利用不同物候期水生植物配置提高浮床人工濕地的除氮效果*

張 惠，汪鵬合，張文娟，左 杰，鄒祥旭,季 軍，安樹青,3，趙德華

(1：南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210046) (2：洪澤縣清盈尾水濕地管理有限公司，淮安 223001) (3：南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，常熟 215500)

利用不同物候期水生植物配置提高浮床人工濕地的除氮效果*

張 惠1，汪鵬合1，張文娟1，左 杰1，鄒祥旭1,季 軍2，安樹青1,3，趙德華1

(1：南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南京 210046) (2：洪澤縣清盈尾水濕地管理有限公司，淮安 223001) (3：南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，常熟 215500)

為驗(yàn)證利用不同物候期水生植物配置提高碳氮比失衡濕地脫氮能力的可行性，設(shè)計(jì)了向水芹菜(Oenanthejavanica)浮床人工濕地系統(tǒng)中添加輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)的實(shí)驗(yàn)，研究了在秋、冬季低溫條件下，暖季型植物分解釋碳對(duì)系統(tǒng)氮去除效果的影響. 結(jié)果表明，添加輪葉黑藻顯著提高了系統(tǒng)水體碳氮比，促進(jìn)反硝化作用，提高總氮和硝態(tài)氮的去除率. 在4個(gè)周期中，與對(duì)照組相比，物候期組合型浮床人工濕地系統(tǒng)的總氮去除率分別提升23.03%、10.90%、18.55%和22.93%，硝態(tài)氮去除率分別提升38.28%、20.74%、17.87%和17.06%. 由此可見，利用暖季型和冷季型植物配置提高碳氮比失衡濕地氮去除率是可行的.

浮床人工濕地；水芹菜；輪葉黑藻；碳氮比；氮去除

人工濕地是一種利用基質(zhì)、水體、植物及微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污水高效凈化的系統(tǒng)[1]，以其廉價(jià)性、高效性、生態(tài)化、可以因地制宜地構(gòu)建及易于分散化處理等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各類污、廢水的處理[2-5]. 然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，人工濕地的氮去除率差異很大，從30%～90%以上不等[6]. 在以脫氮為主要目的的人工濕地中，碳源不足往往構(gòu)成濕地脫氮的主要限制性因素[7-8].

研究表明添加碳源可以有效提高人工濕地的脫氮效率[7,9]；而植物作為一種天然纖維素原料，因其低成本、可再生和可用性廣泛等特點(diǎn)，成為外加碳源的良好選擇[10]. Ingersoll等[11]以切碎后的香蒲作為反硝化碳源，發(fā)現(xiàn)碳源添加系統(tǒng)的脫氮效果是對(duì)照系統(tǒng)的10倍. 對(duì)垂直流人工濕地小試模型的研究也表明植物秸稈添加使得系統(tǒng)總氮(TN)去除率從44%左右提高到了53%～66%[12]. Shao等[13]和孫雅麗等[14]也報(bào)道了以植物生物質(zhì)作為反硝化碳源對(duì)潛流濕地系統(tǒng)硝酸鹽去除的促進(jìn)作用.

但是，植物碳源的效果受添加方式、添加量和添加時(shí)機(jī)的影響極大，已有研究多針對(duì)潛流濕地系統(tǒng)，且大多使用預(yù)處理的植物作為碳源，這不但增加了成本，同時(shí)也提高了額外的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[9,15]. 對(duì)于低污染負(fù)荷、碳氮比(C/N)失衡的濕地而言，對(duì)系統(tǒng)的植物群落進(jìn)行優(yōu)化配置可能是一種更好的解決方案：利用冷季型植物在春、夏季和暖季型植物在秋、冬季的凋亡分解及碳源釋放，調(diào)節(jié)系統(tǒng)水體的C/N比，進(jìn)而克服系統(tǒng)氮去除率低的問題. 如被證實(shí)可行，這將是一種更為生態(tài)化的解決方案. 盡管目前在植物碳源添加對(duì)人工濕地凈化效率的影響和自然條件下植物材料的分解過程兩個(gè)方面已有大量的研究報(bào)道[16-20]，但是鮮有研究將這兩個(gè)方面結(jié)合起來(lái)，利用不同植物物候期的交替構(gòu)建物候期組合型浮床濕地系統(tǒng)進(jìn)行污水凈化的研究尚未見報(bào)道.

因此，本研究設(shè)計(jì)了暖季型植物輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)和冷季型植物水芹菜(Oenanthejavanica)組合配置的浮床人工濕地系統(tǒng)，研究了輪葉黑藻在秋、冬季凋亡分解過程中對(duì)系統(tǒng)除氮效果的影響，旨在驗(yàn)證物候期組合型浮床人工濕地系統(tǒng)提升C/N比失衡水體氮去除率的可行性，為人工濕地生態(tài)凈化工程提供理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 浮床人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental model of floating-bed constructed wetland

以白色塑料長(zhǎng)桶(長(zhǎng)×寬×高=1.9 m×1.1 m×0.6 m)作為容器模擬表面流人工濕地單元(圖1)，設(shè)置4個(gè)處理組(LN組：貧營(yíng)養(yǎng)水體+水芹菜；LA組：貧營(yíng)養(yǎng)水體+水芹菜+輪葉黑藻、HN組：富營(yíng)養(yǎng)水體+水芹菜、HA組：富營(yíng)養(yǎng)水體+水芹菜+輪葉黑藻)，每處理組含3個(gè)重復(fù)單元，共12個(gè)浮床人工濕地系統(tǒng)單元. 以HCFC500生態(tài)浮床(500 mm×500 mm×65 mm，每個(gè)浮床有9個(gè)栽植孔，孔徑8 cm)作為水芹的生長(zhǎng)載體，每個(gè)濕地系統(tǒng)6塊浮床共54筐浮床植物，占整個(gè)濕地單元表面積的72%，每個(gè)系統(tǒng)每筐水芹的初始生長(zhǎng)狀況和生物量基本一致，各單元水位設(shè)定為0.4 m. 物候期組合型系統(tǒng)中輪葉黑藻栽植于小花盆中(內(nèi)口直徑27.9 cm，底部直徑18.5 cm，高20.9 cm，內(nèi)部填充10 cm高的細(xì)沙以固定輪葉黑藻)，每個(gè)系統(tǒng)10盆，均勻分布在濕地單元中，平均每盆輪葉黑藻干重約38.17～38.33 g，每個(gè)系統(tǒng)總生物量為381.73～383.34 g(干重).

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用的浮床植物水芹菜為一種國(guó)內(nèi)常見的冷季型水生植物，具有耐低溫、高生物量、可重復(fù)收割等特點(diǎn)，適合浮床人工濕地. 作為暖季型植物的輪葉黑藻取自附近水塘，經(jīng)過清水凈化培養(yǎng)15 d后移栽至小花盆，再移入人工濕地單元.

1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀況

圖2 水溫隨時(shí)間的變化Fig.2 Changes of water temprature over time

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，水體pH值在8.09～10.45之間波動(dòng)，水溫逐漸降低(圖2). 在10月24日-11月23日期間，水溫從21℃逐漸降至10℃；11月28日迅速降至5℃以下，之后一直在5℃左右波動(dòng).

1.4 主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

同時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)取3筐水芹菜，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[21]檢測(cè)濕地植物根系活力，并及時(shí)補(bǔ)充水芹菜以保持植株密度不變；組合型系統(tǒng)每個(gè)系統(tǒng)取1盆輪葉黑藻，洗凈后烘干稱重估算組合型系統(tǒng)中輪葉黑藻生物量變化.

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行One-way ANOVA分析，顯著性水平設(shè)為0.05，采用OriginPro 8.0軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 暖季型植物分解及碳源溶出過程

2.1.1 輪葉黑藻分解過程中生物量的變化 根據(jù)輪葉黑藻生物量的變化，可以將其凋亡分解過程分為兩個(gè)階段：前兩個(gè)周期干重迅速下降，為快速分解期，LA、HA處理組分別下降181.94和182.08 g；第3、4周期，輪葉黑藻干重減少緩慢，為緩慢分解期，LA、HA兩組分別下降36.78和35.53 g(圖3a). 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，輪葉黑藻剩余干重為初始時(shí)的43%，分解掉超過自身一半的物質(zhì). 這表明在實(shí)驗(yàn)前期溫度較高，輪葉黑藻分解迅速，可為濕地系統(tǒng)提供較多的碳源，而隨著溫度的降低，分解減慢，提供碳源能力下降.

2.1.2 水體COD濃度及C/N比隨時(shí)間的變化 各處理組水體COD初始濃度基本一致，平均為16.63 mg/L. 實(shí)驗(yàn)期間，LN組的水體COD值略有上升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為20.33 mg/L；LA、HN、HA組的水體COD濃度上升明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，3組處理分別達(dá)到38.83、31.46和36.04 mg/L. 每個(gè)周期LA、HA組水體的COD濃度均分別高于LN、HN組(圖3b)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，在前3個(gè)周期中，LA、LN、HA與HN組兩兩之間COD濃度均差異極顯著(P<0.01)，在第4周期時(shí)均差異顯著(P<0.05).

圖3 輪葉黑藻剩余干重(a)及水體COD濃度(b)的變化 Fig.3 Changes of residual dry biomass of Hydrilla verticillata (a) and COD concentration of water (b)

實(shí)驗(yàn)期間，LN與LA組水體平均C/N比除第3周期外均存在極顯著差異(P<0.01)，且LA組是LN組的1.35～4.32倍. HN與HA組水體平均C/N比4個(gè)周期均存在極顯著差異(P<0.01)，HA組是HN組的1.68～2.36倍(表1). 表明輪葉黑藻分解達(dá)到了提高系統(tǒng)內(nèi)COD濃度和改善C/N比的預(yù)期目標(biāo)，但其改善作用在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1個(gè)月后迅速下降.

表1 各周期LN、LA、HN、HA組水體平均C/N比

**分別表示同一周期的LN與LA組、HN與HA組水體C/N比差異極顯著(P<0.01，n=3).

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的4個(gè)周期中，HN組的TN去除率分別為50.61%、36.49%、12.53%和5.64%，HA組分別為73.64%、47.39%、31.08%和28.57%(圖5a). 各個(gè)周期HA組的TN去除率均極顯著高于HN組(P<0.01).

2.3 不同處理組水體溶解氧濃度和浮床植物根系活力的變化

LA、HA組水體溶解氧濃度在第1周期顯著下降(P<0.01)，LN、HN組基本無(wú)變化(圖6a). 第1、2周期結(jié)束時(shí)，LA組水體溶解氧濃度分別為4.21和6.43 mg/L，顯著低于LN組(分別為7.99和10.53 mg/L)；同樣，HA組在1、2周期結(jié)束時(shí)水體溶解氧濃度分別為4.61和7.08 mg/L，顯著低于HN組(分別為9.58和8.77 mg/L). 后期各個(gè)處理組的水體溶解氧濃度均上升， 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(12月22日)LN、LA、HN、HA 4個(gè)處理組的水體溶氧量濃度分別為13.20、12.68、12.35 和12.35 mg/L，處理組間差異不顯著(P>0.05). 表明在實(shí)驗(yàn)前期，添加輪葉黑藻可引起系統(tǒng)內(nèi)溶解氧濃度的下降，而實(shí)驗(yàn)后期隨著輪葉黑藻分解速度的下降，對(duì)系統(tǒng)中溶解氧濃度的影響逐漸減小.

圖4 各周期LN和LA組中和濃度變化groups during each cycle

圖5 各周期HN和HA組中的初始濃度和平均去除率(同一周期**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)，NS表示差異不顯著(n=3))Fig.5 Initial concentrations and average removal

隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，各個(gè)處理組水芹菜根系活力總體呈下降趨勢(shì)(圖6b). 其中，LN組的根系活力在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為31.73 μg/(g·2h)；LA組水芹菜根系活力在前兩個(gè)周期迅速下降，隨后下降速度逐漸減緩，且每個(gè)周期都低于LN組，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為26.67 μg/(g·2h)；HN組在第1周期較初始值有所上升，之后逐漸下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為63.73 μg/(g·2h)；HA組的變化趨勢(shì)與LA組相似，且每個(gè)周期都低于HN組，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為35.2 μg/(g·2h). 這表明添加輪葉黑藻可引起水芹菜根系活力的下降.

圖6 各周期各處理組水體溶解氧濃度(a)和水芹菜根系活力(b)的變化Fig.6 Changes of dissolved oxygen concentration of water (a) and root activity of Oenanthe javanica (b) of different groups during each cycle

3 討論

植物在凋亡過程中，會(huì)釋放大量有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體有機(jī)碳濃度增加. 葉春等[22]的室內(nèi)模擬研究發(fā)現(xiàn)，黑藻在腐解早期會(huì)導(dǎo)致水體總有機(jī)碳濃度迅速上升，整個(gè)過程總有機(jī)碳釋放率為81.31%；甘蔗渣在固液比1∶80水解時(shí)，COD釋放量可達(dá)45.45 mg/L[18]；謝理等[23]研究了成熟期挺水植物茭草和蘆葦?shù)娜~在水環(huán)境中的降解過程，指出植物樣品干重添加量為28.6 g/L時(shí)，分解前期(0～8 h)茭草和蘆葦溶解性有機(jī)碳釋放量分別可以達(dá)到1249.8和1364.4 mg/L. 本研究所選用的碳源植物輪葉黑藻喜溫、耐熱，其生長(zhǎng)期可以從每年的3月持續(xù)到11月，之后植株開始衰亡、解體[24]. 實(shí)驗(yàn)開始時(shí)輪葉黑藻剛進(jìn)入衰亡期，4個(gè)周期內(nèi)物候期組合型系統(tǒng)的水體COD值遠(yuǎn)高于對(duì)照系統(tǒng)，說(shuō)明輪葉黑藻在秋、冬季衰亡期的分解能夠釋放大量的有機(jī)物，可以作為外加碳源提高系統(tǒng)的有機(jī)碳濃度. 對(duì)比LN與LA兩處理組水體氮濃度的變化可知，輪葉黑藻分解未引起系統(tǒng)水體氮污染.

同時(shí)，輪葉黑藻在凋亡分解過程中消耗了水體的溶解氧，導(dǎo)致物候期組合型系統(tǒng)的水體溶解氧濃度在第1、2周期顯著低于對(duì)照系統(tǒng)，這與張菊等[42]的研究結(jié)果一致. 水體中溶解氧的多少是衡量水體自凈能力的一個(gè)指標(biāo). 低溶解氧濃度可以提供還原環(huán)境，能夠增加與纖維素、半纖維素降解有關(guān)的胞外酶的累積量，促進(jìn)植物生物質(zhì)分解釋放有機(jī)碳[43]；有利于含亞硝態(tài)氮還原酶細(xì)菌及含氮氧化物還原酶細(xì)菌的生長(zhǎng)，提高濕地反硝化速率[44-45]. 而硝化過程是一個(gè)需氧過程，研究表明將1 g氨氮氧化為硝酸根需消耗4.6 g氧氣，溶解氧濃度達(dá)到1 mg/L才能滿足氨氧化的需要[46]. 在當(dāng)前研究中，物候期組合型系統(tǒng)中水體溶解氧濃度在第1周期結(jié)束時(shí)達(dá)到最低值4.21 mg/L，高于硝化反應(yīng)發(fā)生的先決條件，同時(shí)各周期內(nèi)較高的氨氮去除率也說(shuō)明輪葉黑藻分解耗氧未對(duì)硝化反應(yīng)造成不利影響. 但系統(tǒng)水體溶解氧不足會(huì)對(duì)浮床植物的根部呼吸造成負(fù)面影響，進(jìn)而降低植物根系活力，影響植物生長(zhǎng)速率[47-48]. 在當(dāng)前研究中，組合型系統(tǒng)中水芹菜的根系活力普遍更低，這和輪葉黑藻分解消耗水體溶解氧，導(dǎo)致水芹菜根系吸收所需能量的供應(yīng)不足有關(guān). 植物對(duì)濕地凈化過程有多方面的影響，一方面可以通過直接吸收去除水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在我們先前的研究中發(fā)現(xiàn)，冬季水芹菜吸收的氮占TN去除的15.01%[49]；另一方面還可以通過為微生物生長(zhǎng)提供附著面以及通過根系新陳代謝和有機(jī)物分泌為反硝化微生物提供碳源和能量，從而影響系統(tǒng)的氮去除效果[50-51]，有研究指出，植物與濕地系統(tǒng)中其他因子的協(xié)同作用對(duì)濕地TN去除率的貢獻(xiàn)達(dá)47%[52]. 因此，輪葉黑藻分解耗氧降低植物根系活力也會(huì)間接影響植物在濕地凈化中的貢獻(xiàn). 在當(dāng)前研究的后期，各個(gè)系統(tǒng)的水體溶解氧濃度均呈上升趨勢(shì)，這可能與后期輪葉黑藻分解逐漸減弱、耗氧減少[22]以及溫度降低、水體中氧氣的溶解度增加有關(guān)[53].

綜上所述，通過暖季型和冷季型植物的合理配置可以達(dá)到緩解C/N比失衡濕地秋、冬季碳源不足和提高系統(tǒng)氮去除率的效果，暖季型植物在秋、冬季的分解可以向浮床人工濕地系統(tǒng)補(bǔ)充碳源，提高系統(tǒng)C/N比，促進(jìn)反硝化作用. 但暖季型植物的過量分解會(huì)對(duì)濕地水體溶解氧濃度及冷季型植物的根系活力產(chǎn)生不利影響. 因此作為外加碳源的暖季型植物的投加方式和投加量還需進(jìn)一步研究.

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Improving nitrogen removal by phenophase arrangement of aquatic macrophyte species in the floating-bed constructed wetland

ZHANG Hui1, WANG Penghe1, ZHANG Wenjuan1, ZUO Jie1, ZOU Xiangxu1, JI Jun2, AN Shuqing1,3& ZHAO Dehua1**

(1:SchoolofLifeScience,NanjingUniversity,Nanjing210046,P.R.China) (2:QingyingTailWaterWetlandManagementLimitedCompanyofHongzeCounty,Huaian223001,P.R.China) (3:EcologyResearchInstituteofChangshu,NanjingUniversity,Changshu215500,P.R.China)

The main objective of this study is to identify the feasibility of improving the nitrogen removal efficiency in low C/N wetlands by arranging aquatic macrophyte species with different phonological characteristics. We conducted a pilot experiment, adding warm-season species ofHydrillaverticillatato cold-season species ofOenanthejavanicaat a floating-bed constructed wetland system (FCW), in order to quantify the effects of the decomposition of the warm-season macrophyte residue on the nitrogen removal efficiency under the condition of low temperature during autumn and winter seasons. The results showed that the adding ofH.verticillatasignificantly increased the C/N ratios in the organic carbon shortage systems of FCW, and thus improved total nitrogen and nitrate nitrogen removal efficiency due to stimulating denitrification activities. During the four cycle periods of the phenophase-combined FCW, compared with the control group, the removal efficiency of total nitrogen in each period was increased by 23.03%, 10.90%, 18.55% and 22.93% respectively, and the removal efficiency of nitrate nitrogen was increased by 38.28%, 20.74%, 17.87% and 17.06%, respectively. Therefore we conclude that it is feasible to improve the nitrogen removal efficiency by re-arrangement of warm and cool season plants in the low C/N wetlands.

Floating-bed constructed wetland;Oenanthejavanica;Hydrillaverticillata; C/N ratios; nitrogen removal

；E-mail: dhzhao@nju.edu.cn.

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07204-002)資助. 2016-06-14收稿；2016-09-08收修改稿. 張惠(1991～)，女，碩士研究生；E-mail: tofurther@163.com.