进水C/N与运行水位对垂直潜流人工湿地脱氮的影响

马 越，童菊秀，马艳宝，席天一

（1.中国地质大学（北京）地下水循环与环境演化教育部重点实验室，北京100083；2.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京100083）

0 引言

工业废水、生活污水及农业面源污染的大量排放造成了严重的水体污染问题，这些污水中普遍含氮较高，所以除氮是治理污水的一项重要工作［1，2］。垂直潜流人工湿地是人工湿地的一种类型，其系统中的污水以垂直流的方式流过湿地，对氮含量较高的污水有很好的去除效果［3］。前人对垂直潜流人工湿地中基质、植物和微生物等脱氮的影响因素做了充分的研究［4-7］，但对外界影响因素特别是水力学相关因素的研究相对较少。在实际工程应用中，控制水力学条件是提高脱氮效果的有效手段［8］，运行水位作为一个重要变量对其脱氮影响意义重大［9］，前人研究了运行水位对水平流人工湿地去氮效果的影响［8-10］，但很少考虑其对垂直潜流人工湿地的影响。碳源作为反硝化过程的电子供体，湿地系统中碳源的多少直接影响氮的去除，因此碳氮比（COD/TN）被认为是影响氮素去除效果的关键因素［11］，也是近年研究的热点问题。朱文玲等［12］利用模拟垂直潜流人工湿地研究了总氮（TN）的脱氮效果，结果表明C/N 为1/1和3/1 时TN 的去除效果最好，但是没有考虑运行水位的影响，也没有考虑铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）的去除效果。申彦冰［13］研究了C/N 小于1时垂直潜流人工湿地的脱氮效果影响，没有考虑运行水位与C/N大于1的影响。控制适宜的C/N和运行水位是提高垂直潜流人工湿地脱氮效果的重要举措。所以本文以模拟垂直潜流人工湿地为研究对象，探讨C/N 大于1的四种情况下，分别处于完全淹水、半落空、几乎完全落空的三种不同运行水位对垂直潜流人工湿地内部脱氮效果的影响，得到最佳脱氮效果的优化组合，为垂直潜流人工湿地脱氮研究和应用提供依据。

1 材料与方法

本研究以野外试验为主，试验场地选择在湖北省荆门市京山市屈家岭管理区武汉大学农谷试验基地，该区属亚热带季风气候，温暖多雨，结冰期短，四季分明，南北方的主要作物大都可以正常生长［14］。

本次试验中的模拟垂直潜流人工湿地反应池有6 组，尺寸均为100 cm（长）×50 cm（宽）×70 cm（高），见图1。反应池的有效装填高度为60 cm，分两层，在池底10 cm 铺设卵石作为排水层，其上部装填50 cm 高度，粒径为4～8 mm 的沸石作为净化主体，在装置侧面距底部10 cm 处打孔作为出水口，同样高度不同位置安装虹吸软管来控制运行水位。在湿地系统上部栽种石菖蒲净化植物，种植密度为20 株/m2，根系深度在5～10 cm之间。为探究不同运行水位下垂直潜流人工湿地系统沿程脱氮的特性，将六组垂直潜流人工湿地模拟装置分为两组，每组中三个装置分别设置其运行水位为60（处于完全淹水状态）、40、20 cm。为监测湿地内部沿程氮素去除的效果，运行水位60 cm 装置在距底部50、30 cm 处增加取样，运行水位40 cm 装置在30 cm处增加取样，运行水位20 cm时不增加取样。

图1 垂直潜流人工湿地试验装置示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of vertical subsurface flow constructed wetland

试验在2020年10月至12月期间进行，此时正值秋季，试验气温在10～20 ℃之间，气候湿润温和。湿地装置系统采用下行潜流布水方式，使污水从基质层表面渗流至底部，在试验过程中始终保持各装置连续进水，选择葡萄糖作为进水碳源，设置2/1、4/1、8/1、12/1 四种C/N 浓度梯度，进出水流速控制为70 mL/min，水力停留时间为1.3 d。每次试验开展21 d，初始条件相同，并保持进水中氮浓度不变，试验进水参照中等浓度污水标准配制，4 种C/N 下进水浓度范围见表1。每次取得水样后测定NH4+-N、NO3--N 和TN 的浓度，化学需氧量COD 采用重铬酸钾氧化法测定，NH4+-N 采用纳氏试剂比色法测定，NO3--N 采用紫外分光光度法测定，TN 采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定。采用SPSS 26.0软件对数据进行多因素方差分析，设差异显著水平为P＜0.05。

表1 试验进水平均浓度 mg/LTab.1 Average concentrations of influent water in experiments

2 结果与讨论

2.1 不同C/N与运行水位下氮素去除率

2.1.1 NH4+-N去除率变化

4种C/N时不同运行水位下出水口处NH4+-N去除效果随时间的变化如图2所示。方差分析显示，C/N 和运行水位均对NH4+-N 去除有显著性影响（P=0＜0.05），在C/N=2/1，运行水位为20、40 和60 cm 时，NH4+-N 的去除效果均达到最佳，分别为（98.02±1.0）%、（98.06±1.46）%、（95.44±2.28）%，平均去除率都达到95%以上。运行水位为60 cm 时，NH4+-N 的去除率随着C/N 的增加而降低，C/N=12/1 时达到最低（74.67±8.0）%。而运行水位为20 cm 和40 cm 时，在C/N=4/1 时仍能达到很好的去除效果，去除率分别为（97.12±1.75）%和（98.16±1.10）%；之后随着C/N 的增加去除率降低，C/N=12/1 时达到最低，分别为（77.60±5.09）%和（74.67±8.02）%。陈庆昌［15］认为，随着C/N 的增大，NH4+-N 的去除效果明显下降，C/N 的提高使系统中的硝化作用过程受到抑制。在本试验中，由于进水中氮素浓度始终保持一定，因此C/N越高，表示进水中有机物浓度越大。而在垂直潜流人工湿地中，硝化作用受溶解氧（DO）浓度的影响很大，随着碳源浓度的增加，有限的DO很难同时满足硝化需氧量OD和有机物去除OD，NH4+-N 去除效果下降［16］。运行水位为40 和20 cm时，由于上部分与大气接触，能够及时为硝化反应提供DO，因此在C/N=2/1 和4/1 时都能达到最好的NH4+-N 去除效果，好于全部淹水状态下的运行水位60 cm 时。处于完全饱和的系统仅能在C/N 处于较低值时达到最佳的NH4+-N 去除效果，运行水位为40 和20 cm 时能及时为硝化反应提供DO，可见微生物的硝化作用是去除NH4+-N 的主要途径，比植物吸收和基质吸附所占的份额更大。综上可知，中低浓度的C/N 进水条件更有利于在垂直潜流人工湿地系统内部形成适宜硝化细菌生长的微环境，而中低运行水位（40 cm 和20 cm）时，系统内非饱和区域面积更大，因而能通过及时的大气复氧提高系统内部的氧含量，为硝化反应提供更加充足的DO，从而提高了NH4+-N 的去除效果。

图2 4种C/N时不同运行水位下的出水口NH4+-N平均去除率Fig.2 NH4+-N average removal rates at the outlet with different operational water levels under condition of four C/N ratios

2.1.2 NO3--N去除率变化

4种C/N时不同运行水位下的出水口NO3--N去除效果如图3所示，4 种C/N 下NO3--N 的去除效果有显著性差异（P=0＜0.05）。在C/N=2/1 时，60、40 和20 cm 3 种运行水位下，出水口处NO3--N 浓度高，去除率较差，均低于20%。这是由于系统中碳源不足限制了反硝化作用的进行，且硝化作用较强限制了NO3--N 的减少及去除［16］。在C/N=4/1 时，40 和60 cm 这两种运行水位下去除率最高，平均去除率分别为（82.84±10.55）%和（82.41±9.78）%，个别取样点去除率达到95%以上；而在运行水位为20 cm 时，平均去除率仅为（56.44±17.99）%。不同运行水位的垂直潜流人工湿地系统对NO3--N 的去除存在显著性差异（P=0.016＜0.05），这主要是因为处于较低的运行水位的湿地系统内部存在的非饱和区域面积更大，提供了好氧环境，促进了硝化作用［17］，导致出水口NO3--N浓度高，去除效果差。C/N=8/1时，运行水位为40 和60 cm 的条件下，NO3--N 平均去除率在62%左右，而运行水位为20 cm 时出水口处NO3--N 的平均去除率约为50%，其去除效率比在C/N=4/1时低，但高于C/N=2/1时，这是由于此时反硝化细菌的活性降低，影响了NO3--N的去除效果［18］。连小莹［19］认为当C/N 较大，有机物浓度过高时已超过反硝化细菌所需碳源，此时C/N 不再作为限制反硝化作用的关键因素，而且过量的碳源使不以NO3--N为电子受体的异养菌大量繁殖，与反硝化细菌竞争生存空间。运行水位为40 cm和60 cm时整体比运行水位为20 cm 时的NO3--N 去除效果好，在C/N=4/1和8/1时差异更明显。可见在低运行水位时，由于好氧区范围较大对反硝化作用产生了抑制。C/N=12/1 时，3 种运行水位下的NO3--N去除效果均较差，均低于55%。在试验中还发现，C/N=8/1 和12/1 时，出水口NO3--N 去除率较低。NO3--N 的去除率随时间波动较大，且前期处理效果比后期好，这可能是由于实验周期不够长，出水口NO3--N浓度还未稳定引起的。从以往的研究来看，适宜反硝化作用的最佳C/N 说法众多，Lin 等［11］认为，C/N =3.5 时，脱氮效果最好，张燕［16］等研究发现随着C/N 的增加，NO3--N 去除率均表现出上升的趋势。可见由于系统工况、内部微生物菌群对碳源的利用情况等不同，最适宜去除NO3--N 的C/N 也不同，而在本研究中C/N=4/1 时NO3--N 的去除率最高。

图3 4种C/N时不同运行水位下的出水口NO3--N平均去除率Fig.3 NO3--N average removal rates at the outlet with different operational water levels under condition of four C/N ratios

2.1.3 TN去除率变化

傅融冰［20］研究认为微生物硝化/反硝化是人工湿地脱氮的主要途径，反硝化过程被认为是人工湿地系统主要的氮去除机制。4 种C/N 时不同运行水位下的出水TN 去除效果随时间的变化如图4所示。经方差分析可知C/N 对TN 的去除效果有显著影响（P=0＜0.05）。C/N=2/1 时，20、40 和60 cm 这3 种运行水位下，出水口TN 平均去除率分别为（62.55±5.56）%、（63.76±4.51）%和（63.15±5.24）%，这主要是因为有机碳源不足而导致的反硝化速率降低，其去除效果排序为40 cm＞60 cm＞20 cm。C/N=4/1 时，碳源的补充使反硝化作用增强，出水口NO3--N 和TN 去除率增大，TN 去除率分别增加到（75.43±6.20）%、（85.92±8.34）%和（81.26±6.49）%，其去除效果排序为40 cm＞60 cm＞20 cm。C/N=8/1 时，出水口TN 平均去除率下降到（72.00±12.05）%、（80.42±11.06）%和（71.07±10.37）%，运行水位在40 cm 时，出水口TN 去除效果最好。C/N=12/1 时，出水口TN 去除效率分别为（74.41±12.35）% 、（70.09±7.94）% 和（70.90±11.93）%。这主要是因为在C/N 较高时，补充的碳源与反硝化细菌脱氮时所需要的碳源是供大于求的关系，不再是限制反硝化速率的关键因素，影响了反硝化速率［19］；另外，C/N 较高时，NH4+-N 的去除也受到了抑制，因此出水口TN 去除效率不会由于有机物浓度的增大而增加。整体看来，运行水位为40 cm 时比60 cm 时的DO更充足，硝化作用更强，且比20 cm 时有更多适宜反硝化菌生长的厌氧环境，所以TN 去除效果最好，其次是运行水位60 cm 时。4 种C/N 时不同运行水位下，NH4+-N 和NO3--N 去除效果的波动引起了出水TN 去除率也随时间波动，在进水氮浓度一定时，适当提高C/N 有利于TN 的去除，但过高的C/N 会抑制NH4+-N 的去除，使TN 的去除效果变差。进一步由图2～图4 可知，C/N 越大3 种氮素的去除率误差线越大，这可能是由于过高的C/N 扰乱了微生物的新陈代谢，微生物菌群的稳定性降低，抵抗冲击负荷的能力降低，导致C/N越大去除率误差线越大，出水浓度变化变大。

图4 4种C/N时不同运行水位下的出水口TN平均去除率Fig.4 TN average removal rates at the outlet with different operational water levels under condition of four C/N ratios

综上所述，在本试验中，C/N=4/1与运行水位为40 cm 时，垂直潜流人工湿地出水口处NH4+-N、NO3--N 和TN 的去除效果最好。C/N 对垂直潜流人工湿地系统中的NH4+-N、NO3--N 和TN去除有显著影响，而运行水位对垂直潜流人工湿地系统中NH4+-N和NO3--N的去除有显著影响。

2.2 氮素沿程变化特征

在4种C/N 条件下，运行水位为60 cm 的垂直潜流人工湿地系统距底部50、30 cm和出水口处以及运行水位为40 cm时距底部30 cm 及出水口处的NH4+-N、NO3--N 和TN 浓度随时间的变化如图5～7所示。运行水位为60 cm 和40 cm 时，C/N=2/1 和4/1时，沿程的NH4+-N 的去除效果优于C/N=8/1 和12/1 时。C/N=4/1 时，沿程的NO3--N、TN 去除效果在4 种C/N 条件下均为最优，原因在上一节已经探讨，此处不再赘述。由图5（a）可知，运行水位为60 cm 时（完全淹水状态），四种C/N 条件下NH4+-N 的浓度随取样高度的降低呈阶梯状递减；这是因为植物根系长度有限，植物对NH4+-N 的吸收作用随着装置深度的增加而减弱，在装置下部基质的吸附和微生物的硝化作用起主要影响［21］，因此装置内部去除效果有所下降；由图5（b）可知，运行水位为40 cm时，NH4+-N 浓度在30 cm 和出水口处很接近且远低于进水浓度，C/N=2/1 和4/1 时，30 cm 取样口的NH4+-N 平均浓度仅为（0.65±0.41）mg/L 和（0.55±0.22）mg/L，说明此运行水位下NH4+-N 的去除主要发生在30 cm 以上；由于此运行水位下，垂直潜流人工湿地上部处于落空状态，形成好氧区，充足的DO使硝化作用增强，硝化细菌在装置上部大量繁殖，使大部分的NH4+-N 在装置上部得到去除［22］。由图6 整体来看，运行水位为60 cm 和40 cm 时，从沿程浓度变化来看，两种运行水位下的NO3--N 去除都主要发生在装置上部：运行水位为60 cm，C/N=2/1 时，50 cm 取样口、30 cm 取样口和出水口的NO3--N 浓度非常接近，50 cm 和出水口处很接近且远低于进水口NO3--N 浓度；随着C/N的增大，50 cm 取样口至出水口NO3--N 浓度递减，但变化幅度小于进水口至50 cm 取样口时的变化；这是因为碳源的增加提高了装置下部的反硝化作用；运行水位为40 cm 时，30 cm 取样口和出水口的NO3--N 浓度非常接近，30 cm 取样口和出水口处很接近且远低于进水口NO3--N 浓度。这是因为在装置上部此时植物的吸收作用和微生物的硝化作用对NO3--N 的去除起主要作用，随着取样高度的降低植物根随着系无法作用到装置内部，因此影响了NO3--N 的去除。由图7 可知，运行水位为60 cm，4 种C/N 条件下，TN 的浓度随取样高度的降低呈阶梯状递减；运行水位为40 cm 时，TN 浓度在30 cm 和出水口处很接近且远低于进水浓度，此时TN 的去除主要受制于NH4+-N 和NO3--N的去除效果。

图5 4种C/N时不同运行水位下沿程NH4+-N平均浓度变化Fig.5 NH4+-N average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

图6 4种C/N时不同运行水位下沿程NO3--N平均浓度变化Fig.6 NO3--N average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

图7 4种C/N时不同运行水位下沿程TN平均浓度变化Fig.7 TN average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

3 结论

（1）C/N 对垂直潜流人工湿地系统中的NH4+-N、NO3--N 和TN 去除有显著影响，C/N=4/1，60、40 和20 cm 3 种运行水位时，NH4+-N、NO3--N和TN在沿程取样点去除率均最高，此时为最优C/N。

（2）运行水位对垂直潜流人工湿地系统中NH4+-N 和NO3--N的去除有显著影响。C/N=4/1，运行水位为40 cm时，出水口处脱氮效果最佳，此时NH4+-N 去除率达到（98.16±1.10）%，NO3--N去除率达到（82.84±10.55）%，TN去除率达到（85.92±8.34）%。

（3）当垂直潜流人工湿地系统完全饱和即运行水位为60 cm 时，4 种C/N 条件下，NH4+-N、NO3--N 和TN 的去除主要发生在垂直潜流人工湿地的上部50～60 cm，而后NH4+-N 和TN 的浓度随着取样高度的降低呈阶梯递减的趋势；NO3--N的浓度沿程变化在C/N=2/1 时较小，而在C/N=4/1，8/1 和12/1 时随着取样高度的降低呈阶梯递减的趋势。

（4）当垂直潜流人工湿地系统半落空即运行水位为40 cm时，氮素的去除主要发生在上部30～40 cm，30 cm 至出水口处三氮浓度变化较小。并且沿程（包括30 cm 和出水口处）三氮浓度变化都较60 cm 时稳定，在实际工程应用中适当降低垂直潜流人工湿地运行水位可提高出水稳定性。□