利用植物碳源提高人工湿地脱氮效果的研究进展

2020-03-08唐海燕刘兴坡宋新山

工业水处理 2020年3期

丁怡，唐海燕，俞祺，刘兴坡，宋新山

（1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海201306；2.上海海事大学海洋环境与生态模拟研究中心，上海201306；3.上海海事大学交通运输学院，上海201306；4.东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

水体富营养化已成为我国水环境领域亟需解决的关键问题〔1〕。随着富营养化问题的不断加剧，水体生态环境质量呈现下降的趋势，饮用水源安全也日益受到威胁〔2〕。其中，氮污染是造成水体富营养化问题的主要因素之一〔3〕。与传统的污水二级处理工艺相比，人工湿地具有建造使用成本低、维护管理简便、生态高效的特点，正被广泛应用于污废水的脱氮治理〔4-5〕。人工湿地主要通过微生物的硝化和反硝化作用去除水体中的氮素〔6〕。硝化作用是将氨氮转化成硝态氮的过程，并未真正实现水体脱氮的目标，而反硝化作用则是将硝态氮转化成N2或N2O，使氮素最终从水体中逸出〔7〕。因此，反硝化作用才是湿地系统去除氮素的关键步骤，而碳源是湿地反硝化过程中必需的电子供体和能量来源〔8〕。当前，我国城市污水普遍存在低碳氮比的趋势，碳源不足正成为限制湿地有效脱氮的关键因子，提高碳源水平是保障湿地有效去除水体氮素污染的关键措施〔9〕。

人工湿地中碳源的主要来源：污废水中含有的碳源、湿地内含有的碳源以及外加碳源〔10〕。湿地内含有的碳源包括：植物枯叶及微生物分解产生的有机物、沉积物中缓慢释放的有机物和植物根系分泌的有机物〔11〕。通常，低碳氮比污废水、河湖类地表水及污水厂二级出水中碳源含量有限，而湿地内碳源含量更稀少，不足以支持反硝化脱氮所需的碳源水平〔12-13〕。外加碳源成为提高湿地脱氮效率的有效手段〔14〕。当前研究并使用中的外加碳源主要包括：（1）传统碳源（糖类和液相有机碳源）；（2）天然植物碳源材料；（3）新型碳源（藻类碳源和可生物降解有机多聚物）〔15〕。传统碳源存在消耗快、投加难控制、部分液相有机碳源有毒等缺点，而新型碳源尚处在研制阶段，其制备较复杂、使用成本高。植物碳源来源充足、取材方便、制备经济简单，因其生态、安全、有效的特点，正逐步替代传统碳源，被广泛应用于人工湿地脱氮过程中〔16-17〕。近年来，关于使用植物碳源提高湿地脱氮的研究已成为热点。笔者通过综述植物碳源的特性、利用方式及在湿地脱氮中的应用方法和效果，揭示植物碳源的功能及使用机制，为提高人工湿地脱氮效果提供参考及建议。

1 植物碳源的特性及利用方式

植物碳源材料的主要组成一般包括：纤维素、半纤维素、木质素、水分、灰分、多糖、蛋白质、脂肪等。植物碳源中的有机物大多以糖类的形式存在，而糖类可作为反硝化碳源〔18〕。木质纤维素分解菌有助于分解植物碳源内富含的纤维素、半纤维素和木质素，释放出的糖类具有供碳能力，而释放出的少量营养元素可供微生物增殖〔19〕。一般植物碳源内的纤维素和半纤维素较易被分解后利用，而木质素是具有苯丙烷类结构单元组成的复杂化合物，通常较难被微生物直接降解利用，且木质素在纤维素和半纤维素外围形成致密的天然保护层，能影响纤维素和半纤维素的水解〔20〕。因此植物碳源内纤维素、半纤维素和木质素的组成比例，也在一定程度上决定着植物碳源的释碳能力〔21〕。选择植物材料作为外加碳源时应当考虑如下几方面的因素：（1）植物材料的释碳量及植物碳源的可利用性；（2）释碳过程的持久性及稳定度；（3）在植物降解过程中是否存在氮、磷等营养物及重金属类毒害性物质的释放；（4）植物材料的表面结构是否能为微生物繁殖提供有利的生长环境。

植物碳源材料最初被直接铺设到人工湿地中，利用湿地微生物的降解功效获取植物材料中易生物降解的有机物质〔22-23〕。然而该方法存在两个弊端：（1）植物材料中难降解的有机物容易造成基质堵塞，影响人工湿地的运行能力；（2）当人工湿地亟需处理水力负荷大、进水总量高的低碳氮比污水时，植物碳源释碳缓慢，无法及时有效地向湿地补给所需的大量碳源，进而影响湿地脱氮效率。针对上述问题，对植物材料进行预处理将是解决植物碳源可利用性问题的最有效手段。通常植物材料被收割、洗净、烘干后，均匀地被切割成2～5 cm小段，再进行后续的预处理。预处理方式主要包括机械粉碎、稀酸处理、稀碱处理、氧化处理、高压蒸煮和辐射处理及多种方法的联合，其目的旨在破坏植物材料内坚固的木质素保护层，使被木质素包裹的纤维素和半纤维素能更多地被酶和微生物分解利用，提高植物材料的可生化性和释碳量，使其成为更有效的外加碳源〔24-26〕。

预处理方式及条件不同，植物结构被破坏的程度不同，从而碳源的释放速度和总量也不同。综合预处理方式的生态性、经济性和有效性，稀酸加热处理和稀碱加热处理成为当前主要的植物碳源预处理方式。稀酸加热处理是将剪碎后的植物材料与稀硫酸、稀盐酸或稀醋酸等混合后加热处理，加热温度及时长能决定植物碳源溶出速率和数量，经稀酸加热预处理后，纤维素的平均聚合度下降，半纤维素水解成单糖进入溶液中。稀碱加热处理是将剪碎后的植物材料与稀氢氧化钠溶液、稀氢氧化钾溶液或稀氨水等混合后加热处理，稀碱加热预处理可有效破坏木质素结构，降低纤维素结晶度，显著提高水解率。马兴冠等〔27〕分别采用碱加热和酸加热方式对玉米秸秆进行预处理，研究证实碱加热处理能使木质素聚合度和结晶度下降，更有利于增加纤维素含量和水解糖化率，促进玉米秸秆中有机质的释放。孙琳琳等〔28〕比较了玉米芯、玉米秸秆以及芒草的静态释放特性，玉米芯的氮磷释放量较少，适合作为湿地外加碳源；玉米芯分别经过酸、碱处理后，碳源释放均显著增加，而碱处理时碳源释放更稳定且总量更高，更适宜作为预处理方式。张羽等〔29〕研究发现碱处理对于玉米秸秆木质纤维素的释放优于酸加碱处理方式，实验结果进一步证实碱处理后玉米秸秆的碳释放量优于酸加碱处理方式。综上所述，稀碱加热处理更适宜作为植物外加碳源的预处理方式。

2 植物碳源在湿地脱氮中的应用

植物材料作为碳源被添加到人工湿地中的方式主要包括：第一，直接将植物材料铺设到湿地的上层、中层或下层中，与湿地填料均匀混合，植物材料经微生物降解后释放出有机质，为湿地反硝化脱氮提供碳源。植物自然降解的释碳速率有限，供碳过程缓慢持久，对于亟需完成大水量脱氮的人工湿地而言，其成效较慢〔30〕。人工湿地上层复氧效果较好，适宜好氧硝化细菌生长，是硝化反应较易发生的区域，如果在上层铺设植物材料，植物碳源易与硝化过程竞争消耗有限的溶解氧，抑制硝化反应的顺利进行〔31〕。湿地中下层区域一般处于缺氧/厌氧条件，适宜反硝化细菌的生长，是反硝化过程发生的有利区域，将植物碳源铺设在湿地中下层，能有效避免碳源被氧化分解，为保障湿地反硝化脱氮顺利进行提供最大程度的碳源供给〔32〕。魏星等〔33〕研究发现，向人工湿地补充植物秸秆能有效提高湿地脱氮效率，解除因碳源不足引起的氮素积累问题，总氮去除率由44%提高至53%～66%；其中碳源补充于湿地中层时，人工湿地具有更强的抗进水氮负荷冲击能力，其脱氮效果优于碳源补充在表层时。肖蕾等〔34〕向人工湿地补充千屈菜植物材料作为反硝化碳源，研究证实湿地中最适宜碳源添加的位置是中层和下层区域，其中碳源添加位置为下层时湿地总氮去除率最高，补充碳源为湿地底部反硝化区域提供充足的电子供体，推动湿地脱氮的有效进行。

第二，当在人工湿地填料层中直接铺设植物材料作为碳源时，可能遇到碳源失效后无法移除及易堵塞填料层的问题。外置植物碳源型人工湿地及碳源自供给潜流人工湿地可能是解决上述问题的有效方法。赵联芳等〔35〕选用芦苇和悬铃木树叶作为反硝化碳源，并在人工湿地外单独构建一个植物碳源的分解池，污水流经分解池后进入人工湿地内；研究发现，植物材料分解稳定后能为湿地脱氮持续有效地提供碳源物质，补充植物碳源的湿地系统总氮去除率高达90%，比空白组高出15%左右。Changcheng Zhang等〔36〕利用湿地植物香蒲制备生物质发酵液，并将其投加到自身系统中，研究证实香蒲生物质发酵液能有效提高硝态氮去除率。刘畅等〔37〕以生物质发酵液作为外加碳源，进一步揭示其作用机制：投加香蒲生物质发酵液能促进含亚硝酸盐还原酶功能基因和一氧化二氮还原酶功能基因的反硝化细菌增长。

第三，利用稀酸或稀碱溶液对植物材料进行预处理，克服植物材料自然分解时释碳缓慢的问题，为人工湿地经济、快速、有效去除大体量污水中的氮素提供充足的碳源供给保障。在人工湿地内利用植物碳源处理低C/N污水时，还需考虑污水中氮素的形态。丁怡等〔38〕利用稀硫酸提取植物材料（美人蕉、香蒲和稻杆）中的有机碳作为人工湿地外加碳源，研究发现，处理以氨氮为主的污水时，随着植物碳源的增加，氨氮去除率降低，主要原因是碳源氧化与氨氮硝化竞争消耗有限的溶解氧，致硝化反应受到抑制；而处理以硝态氮为主的污水时，随着C/N提高，充足的碳源补给解除了湿地反硝化脱氮的限制因子，硝态氮去除率得到显著提升，当C/N为10.0时，硝态氮去除率达到96%。刘刚等〔39〕研究发现向湿地投加经过碱处理的香蒲枯叶后，人工湿地反硝化脱氮过程得到明显强化，运行初期的硝态氮出水质量浓度小于 7 mg/L，去除速率可达 12.18 g/（m3·d）。肖蕾等〔40〕采用碱处理后的千屈菜作为反硝化碳源，经研究证实当碳氮比为3.0时湿地反硝化脱氮效率最佳，硝态氮去除率可达91.20%，可节约外加碳源成本。