水平潜流人工湿地沿程脱氮效率

商侃侃，倪田品,2，张国威，万吉尔

(1. 上海辰山植物园 中科院上海辰山植物科学研究中心，上海 201602；2. 华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241)

城市地表水与广大人民群众的生活息息相关，伴随着生活、生产污水以及地表径流的排放，氮、磷等营养盐不断输入，造成水体富营养化污染[1]。但其主要水质指标优于城镇污水处理厂污染物排放标准，无法排入污水处理厂进行处理，被认为是低污染水[2]。相对于生活污水、养殖污水和工业废水，低污染水具有水量较大、水质波动性强、污染物浓度相对较低等特点，若使用传统污水深度处理方法治理，存在着技术及成本上的双重瓶颈。如不进行有效处理，直接排放至河流或湖泊后，仍会对水质造成较大影响。如何去除这些低污染水中的氮、磷是目前面临的主要难题[3-5]。

人工湿地技术是通过模拟自然湿地，由特定的基质、植物与微生物的协同作用来实现对污水的净化，被广泛用于生活污水、污水厂尾水、农业面源污染以及畜禽养殖废水的处理中，成为投资省、运行费用低、对低污染水治理效率高的一项生态治理技术[6-8]。目前，关于湿地系统脱氮效率的沿程规律存在不同观点：第一种观点认为，湿地中污染物集中在进水端被去除，在未种植湿地中尤为突出[9-10]；第二种观点认为，总氮去除率沿程变化呈现前端高、中部略有降低、后部又有所上升的格局[11]；第三种观点认为，湿地中部对总氮去除效率最好，可以认为系统的硝化与反硝化作用在这里达到了相对平衡[12]。前两种观点是利用面积1～2 m2潜流湿地处理高污染废水时得到的，而后一种观点则是利用20 m长潜流湿地处理微污染河水时提出的，但关于较大尺度上水生植物的脱氮效率研究不足。

因此，该研究以砾石水平潜流湿地为对象，将花叶芦竹(Arundodonaxvar.versicolor)、旱伞草(Cyperusalternifolius)、再力花(Thaliadealbata)、香蒲(Typhaorientalis)、芦苇(Phragmitesaustralias)5种挺水植物种植于粒径1～2 cm的砾石填料中，通过模拟地表水污染负荷添加低、高2个浓度水平的低污染水，监测入水口、1/3处、2/3处和出水口的氮含量，分析不同植物水平潜流人工湿地对水体脱氮效率的沿程变化，以期为潜流人工湿地植物选择提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验场设置

试验场位于上海辰山植物园西侧人工湿地水体处理场，由3 000 m2表面流人工湿地和3 640 m2水平潜流人工湿地组成，是园区景观水体水质维护系统的重要组成部分[13]。选择其中12个独立的水平潜流人工湿地床，每个湿地床长13.0 m、宽4.5 m、深1.0 m，分别在距离进水口1/3处(4.33 m)和2/3处(8.67 m)设置PVC取样管。填料主要由粒径1～2 cm的砾石组成，深度约60 cm。2016年4月，选择本地区常用的花叶芦竹、旱伞草、再力花、香蒲、芦苇5种挺水植物，将根茎随机种植于湿地床，种植间距为0.5 m × 0.5 m，每种植物种植2个湿地床，并设置2个未种植的对照组。

1.2 试验方法

采用模拟城市地表低污染水进行不同植物湿地床的水质净化试验。为保证模拟污水水质和水流均匀，在每个潜流湿地前端放置1个4 m3的水桶，每天早上先由提升泵将园区景观水泵入水桶。期间，添加由硝酸钠、氯化铵、复合肥等配制而成的污水母液，配制成高、低2个浓度的模拟污水，每个浓度进行5种植物和1个对照处理。泵满水后打开进水阀，按一定的流速输入到潜流湿地，持续时长为13～16 h，每周工作5 d，经计算水力负荷为2.0 m3/(m2·h)。从2018年4月-10月，在湿地床的入水口、1/3处、2/3处和出水口采集水样，每3周采集1次水样，累计8次。以每次入水口采集和分析的水样，作为低、高2个浓度梯度的进水水质(表1)。

表1 试验处理进水水质Tab.1 Influent Water Quality in Experiment

每次采集后，测定样品pH、电导率、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、总氮、氨氮、硝氮和亚硝氮等指标。其中，pH(Hach，USA)、溶解氧(Hach，USA)、EC值(雷兹，中国)采用仪器直接测定，COD经过消解后采用仪器(Hach, USA)测定，BOD5采用五日培养法测定。总氮采用TOC仪(岛津V-CPN)测定，氨氮、硝氮和亚硝氮采用全自动间断化学分析仪(SEAL AQ2)测定。

1.3 数据处理

水平潜流人工湿地系统水质沿程脱氮效率用氮去除率表示，如式(1)。

R=(Ni-Nj)/No×100

(1)

其中：Ni——上一取样点水质指标；

Nj——下一取样点水质指标；

No——入水口水质指标。

2 结果与分析

2.1 总氮去除率沿程变化

不同植物湿地总氮去除率沿程变化情况如图1所示(其中1、2、3分别表示1/3段、2/3段和3/3段)。由图1可知，低浓度和高浓度下去除率分别为43.59%～88.14%和35.72%～88.16%，表现为芦苇>再力花、旱伞草>香蒲>花叶芦竹>未种植，5种植物人工湿地分别高出未种植组27.13%～44.55%和12.45%～52.44%。处理低浓度污水时，6个潜流湿地对总氮去除率呈沿程下降趋势，芦苇、香蒲和花叶芦竹湿地前1/3段去除率分别达到77.95%、58.53%、43.13%；旱伞草和再力花湿地前2/3段都有很高的总氮去除率，累计分别为82.16%和79.25%，如图1(a)所示。处理高浓度污水时，未种植组、花叶芦竹和再力花湿地对总氮去除率呈沿程下降趋势，前1/3段去除率分别达到25.53%、29.33%和35.43%；芦苇、香蒲和旱伞草湿地在中段去除率最低，呈现“U”型变化趋势，3种湿地去除率最高处均位于前1/3段，分别达到48.66%、45.46%和37.76%，如图1(b)所示。

图1 不同植物湿地总氮去除率沿程变化 (a)低浓度；(b)高浓度Fig.1 Removal Rate of TN along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration；(b)Higher Concentration

2.2 氨氮去除率沿程变化

比较不同湿地系统对低污染水氨氮的沿程去除率发现，低浓度和高浓度下去除率分别为42.45%～99.00%和25.53%～95.42%，表现为芦苇>再力花、旱伞草>香蒲>花叶芦竹、未种植，5种植物人工湿地分别高出未种植组45.17%～56.56%和-3.16%～66.74%(图2)。处理低浓度污水时，未种植组、花叶芦竹、芦苇和再力花湿地对氨氮去除率呈沿程下降趋势，前1/3段分别达到39.56%、37.70%、98.90%和66.36%；香蒲湿地前1/3段的氨氮去除率高达70.16%；旱伞草湿地2/3段氨氮去除率略高于1/3段，累计为95.44%，如图2(a)所示。处理高浓度污水时，未种植组湿地氨氮去除率呈沿程下降趋势；旱伞草和再力花湿地在1/3段去除率最低，呈现“U”型变化趋势，近出水口段去除率最高，分别达到40.93%和42.46%；花叶芦竹湿地氨氮去除率呈沿程上升趋势，近出水口段去除率达到14.39%；香蒲和芦苇湿地2/3段氨氮去除率最高，分别为42.25%和22.04%，如图2(b)所示。

图2 不同植物湿地氨氮去除率沿程变化 (a)低浓度；(b)高浓度Fig.2 Removal Rate of along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration；(b)Higher Concentration

2.3 硝态氮去除率沿程变化

比较不同湿地系统对低污染水硝态氮沿程去除率发现，低浓度和高浓度下去除率分别为94.60%～97.42%和62.35%～99.00%，表现为花叶芦竹、香蒲、芦苇>再力花>旱伞草>未种植，5种植物人工湿地分别高出未种植组2.19%～2.82%和29.26%～36.65%(图3)。处理低浓度污水时，花叶芦竹、再力花和香蒲湿地的硝态氮去除率呈沿程下降趋势，花叶芦竹、再力花和未种植湿地前2/3段累计分别为94.24%、94.84%和86.28%，香蒲和芦苇湿地1/3段去除率高达86.51%和93.59%，而旱伞草湿地2/3段的去除率最高，为71.34%，如图3(a)所示。处理高浓度污水时，旱伞草湿地呈沿程上升趋势，近出水口去除率达到82.34%；花叶芦竹、芦苇和香蒲湿地硝态氮去除率集中在前2/3段，分别为95.74%、89.06%和81.51%，如图3(b)所示。

图3 不同植物湿地硝态氮去除率沿程变化 (a)低浓度;(b)高浓度Fig.3 Removal Rate of NO3-N along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration；(b)Higher Concentration

图4 不同植物湿地亚硝态氮去除率沿程变化 (a)低浓度;(b)高浓度Fig.4 Removal Rate of along Water Flow in Different Constructed Wetland (a)Lower Concentration;(b)Higher Concentration

2.4 亚硝态氮去除率沿程变化

比较不同湿地系统对低污染水亚硝态氮的沿程去除率发现，低浓度和高浓度下去除率分别为84.56%～97.76%和76.15%～92.95%，表现为芦苇>花叶芦竹、再力花、香蒲、未种植>旱伞草，5种植物人工湿地分别高出未种植组-2.45%～10.75%和-11.92%～4.88%(图4)。处理低浓度污水时，未种植、花叶芦竹、芦苇、再力花和香蒲湿地亚硝态氮去除率呈沿程下降趋势，前1/3段分别达到84.60%、67.48%、84.63%、70.88%和75.98%，湿地2/3段去除率为5.47%～30.71%；旱伞草湿地2/3段去除率最高，达到74.90%，如图4(a)所示。处理高浓度污水时，未种植、花叶芦竹和再力花湿地亚硝态氮去除率呈沿程下降趋势，旱伞草湿地呈逐渐增加趋势；芦苇和香蒲湿地在2/3段去除率最低，呈“U”型变化，如图4(b)所示。

3 讨论与结论

人工湿地主要通过植物吸收、填料吸附以及微生物的硝化、反硝化作用对废水的氮污染物进行去除和转化[14-15]，进入潜流湿地系统氮的去除途径有随出水流出、微生物反硝化为气态氮排出、植物吸收、介质吸附和氨氮挥发等5种[16]。由于该试验采用的填料为砾石，为惰性材料，不能提供氨氮吸附需要的大量活性位点，且试验场地运行已有3年，其吸附量可以不予考虑。水体通过填料过滤时，pH值变化不显著，一般也没有超过8.0[17]，通过挥发损失氨氮的作用也可以忽略。5种挺水植物对水体总氮和氨氮的去除率表现为芦苇>再力花、旱伞草>香蒲>花叶芦竹>未种植，硝态氮和亚硝态氮的去除率表现为花叶芦竹、香蒲、芦苇>再力花>旱伞草、未种植，这与植物体氮磷累积效率芦苇>再力花>旱伞草>花叶芦竹>香蒲的研究结果基本一致[17]，且已有研究表明，湿地植物吸收总量可占投加总量的10%以上，说明不同植物的营养物质累积效率决定了湿地床对水质的净化效果。同时，其他研究者在盆栽试验和更小尺度湿地床(10 m2)试验中，已经表明芦苇对水体氮的去除效率高于香蒲[18-19]，而该研究在工程应用尺度上也进一步证实该实验结果，说明这两者比较结果可以进一步推移到更大规模的工程应用中。

湿地植物既可以通过自身组织直接吸收污染水体的氮，也可以通过形成根际周围好氧、厌氧区域有利于微生物的硝化-反硝化作用，促进氮的转化去除[14]。该研究中未种植、花叶芦竹、芦苇、再力花和香蒲处理总氮为10 mg/L以下低浓度污水时，总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮沿程去除率总体呈下降趋势，尤其是芦苇在1/3段即达到了77.95%的去除率，而旱伞草2/3段氮素去除率均最高，这与张彩莹等[9]、栾晓丽等[10]研究结果一致。除芦竹外，其他4种植物湿地总氮基本达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水的标准；芦苇、再力花、旱伞草湿地出水氨氮达到Ⅰ类水标准，香蒲湿地出水氨氮达到Ⅱ类水标准，芦竹湿地出水氨氮达到Ⅲ类水标准。而从植物生长来看，从生物量积累来看，再力花、旱伞草、芦苇的累计生物量积累在2 m处已占湿地床总生物量的51.5%、49.6%和54.4%，分别至7、9 m和7 m处时累计生物量积累已占到90%以上；花叶芦竹、香蒲的累计生物量在5 m处占到50%以上，分别至10、11 m处时累计生物量占到90.2%和92.7%[17]。处理总氮为20 mg/L的低浓度污水时，总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮沿程去除率基本呈现前端去除效率高，中部略有降低，后部又有所上升，这与王伟涛[11]的研究结果一致。5种植物湿地出水总氮均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。除芦竹湿地外，其他4种植物湿地出水氨氮达到一级A标准，其整个湿地床植物生长表现良好。

因此，在营建植物直接种植于砾石填料且水力负荷为2.0 m3/(m2·h)的湿地床时，应综合考虑植物的生长效果和沿程脱氮效率，处理总氮为10 mg/L左右的低浓度污水时，种植芦苇和香蒲的湿地床5 m左右为宜，种植花叶芦竹、旱伞草、再力花的湿地床以9 m左右为宜。处理总氮为20 mg/L左右的低浓度污水时，芦苇、香蒲、旱伞草和再力花的种植长度至少为13 m，均可以使湿地出水达到一级A标准，芦苇为最佳选择。