the effluent of denitrification

同时，测定反硝化出水中COD质量浓度，结果见图5。

图5 反硝化出水中COD质量浓度Fig.5 The COD concentration of the effluent of denitrification

由图5可见，5种湿地植物反硝化进水中COD均值在268.8～646.0 mg/L，反硝化出水中COD均值在97.1～129.2 mg/L，COD均得到很大程度地降低。5种湿地植物反硝化出水的COD去除率有所不同，以风车草和再力花作为外加碳源时，反硝化出水中COD质量浓度为100 mg/L左右，COD去除率最高，均达84%左右；以香根草和美人蕉作为外加碳源时，反硝化出水中COD去除率较低，分别为63%、59%，与硝态氮去除率较低相一致。不同湿地植物的COD去除率不同，这可能与各种湿地植物浸出液中糖类、醇类以及小分子有机物等在释放量上存在差异[14-15]，被微生物利用时的效率也有所不同有关[16]。在反硝化过程中，减少的COD一部分用于微生物自身生长，一部分用于微生物反硝化碳源消耗。

以TN去除负荷表征湿地植物脱氮能力大小[17]，计算方法见式(1)。

(1)

式中：N为TN去除负荷，mg/(g·L)；c0为TN初始质量浓度，mg/L；ce为出水中TN质量浓度，mg/L；m为湿地植物投加量，g。

以COD消耗量与TN去除量的比值表征湿地植物供碳能力，比值越大表示浸出液中碳源越容易被微生物所利用。5种湿地植物供碳能力和TN去除负荷如表2所示。可见，风车草作为外加碳源时，其浸出液供碳能力和TN去除负荷高于其他4种湿地植物，这与图4、图5中较好的硝态氮和COD去除效果一致。

表2 5种湿地植物浸出液供碳能力及其TN去除负荷

傅利剑等[18]研究表明，反硝化过程中，碳源种类对硝酸还原酶没有影响，但是对氧化亚氮还原酶有影响。OVEZ[19]也研究了松树、白杨、芦竹、甘草等常见的天然植物枝条或茎杆作为反硝化碳源的脱氮效果。结果表明，以芦竹和甘草两种物质为碳源时脱氮效果较好，其他植物作为碳源时脱氮效果均不明显。本研究中5种湿地植物均能作为反硝化碳源使用，但脱氮效果差异明显，与文献[19]的研究结论相似。

2.4 反硝化脱氮中试实验结果

在湿地植物静态碳源释放实验与静态反硝化脱氮实验中，再力花和风车草均表现出良好的碳源释放及脱氮效果，综合考虑风车草取材方便，数量较多，本研究选取风车草作为反硝化脱氮中试实验碳源材料，探究其脱氮效果。反硝化脱氮中试实验出水COD质量浓度变化见图6，TN质量浓度变化见图7。

由图6可见，生活污水的COD质量浓度较低，为(12.2±0.7) mg/L，添加高浓度风车草茎秆浸出液后，进水COD质量浓度提高到130～160 mg/L。反应前4天，出水COD质量浓度较高，在70～100 mg/L，COD去除率总体低于50%；随着反应继续进行，出水COD质量浓度逐步减少，并稳定在35 mg/L左右，COD去除率维持在75%左右。这是因为反应前期水解酸化池内微生物量较少，污泥沉降比(SV)<10%，而进水COD相当充足，微生物无法完全利用，导致出水COD浓度较高；随着微生物的数量不断增加，水解酸化池内SV达到23%左右，池内填料上有明显黄褐色生物膜形成，进水中的COD被微生物充分利用，出水COD逐渐下降并达到平衡。

图6 反硝化脱氮中试出水COD质量浓度变化Fig.6 The change of COD concentration in the effluent from pilot test of denitrification

图7 反硝化脱氮中试出水TN质量浓度变化Fig.7 The change of TN concentration in the effluent from pilot test of denitrification

由图7可见，进水TN质量浓度总体在13～18 mg/L，出水TN的变化趋势与COD变化趋势相同。在反应前2天由于微生物量较少，TN去除率不足30%，随着后期微生物量的不断增加，出水TN逐渐降低，TN去除率趋于稳定，最后出水TN质量浓度为4.3mg/L，TN去除率达到73%。

TN去除量与有机物消耗量之比称为该有机物的脱氮容量[20]。经计算，风车草的脱氮容量为0.05，低于甲醇的脱氮容量0.21。但植物碳源与甲醇等小分子有机物相比具有廉价易得等优势，且出水COD和TN浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(COD≤50 mg/L,TN≤15 mg/L)，因此可以考虑将风车草作为反硝化植物碳源使用。

3 结 论

筛选风车草、香根草、再力花、芦荻、美人蕉5种湿地植物作为反硝化碳源。结果表明，5种湿地植物释碳能力为风车草>再力花>芦荻>香根草>美人蕉，风车草COD释放量最高，为(129.2±6.2) mg/(g·L)，美人蕉COD释放量最低，为(53.8±7.9) mg/(g·L)；5种湿地植物在静态碳源释放过程中TN、TP释放量均较低，对出水水质影响较小。

静态反硝化脱氮实验中，风车草和再力花脱氮效果最好，反硝化出水中硝态氮质量浓度降低至3 mg/L左右，硝态氮去除率均达88%左右，出水COD在100 mg/L左右，COD去除率均达到84%左右。在低C/N生活污水反硝化脱氮中试实验中，以风车草作为反硝化碳源材料，在10 d的反硝化过程中，出水COD稳定在35 mg/L左右，出水TN在4.3 mg/L，达到GB 18918—2002中的一级A标准，因此风车草可以作为低C/N比生活污水的反硝化碳源。

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