不同进水浓度对组合人工湿地脱氮效率的影响

张燕 刘雪兰 王月明 井庆川 伏春燕 阎佩佩 石天虹 刘瑞亭 魏祥法

摘要：研究低、中、高3种不同进水浓度对种植美人蕉（Canna indica）的组合人工湿地（表面流-水平流）氮去除效率的影响以及作用机理。结果表明：在总氮（TN）为240 mg/L，化学需氧量（CODCr）为490 mg/L的高浓度进水条件下该湿地系统能正常运行，并有效去除氮和有机质，9月份湿地系统对氮的去除效果高于7月份。该人工湿地脱氮效果受水力停留时间及进水浓度影响。

关键词：进水浓度；人工湿地；脱氮效率；硝化作用；反硝化作用；碳源；美人蕉

中图分类号：S181文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）03-0066-06

Abstract The removal efficiency of nitrogen as well as the removal mechanism in integrated constructed wetlands with Canna indica were studied in this experiment under low， middle and high influent concentrations. The results showed that the wetlands could run well and effectively remove nitrogen and organic matter under high influent concentration with the TN of 240 mg/L and CODCr of 490 mg/L. There was higher removal efficiency of nitrogen in September than that in July. Both prolong hydraulic retention time （HRT） and influent concentration could affect the nitrogen removal efficiency in integrated constructed wetlands.

Keywords Influent concentration；Constructed wetlands； Nitrogen removal efficiency；Nitrification； Denitrification； Carbon source； Canna indica

近年来，随着生态农业的发展，人们逐渐认识到生态治污的重要性[1，2]。人工湿地是生态治污的重要工艺，它是由基质、水生植物、微生物等共同组成，经人工建造模拟自然湿地结构与功能的复合体，利用系统中基质、水生植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用来实现对污水的高效净化[3，4]。人工湿地因具有投资运行费用低、运行稳定、处理效果好、生态效益显著等诸多优点，成为水体修复的重要技术，被广泛应用于处理各类污水，尤其是含氮污水的处理[5，6]。不同类型的人工湿地对不同形态氮的去除能力不同且各有优缺点，例如表面流人工湿地复氧能力强，有利于去除耗氧的氨氮和有机污染物，但占地面积大、卫生条件较差，常作为污水预处理系统；水平流人工湿地占地面积小、卫生条件好、保温性能好，可承受较大水力和污染物负荷，但供氧能力不足；而垂直流人工湿地复氧能力较水平流人工湿地好，但造价较高。因此目前越来越多的研究者将目光聚焦在两种或多种类型的人工湿地组合工艺上[7，8]。然而，目前国内有关组合人工湿地的研究多集中在低污染负荷（如农田退水）条件下湿地系统的去除能力，高污染负荷（如养殖污水）条件下其脱氮能力的研究有限，在一定程度上限制了人工湿地的应用和推广，尤其对畜禽养殖污水处理的应用；而且不同植物生长时期可能对其去除能力影响不同。本研究根据家禽养殖污水的特点，立足于组合人工湿地污水处理技术的优点，考察不同污染负荷条件下和植物不同生长时期湿地系统的脱氮能力，以期为人工湿地处理高氮负荷污水，尤其是家禽养殖污水提供理论依据，为生态农业建设提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置与设计

于2016年5月底开始，开展组合（表面流-水平流）人工湿地系统试验研究。每组装置分别由表面流段和水平流段组成，共8组实验装置。其中表面流段和水平流段箱体有效长度、宽度、深度均分别为1.20、0.50、0.85 m。填充基质深度为0.65 m，其中填充基质底层为0.55 m的炉渣，粒径为5～30 mm，上层为粒径<5 mm的炉渣，其厚度为0.10 m。试验装置整体坡度约1%，初始有效水深0.60 m。在装置中将带有芽苞的美人蕉（具有景观价值）根茎植入湿地基质中，种植密度（以根茎计）为40株/m2。每组装置的表面流段和水平流段又分别分为进水区（0.15 m）、处理区（0.90 m）和出水区（0.15 m）。进水经过进水区内砾石进入湿地处理区，出水经处理区后部穿孔板进入砾石出水区，流出湿地系统。组合人工湿地模拟装置示意图见图1。

试验前期主要是为了保障美人蕉正常生长以及湿地系统内部有益微生物的生长繁殖，在此期间仅不定期向人工湿地补充试验场内蓄水池中的水，使装置中的水位相对稳定（表面流段水位在基质层以上15 cm，水平流段水位在基质层以下5 cm）。其中水质指标参数如下：总氮（TN）为0.30～0.67 mg/L，铵态氮（NH+4-N）为0.06～0.15 mg/L，硝态氮（NO-3-N）为0.01～0.46 mg/L，化学需氧量（CODCr）为26.0～36.1 mg/L，总磷（TP）為0～0.05 mg/L，pH值为7.21～7.79。进行为期2个多月的培育试验，保障植物长势一致，待美人蕉株高约70 cm开始正式试验。正式试验时间为2016年7月至9月底，其中7月份是美人蕉快速生长时期，株高约70 cm，9月份是美人蕉开花期，株高超过100 cm，生物量也较大。

采用人工配制试验用水。试验进水以硝酸铵（NH4NO3，分析纯）配制，总氮分别为60（低浓度，以N计）、120（中浓度）、240（高浓度）mg/L，并向各装置进水中添加磷酸氢二钠（Na2HPO4·2H2O）、葡萄糖，使进水磷的质量浓度为10 mg/L，CODCr浓度为479～490 mg/L，保证试验进水中CODCr含量误差在5%以内。

8组试验装置，分别采用转子流量计调控流量，分别设定流动水体在装置中水力停留时间（hydraulic retention time，简写为HRT）为0.25、0.5、1、2、4、12、24、48 h，不同HRT均通過排水控制阀瞬息排水，排水后落干一段时间后，再进行下一个时段试验。

1.2 样品采集与测定

在水平流段出水口采集水样，分别监测水中的TN、NH-4-N 、NO-3-N以及CODCr含量。每组试验装置收集3份水样，并现场混合均匀，带回实验室测试分析。采用紫外可见分光光度计（UV-8000S）以及离子色谱法，测定水样中TN、NH+4-N和NO-3-N含量，采用重铬酸钾法测定CODCr含量。

1.3 数据分析

分别用SPSS 17.0和Origin 8.0软件进行数据处理分析和插图制作，并采用单因素方差分析进行差异显著性分析，其显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 组合人工湿地对TN的去除效率

湿地系统中存在多种脱氮机理，包括植物吸收、基质吸附、氨挥发、硝化-反硝化等。植物吸收在有限的时间内吸收利用量有限，且通过植物刈割才能脱离湿地系统；基质吸附的氮素仍在湿地基质床内，未脱离湿地系统；而氨挥发量较低，因此，通过微生物代谢过程进行硝化-反硝化将氮素转化为N2挥发而脱离湿地系统是人工湿地脱氮的主要途径[13，14]。从图2可以看出，水中TN的去除率随着HRT的延长而增加；进水氮负荷也明显影响湿地系统的氮去除能力，进水氮浓度越高，湿地系统的氮去除率越低。7月份湿地系统的去除能力低于9月份，这是因为尽管7月份美人蕉处于生长快速期，但生物量和根系的发达程度不及9月份。另外，进水浓度也影响美人蕉的生长，高浓度条件下其生物量增加明显减少，影响了高浓度条件下TN的去除率。

2.2 组合人工湿地对NH+4-N的去除效率

从图3可以看出，无论7月还是9月，3组浓度条件下去除率为：低浓度>中浓度>高浓度，且随HRT延长NH+4-N去除率均呈增加趋势，在4 h之后低浓度与高浓度之间差异显著（P<0.05），而4 h之前的去除率差别不大。这说明进水浓度明显影响系统对NH+4-N的去除能力，同时也说明湿地系统内基质炉渣吸附和植物作用在试验初期起到很大作用。炉渣中含有CaO、SiO2、Na2O、MgO、TiO、Al2O3和Fe2O3等组分，在碱性水条件下，在炉渣基质表面可产生羟基负离子，NH+4与羟基负离子间产生静电吸附作用，可大大增加NH+4-N的吸附率；另一方面炉渣含有Na+，一部分NH+4通过与Na+进行离子交换而被炉渣吸附。炉渣的多孔结构有利于空气中的氧进入湿地内部，提升湿地系统的复氧能力，为微生物硝化作用的进行提供条件[9]。

HRT越长，基质对水中NH+4-N的去除作用越强，同时美人蕉根系对水中NH+4-N的吸收和利用作用也越强，而且美人蕉根系具有输氧作用，能为基质床有益微生物提供好氧-缺氧-厌氧环境，便于微生物的硝化与反硝化作用[10]。此外出水溶液的pH 值为8～9，一部分氨氮可能会以气体方式溢出。

对比7月和9月，同一浓度下7月份的NH+4-N去除率明显低于9月份的，这是由于9月份湿地系统中基质床基质仍然没有达到吸附饱和，而且美人蕉已能适应各浓度进水条件，生物量、数量等增加，根系更发达，更能发挥其有效作用，进一步促进了湿地系统对NH+4-N的去除。因此HRT为48 h时，7月NH+4-N最高去除率为46.24%，而9月份最高去除率为62.03%。

2.3 组合人工湿地对NO-3-N的去除效率

由图4所示，进水浓度影响了水中NO-3-N的去除，不同浓度条件下去除率也表现为：低浓度>中浓度>高浓度。随着HRT的延长，对NO-3-N的去除率也呈增加趋势。HRT<4 h，NO-3-N的去除率较低，可能是由于水中较多的溶解氧一定程度上限制了对NO-3-N的去除，致使其去除率不到20%；随着HRT的延长，水中溶解氧减少，NO-3-N的去除率快速升高，当HRT为48 h时，低浓度条件下NO-3-N的去除率高达93.27%，高浓度条件下最低去除率也达到47.24%。研究表明NO-3-N离子呈负电性，基质炉渣胶体也成负电性，对其吸附能力几乎为零，且有限的时间内，美人蕉对NO-3-N的吸收利用能力较弱，远不及对NH+4-N的吸收利用能力[11]，这说明湿地微生物可能在NO-3-N的去除能力上发挥更重要作用。

Vymazal[12]指出在缺氧、厌氧条件下充足的碳源能为微生物反硝化反应提供能源，促进NO-3-N的去除，可用公式表示为：

根据该公式，可以揭示本研究中硝态氮去除率较高的原因，即随着HRT延长，组合流湿地系统中尤其水平流段出现较多缺氧、厌氧区，厌氧微生物利用试验添加的葡萄糖作为碳源将NO-3-N转化为氮气（N2），脱离湿地系统。在低浓度条件下碳源量更充足，微生物反硝化作用更强，NO-3-N的去除率更高。试验中并没有发现NO-3-N的去除率下降，这说明NH+4-N经过硝化反应产生NO-3-N的速率不及反硝化作用消耗NO-3-N的速率。此外由于7月为试验初期，可能湿地系统基质孔隙度较高，水中溶解氧影响了NO-3-N的去除，而9月美人蕉根系相对发达，降低了基质床的孔隙度，且植株枝叶茂盛，减少了湿地系统与外界氧交换，提升了NO-3-N的去除能力，使得9月份NO-3-N的去除率高于7月份。

2.4 組合人工湿地对CODCr的去除效率

图5所示，组合流湿地系统中CODCr的去除率随着HRT的延长也呈增加趋势，不同浓度之间差异不显著（P>0.05）。低分子碳水化合物葡萄糖作为碳源时，作为反硝化碳源提供者，可为厌氧微生物的反硝化作用提供能源[15，16]，但由于试验初期HRT较短，厌氧环境较少，不利于厌氧微生物的作用，因此可认为试验初期有机质的去除主要通过好氧微生物的作用[17，18]。当HRT>12 h，缺氧、厌氧环境较充裕，有利于微生物进行反硝化作用，从而提高了CODCr的去除率。但后期碳源和氮源减少，硝化作用减弱，使得后期CODCr去除率的增加幅度减小，因此在人工湿地运行过程中适时添加碳源，更有利于CODCr的去除。由于9月份组合流湿地系统为微生物反硝化作用提供了有利条件，使得9月份各浓度条件下CODCr的去除率均高于7月份。另外，流动的水体经过基质以及植物根系时也会有部分有机质被截留附着在基质及植物根系表面，尽管这部分量相对于微生物作用较少，但也不应忽视。

3 结论

本试验结果表明，美人蕉组合人工湿地能有效去除氮和有机质，在高浓度条件下（TN为240 mg/L，CODCr为490 mg/L）也能正常运行，其中9月份氮的去除效果好于7月份。随着HRT延长，氮素和有机质的去除率增加，尤其是对TN、NH+4-N和NO-3-N，其去除率分别高达64.78%、62.03%和93.27%。因此，延长水力停留时间有利于组合人工湿地中氮素的去除。此外不同进水浓度影响氮素不同形态的去除效果，但对CODCr的去除效果影响不明显，而有机质减少却影响氮素的去除。

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