潜流湿地短程硝化反硝化强化脱氮研究

战楠 黄炳彬 赵立新 王利军 高晓薇

摘 要：为探索人工湿地系统短程硝化反硝化脱氮作用对微污染水体脱氮性能的提升效果及影响因素，构建两级垂直流潜流湿地系统，对比分析了间歇进水、同步回流、预曝气等运行方式下的净水效果及含氮污染物的转化规律，结果表明：进水低碳氮比条件下，系统对CODCr和NH+4-N的去除率稳定在60.5%～64.3%和90%以上；通过水位/水量调节方式强化湿地内部自然富氧作用，实现TN去除效果增长8%～10%，亚硝化率呈升高趋势，NO-3-N的累积现象有所改善；氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）群落分布一致性和优势群菌丰度显著提升，反硝化细菌（nirS）优势种群分布同时得到改善，水位/水量调控的运行方式可以提升短程硝化效率，为反硝化反应提供更充足的底质和溶解氧条件，强化湿地系统对微污染水体的短程硝化反硝化脱氮作用。

关键词：人工湿地；水位/水量调节；短程硝化；反硝化；微生物

中图分类号：TV211.1+1；X522 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.020

引用格式：战楠，黄炳彬，赵立新，等.潜流湿地短程硝化反硝化强化脱氮研究[J].人民黄河，2022，44（1）：94-99，105.

StudyonEnhancedNitrogenRemovalbyShort CutNitrificationinSubsurfaceConstructedWetland

ZHANNan1，HUANGBingbin1，ZHAOLixin1，WANGLijun2，GAOXiaowei2（1.BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，BeijingWaterScienceand TechnologyInstitute，Beijing100048，China；2.BeijingInstituteofWater，Beijing100048，China）

Abstract：Inordertoexploretheeffectandinfluencingfactorsofshort cutnitrificationanddenitrificationinconstructedwetlandsystemon nitrogenremovalperformanceofmicro pollutedwater，atwo stageverticalflowconstructedwetlandssystemwasconstructed，theeffectsof waterpurificationandtransformationofnitrogenouscontaminantwithoperationmodeofintermittentwater，synchronousrefluxandpre aerationwerecomparativelyanalyzed.TheresultsshowthatunderlowC/Nratiocondition，theremovalrateofCODCrandNH+4-Nismain tainedstableat60.5%-64.3%andover90%；theremovaleffectofTNcanbeincreasedby8%-10%bythewayofwaterlevel/watervol umeregulationtoenhancetheeffectofnaturalenrichment，thenitrificationrateshowsanincreasingtrendandtheaccumulationofNO-3-Nis effectivelyimproved.ThecommunitydistributionconsistencyanddominanceofAOBandAOAaresignificantlyimprovedandthedominant populationdistributionofnirSisalsoimproved.Itshowsthattheoperatingmodebywaterlevel/volumecontrol，moresufficientsubstrateand dissolvedoxygenconditionsareprovidedfordenitrificationreactionandtheshort rangenitrificationanddenitrificationofmicro pollutedwater isstrengthenedbythewetlandsystem.

Keywords：constructedwetland；waterlevel/volumecontrol；short cutnitrification；denitrification；microorganism

人工濕地是在土壤、植物和微生物[1]三种相互依存要素的协同作用下，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收、微生物降解等综合作用对污染物进行高效净化的水处理技术。生物脱氮是湿地系统对含氮污染物去除的主要作用机理[1-3]，其中硝化反硝化反应对氮的去除量占60%～86%[4]，被认为是湿地系统中最主要的生物脱氮作用途径[5-6]。然而限于人工湿地的结构特征，湿地系统内溶解氧质量浓度较低，导致对氮类污染物的去除受到制约。此外，针对低碳高氮特征的微污染水体而言，碳源不足也是湿地系统内生物反硝化作用的限制因素。为强化湿地系统总氮去除效果，近年研究多集中在曝气方式优化[7-8]、基质填料开发、生物碳源投加[9]等方面。刘学燕等[10]研究发现，铁碳物化-生物耦合新型湿地填料对氮磷等污染物的去除效果高于传统填料的。铁碳作为基质材料[11]，间歇曝气运行方式下，对TN去除率较传统人工湿地提升约11%。于鲁冀等[12]将玉米芯作为纤维素碳源，结合水位调节，对TN平均去除率达70.55%。以秸秆为原料制备生物碳源，对TN的去除率可以提升6.9%[11]。这些措施使湿地系统总氮去除率显著提升，但也存在建设、运行成本提高的问题，以及添加碳源后，基质层堵塞、出水COD质量浓度升高等风险。

随着人工湿地生物脱氮技术研究的日益深入，短程硝化反硝化和厌氧氨氧化等新型生物脱氮路径逐渐被发现，为人工湿地技术脱氮性能的提升拓宽了思路[13]。Rampuria等[14]研究表明，厌氧氨氧化作用是人工湿地系统脱氮的关键途径之一，较深的基质层（2.2m）为厌氧氨氧化细菌提供了适宜的环境条件，但也对潜流湿地的设计提出了更高要求。

相较于传统硝化反硝化过程，短程硝化反硝化可节约25%的曝气量和40%的有机碳源，而且亚硝酸盐氮作为反硝化底物的反应速率是硝酸盐氮底物的1.5～2.0倍[15]，从而可实现经济高效脱氮。冯爱坤等[16]提出通过控制系统DO、有机物负荷等可以实现湿地短程硝化反硝化作用。Hou等[17]研究表明，采用改进的间歇曝气方式进行DO控制，可将脱氮从硝酸盐途径转移至亚硝酸盐途径，从而提高短程硝化作用下的脱氮性能。同时有研究提出，潮汐人工湿地脱氮效果[18]与连续流相比保持較高水平，原因在于氧气可通过规律性水流波动充分、迅速补充到湿地床体中，使硝化和反硝化作用得到增强。本研究旨在通过构建两级垂直潜流人工湿地系统，采用水位/流量、曝气强度等调控措施，结合湿地系统微生物菌群分布特征，探索人工湿地系统内短程硝化反硝化脱氮作用对微污染水体脱氮性能的提升效果及影响因素。

1 材料与方法

1.1 试验系统及运行

湿地系统由两级垂直潜流湿地、水位调节池构成，系统包括曝气池、一级湿地、集水池、二级湿地、生物塘，试验系统工艺流程见图1。两级湿地单元基质由石灰质碎石、河砂、焦炭等材料组成，分别采用下行流和上行流的运行方式。一级湿地出水经水位调节装置依次自流进入中间集水池、二级湿地，最终自流出水。集水池内预设回流系统，通过潜水泵控制部分水体回流至前端曝气池。

试验系统设计日处理水量450L，表面水力负荷为0.1m3/（m2·d）。采用间歇方式运行，每天分3次进水，单次进水量为150L，进水持续时间为30min；一级湿地出水通过水位调节装置控制，持续出水周期为2.5～3.0h；落干周期为4.0～5.0h。回流系统与进水设施同步启动，回流比按1∶3控制。通过间歇进水、同步回流运行方式进行水位/水量调节，一级湿地单元上层水位变幅为30～50cm，二级湿地水位变幅为10～20cm，基质层干/湿交替变化。

为进行溶解氧调控条件下系统生物脱氮性能的对比分析，试验分3个周期开展，见表1。第一、三周期内采用气水比10∶1间歇曝气，曝气系统与进水同步启动，持续时间为3h；第二周期不进行预曝气。

2 结果与讨论

2.1 有机物净化效果

试验期间，系统对CODCr的去除效果见图2。系统进水CODCr质量浓度为10～52mg/L；经湿地系统净化后，出水平均质量浓度降至10.78mg/L，平均去除率达63.18%。3个试验周期中对CODCr的平均去除率分别为60.5%、64.3%和63.8%。不同运行工况下，一级湿地出水平均去除率53.77%明显高于二级湿地的平均去除率19.48%。试验表明，试验系统对CODCr的去除具有较为稳定的效果；曝气系统是否启动对去除效果影响较小；不同运行方式下，一级湿地去除效果优于二级湿地的，为主要作用单元。

2.2 系统中DO沿程变化规律

第一、二周期湿地系统DO的沿程变化见图3，其中监测点1～4和6、7分别表征一级和二级湿地内沿水流方向间隔30cm的DO变化情况。由图3可知，进水DO差异不大的情况下，经预曝气后DO质量浓度提升至8.6mg/L，虽然湿地床内部DO含量表现为逐步降低的趋势，但一级湿地出水DO质量浓度仍达3.3mg/L。停止预曝气后，一级湿地床内DO质量浓度由进水4.37mg/L逐渐降至0.20mg/L。湿地内DO质量浓度较传统潜流湿地的高，与系统间歇进水及回流运行方式下基质上层处于干湿交替和水位不断变化，强化自然复氧能力有关。二级湿地内通过水位调节进行溶解氧环境的调控，第一、二周期差异相对较小，出水DO质量浓度均为0.20mg/L左右。

2.3 含氮污染物转化规律

系统对TN去除效果见图4。进水碳氮比为1.2～3.6的条件下，根据每天的监测值，系统对TN平均去除率为46.15%，平均质量浓度由进水的8.91mg/L降至4.70mg/L。3个试验周期对TN的平均去除率分别为44.0%、51.9%和42.0%，一级湿地对TN的平均去除率分别为25.42%、42.04%和26.40%。预曝气系统关闭的第二试验周期TN去除效果高于其他两个周期近10%，其中一级湿地脱氮效果提高了约16%。

对比发现，具有氨氧化功能的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）菌群分布变化明显，两类功能型微生物检出群落类别数量均有所减少，AOB一级、二级湿地单元检出量分别由101、22类降低至29、19类，AOA一级、二级湿地单元检出量分别由20、33类降低至6类，但所检出优势群落丰度占比显著升高。

AOA变化趋势与AOB较为一致，第一周期两级湿地床监测出相对丰度大于0.1%的群落包括Nitro soarchaeum、Collimonas、Candidatus_Nitrosocosmicus、丛毛单胞菌（Comamonas）、Candidatus_Nitrosotenuis、噬酸菌（Acidovorax）共6類，一级、二级湿地相对丰度之和分别为57%、20%，但属间差异较大，一级湿地中主要优势种Nitrosoarchaeum相对丰度为49%，而二级湿地中不足10%。第二周期AOA种群数降至3类，一级、二级湿地相对丰度之和分别为89.6%和85.2%，其中Nitrosoarchaeum为主要优势种，在两级湿地内相对丰度均增长至80%。由此说明，富氧方式进一步优化改善了湿地床内部微溶解氧环境，为具有氨氧化功能的微生物提供了更适宜的富集环境。功能型微生物优势群落分布一致性和相对丰度提升表明，湿地系统中氨氧化功能得到强化，促使短程硝化作用下发挥净水作用。

试验期间对具有反硝化功能的nirS微生物群落特征进行分析。第一周期，一级湿地基质样本并未扩增成功，与初期内部DO质量浓度偏高有关。二级湿地中相对丰度高于0.2%的11类微生物包括脱氯单胞菌（Dechloromonas）、贪铜菌（Cupriavidus）、红长命菌（Rubrivivax）、Steroidobacter、Sulfuritalea、Sulfurifustis、固氮弓菌（Azoarcus）、硫杆菌（Thiobacillus）、陶厄氏菌（Thauera）、假单胞菌（Pseudomonas）、芽孢杆菌（Bacil lus），总丰度达49%。运行条件改变后，一级湿地床内nirS微生物被检出，优势种群与二级湿地的结果一致，较上一阶段减少了硫杆菌（Thiobacillus）和芽孢杆菌（Bacillus），其他微生物总丰度在两级湿地内分别为43.0%、38.4%。由此表明，通过水位/水量调控进行溶解氧条件的调节，不仅优化了氨氧化功能型微生物群落的分布特征，同时为反硝化功能细菌富集提供了适宜环境，为潜流湿地系统短程硝化反硝化反应创造了有利条件。

3 结 论

（3）对比湿地系统功能型微生物分布特征，水位/水量调控方式下，具有氨氧化功能的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）群落数量减少，但优势群落分布一致性和丰度显著提升，其中AOB和AOA主要优势微生物亚硝化螺菌（Nitrosospira）、Nitrosoarchaeum相对优势度提升至26.52%～27.95%和80%。反硝化细菌（nirS）优势种群分布得到改善，表明湿地系统为短程硝化反硝化反应创造了有利条件。

试验以运行方式优化为出发点，通过构建两级垂直流人工湿地系统，采用间歇进水、回流等调控措施，强化了基于短程硝化反硝化作用的脱氮效率，减少了碳源对微污染水体净化的限制因素，同时具有节省碳源、降低曝气强度等优势，从而实现经济高效脱氮。该研究为人工湿地净化微污染水体的设计和应用提供了新思路。

参考文献：

[1] 陶敏，贺锋，徐洪，等.氧调控下人工湿地微生物群落结构变化研究[J].农业环境科学学报，2012，31（6）：1195-1202.

[2] 张政，付融冰，顾国维，等.人工湿地脱氮途径及其影响因素分析[J].生态环境，2006，15（6）：1385-1390.

[3] 丁怡，唐海燕，刘兴坡，等.不同类型人工湿地在污水脱氮中的研究进展[J].工业水处理，2019，39（7）：1-3，9.

[4] 张靖雯，阮爱东.人工潜流湿地脱氮技术研究进展[J].环境科技，2017，30（4）：72-75，80.

[5] 王晓娟，张荣社.人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究[J].环境科学学报，2006，26（2）：225-229.

[6] 何连生，刘鸿亮，席北斗，等.人工湿地氮转化与氧关系研究[J].环境科学，2006，27（6）：1083-1087.

[7] 张亚琼，崔丽娟，李伟，等.潮汐流人工湿地基质硝化反硝化强度研究[J].生态环境学报，2015，24（3）：480-486.

[8] 丁达江，杨永哲，吴雷，等.分段进水对深层床潮汐流人工湿地硝化-反硝化性能的影响[J].水处理技术，2016，42（11）：104-109.

[9] 周卿伟，祝惠，阎百兴，等.添加填料的人工湿地反硝化过程研究[J].湿地科学，2017，15（4）：588-594.

[10] 刘学燕，侯琮语，李德生，等.基于铁碳物化-生物耦合法的新型湿地填料研究[J].人民黄河，2018，40（11）：92-96.

[11] 王宁，黄磊，罗星，等.生物炭添加对曝气人工湿地脱氮及氧化亚氮释放的影响[J].环境科学，2018，39（10）：4505-4511.

[12] 于鲁冀，陈涛，柏义生，等.微污染水体水平潜流湿地强化脱氮研究[J].环境工程，2016，34（3）：18-21.

[13] 丁怡，宋新山，严登华.影响潜流人工湿地脱氮主要因素及其解决途径[J].环境科学与技术，2011，34（增刊2）：103-106.

[14] RAMPURIAA，GUPTAAB，BRIGHUU.NitrogenTrans formationProcessesandMassBalanceinDeepConstructed WetlandsTreatingSewage，ExploringtheAnammoxContri bution[J].BioresourceTechnology，2020，314：123737.

[15] 祝贵兵，彭永臻，郭建华.短程硝化反硝化生物脱氮技术[J].哈尔滨工业大学学报，2008，40（10）：1552-1557.

[16] 冯爱坤，罗建中，熊国祥.潜流型人工湿地实现短程硝化反硝化的探讨[J].环境技术，2006（1）：34-37.

[17] HOUJ，XIAL，MAT，etal.AchievingShort CutNitrification andDenitrificationinModifiedIntermittentlyAeratedCon structedWetland[J].BioresourceTechnology，2017，232：10-17.

[18] MAHARJANAK，MORIK，TOYAMAT.NitrogenRemoval AbilityandCharacteristicsoftheLaboratory ScaleTidalFlow ConstructedWetlandsforTreatingAmmonium NitrogenCon taminatedGroundwater[J].Water，2020，12（5）：1326.

[19] 國家环境保护总局，水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002：200-284.

[20] 潘晓悦，王晓，郭光霞，等.增温与降水变化对青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落丰度和群落结构的影响[J].生态学报，2017，37（23）：7938-7946.

[21] 钢迪嘎，齐维晓，刘会娟，等.水位变化对消落带氨氧化微生物丰度和多样性的影响[J].环境科学学报，2017，37（5）：1615-1622.

[22] 马勇，王淑莹，曾薇，等.A/O生物脱氮工艺处理生活污水中试（一）短程硝化反硝化的研究[J].环境科学学报，2006，26（5）：703-709.

[23] 汪健，李怀正，甄葆崇，等.间歇曝气对垂直潜流人工湿地脱氮效果的影响[J].环境科学，2016，37（3）：980-987.

[24] 吕露遥，杨永哲，张雷，等.多级垂直潮汐流人工湿地厌氧氨氧化脱氮研究[J].水处理技术，2019，45（10）：114-120.

[25] 邹雨璇，祝贵兵，冯晓娟，等.低温条件下湿地氨氮强化净化技术及其氨氧化微生物机制[J].环境科学学报，2014，34（4）：864-871.

[26] 吕纯剑，高红杰，宋永会，等.潮汐流-潜流组合人工湿地微生物群落多样性研究[J].环境科学学报，2018，38（6）：2140-2149.

[27] OKABES，SATOHH，WATANABEY.InSituAnalysisof NitrifyingBiofilmsasDeterminedbyinSituHybridization andtheUseofMicroelectrodes[J].AppliedandEnviron mentalMicrobiology，1999，65（7）：3182-3191.

[28] 陈亮，刘锋，肖润林，等.人工湿地氮去除关键功能微生物生态学研究进展[J].生态学报，2017，37（18）：6265-6274.

【责任编辑 吕艳梅】