進(jìn)水C/N與運(yùn)行水位對垂直潛流人工濕地脫氮的影響

馬 越，童菊秀，馬艷寶，席天一

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083）

0 引言

工業(yè)廢水、生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染的大量排放造成了嚴(yán)重的水體污染問題，這些污水中普遍含氮較高，所以除氮是治理污水的一項(xiàng)重要工作［1，2］。垂直潛流人工濕地是人工濕地的一種類型，其系統(tǒng)中的污水以垂直流的方式流過濕地，對氮含量較高的污水有很好的去除效果［3］。前人對垂直潛流人工濕地中基質(zhì)、植物和微生物等脫氮的影響因素做了充分的研究［4-7］，但對外界影響因素特別是水力學(xué)相關(guān)因素的研究相對較少。在實(shí)際工程應(yīng)用中，控制水力學(xué)條件是提高脫氮效果的有效手段［8］，運(yùn)行水位作為一個重要變量對其脫氮影響意義重大［9］，前人研究了運(yùn)行水位對水平流人工濕地去氮效果的影響［8-10］，但很少考慮其對垂直潛流人工濕地的影響。碳源作為反硝化過程的電子供體，濕地系統(tǒng)中碳源的多少直接影響氮的去除，因此碳氮比（COD/TN）被認(rèn)為是影響氮素去除效果的關(guān)鍵因素［11］，也是近年研究的熱點(diǎn)問題。朱文玲等［12］利用模擬垂直潛流人工濕地研究了總氮（TN）的脫氮效果，結(jié)果表明C/N 為1/1和3/1 時TN 的去除效果最好，但是沒有考慮運(yùn)行水位的影響，也沒有考慮銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）的去除效果。申彥冰［13］研究了C/N 小于1時垂直潛流人工濕地的脫氮效果影響，沒有考慮運(yùn)行水位與C/N大于1的影響。控制適宜的C/N和運(yùn)行水位是提高垂直潛流人工濕地脫氮效果的重要舉措。所以本文以模擬垂直潛流人工濕地為研究對象，探討C/N 大于1的四種情況下，分別處于完全淹水、半落空、幾乎完全落空的三種不同運(yùn)行水位對垂直潛流人工濕地內(nèi)部脫氮效果的影響，得到最佳脫氮效果的優(yōu)化組合，為垂直潛流人工濕地脫氮研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

本研究以野外試驗(yàn)為主，試驗(yàn)場地選擇在湖北省荊門市京山市屈家?guī)X管理區(qū)武漢大學(xué)農(nóng)谷試驗(yàn)基地，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨，結(jié)冰期短，四季分明，南北方的主要作物大都可以正常生長［14］。

本次試驗(yàn)中的模擬垂直潛流人工濕地反應(yīng)池有6 組，尺寸均為100 cm（長）×50 cm（寬）×70 cm（高），見圖1。反應(yīng)池的有效裝填高度為60 cm，分兩層，在池底10 cm 鋪設(shè)卵石作為排水層，其上部裝填50 cm 高度，粒徑為4～8 mm 的沸石作為凈化主體，在裝置側(cè)面距底部10 cm 處打孔作為出水口，同樣高度不同位置安裝虹吸軟管來控制運(yùn)行水位。在濕地系統(tǒng)上部栽種石菖蒲凈化植物，種植密度為20 株/m2，根系深度在5～10 cm之間。為探究不同運(yùn)行水位下垂直潛流人工濕地系統(tǒng)沿程脫氮的特性，將六組垂直潛流人工濕地模擬裝置分為兩組，每組中三個裝置分別設(shè)置其運(yùn)行水位為60（處于完全淹水狀態(tài)）、40、20 cm。為監(jiān)測濕地內(nèi)部沿程氮素去除的效果，運(yùn)行水位60 cm 裝置在距底部50、30 cm 處增加取樣，運(yùn)行水位40 cm 裝置在30 cm處增加取樣，運(yùn)行水位20 cm時不增加取樣。

圖1 垂直潛流人工濕地試驗(yàn)裝置示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of vertical subsurface flow constructed wetland

試驗(yàn)在2020年10月至12月期間進(jìn)行，此時正值秋季，試驗(yàn)氣溫在10～20 ℃之間，氣候濕潤溫和。濕地裝置系統(tǒng)采用下行潛流布水方式，使污水從基質(zhì)層表面滲流至底部，在試驗(yàn)過程中始終保持各裝置連續(xù)進(jìn)水，選擇葡萄糖作為進(jìn)水碳源，設(shè)置2/1、4/1、8/1、12/1 四種C/N 濃度梯度，進(jìn)出水流速控制為70 mL/min，水力停留時間為1.3 d。每次試驗(yàn)開展21 d，初始條件相同，并保持進(jìn)水中氮濃度不變，試驗(yàn)進(jìn)水參照中等濃度污水標(biāo)準(zhǔn)配制，4 種C/N 下進(jìn)水濃度范圍見表1。每次取得水樣后測定NH4+-N、NO3--N 和TN 的濃度，化學(xué)需氧量COD 采用重鉻酸鉀氧化法測定，NH4+-N 采用納氏試劑比色法測定，NO3--N 采用紫外分光光度法測定，TN 采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定。采用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析，設(shè)差異顯著水平為P＜0.05。

表1 試驗(yàn)進(jìn)水平均濃度 mg/LTab.1 Average concentrations of influent water in experiments

2 結(jié)果與討論

2.1 不同C/N與運(yùn)行水位下氮素去除率

2.1.1 NH4+-N去除率變化

4種C/N時不同運(yùn)行水位下出水口處NH4+-N去除效果隨時間的變化如圖2所示。方差分析顯示，C/N 和運(yùn)行水位均對NH4+-N 去除有顯著性影響（P=0＜0.05），在C/N=2/1，運(yùn)行水位為20、40 和60 cm 時，NH4+-N 的去除效果均達(dá)到最佳，分別為（98.02±1.0）%、（98.06±1.46）%、（95.44±2.28）%，平均去除率都達(dá)到95%以上。運(yùn)行水位為60 cm 時，NH4+-N 的去除率隨著C/N 的增加而降低，C/N=12/1 時達(dá)到最低（74.67±8.0）%。而運(yùn)行水位為20 cm 和40 cm 時，在C/N=4/1 時仍能達(dá)到很好的去除效果，去除率分別為（97.12±1.75）%和（98.16±1.10）%；之后隨著C/N 的增加去除率降低，C/N=12/1 時達(dá)到最低，分別為（77.60±5.09）%和（74.67±8.02）%。陳慶昌［15］認(rèn)為，隨著C/N 的增大，NH4+-N 的去除效果明顯下降，C/N 的提高使系統(tǒng)中的硝化作用過程受到抑制。在本試驗(yàn)中，由于進(jìn)水中氮素濃度始終保持一定，因此C/N越高，表示進(jìn)水中有機(jī)物濃度越大。而在垂直潛流人工濕地中，硝化作用受溶解氧（DO）濃度的影響很大，隨著碳源濃度的增加，有限的DO很難同時滿足硝化需氧量OD和有機(jī)物去除OD，NH4+-N 去除效果下降［16］。運(yùn)行水位為40 和20 cm時，由于上部分與大氣接觸，能夠及時為硝化反應(yīng)提供DO，因此在C/N=2/1 和4/1 時都能達(dá)到最好的NH4+-N 去除效果，好于全部淹水狀態(tài)下的運(yùn)行水位60 cm 時。處于完全飽和的系統(tǒng)僅能在C/N 處于較低值時達(dá)到最佳的NH4+-N 去除效果，運(yùn)行水位為40 和20 cm 時能及時為硝化反應(yīng)提供DO，可見微生物的硝化作用是去除NH4+-N 的主要途徑，比植物吸收和基質(zhì)吸附所占的份額更大。綜上可知，中低濃度的C/N 進(jìn)水條件更有利于在垂直潛流人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部形成適宜硝化細(xì)菌生長的微環(huán)境，而中低運(yùn)行水位（40 cm 和20 cm）時，系統(tǒng)內(nèi)非飽和區(qū)域面積更大，因而能通過及時的大氣復(fù)氧提高系統(tǒng)內(nèi)部的氧含量，為硝化反應(yīng)提供更加充足的DO，從而提高了NH4+-N 的去除效果。

圖2 4種C/N時不同運(yùn)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去除率變化

4種C/N時不同運(yùn)行水位下的出水口NO3--N去除效果如圖3所示，4 種C/N 下NO3--N 的去除效果有顯著性差異（P=0＜0.05）。在C/N=2/1 時，60、40 和20 cm 3 種運(yùn)行水位下，出水口處NO3--N 濃度高，去除率較差，均低于20%。這是由于系統(tǒng)中碳源不足限制了反硝化作用的進(jìn)行，且硝化作用較強(qiáng)限制了NO3--N 的減少及去除［16］。在C/N=4/1 時，40 和60 cm 這兩種運(yùn)行水位下去除率最高，平均去除率分別為（82.84±10.55）%和（82.41±9.78）%，個別取樣點(diǎn)去除率達(dá)到95%以上；而在運(yùn)行水位為20 cm 時，平均去除率僅為（56.44±17.99）%。不同運(yùn)行水位的垂直潛流人工濕地系統(tǒng)對NO3--N 的去除存在顯著性差異（P=0.016＜0.05），這主要是因?yàn)樘幱谳^低的運(yùn)行水位的濕地系統(tǒng)內(nèi)部存在的非飽和區(qū)域面積更大，提供了好氧環(huán)境，促進(jìn)了硝化作用［17］，導(dǎo)致出水口NO3--N濃度高，去除效果差。C/N=8/1時，運(yùn)行水位為40 和60 cm 的條件下，NO3--N 平均去除率在62%左右，而運(yùn)行水位為20 cm 時出水口處NO3--N 的平均去除率約為50%，其去除效率比在C/N=4/1時低，但高于C/N=2/1時，這是由于此時反硝化細(xì)菌的活性降低，影響了NO3--N的去除效果［18］。連小瑩［19］認(rèn)為當(dāng)C/N 較大，有機(jī)物濃度過高時已超過反硝化細(xì)菌所需碳源，此時C/N 不再作為限制反硝化作用的關(guān)鍵因素，而且過量的碳源使不以NO3--N為電子受體的異養(yǎng)菌大量繁殖，與反硝化細(xì)菌競爭生存空間。運(yùn)行水位為40 cm和60 cm時整體比運(yùn)行水位為20 cm 時的NO3--N 去除效果好，在C/N=4/1和8/1時差異更明顯?？梢娫诘瓦\(yùn)行水位時，由于好氧區(qū)范圍較大對反硝化作用產(chǎn)生了抑制。C/N=12/1 時，3 種運(yùn)行水位下的NO3--N去除效果均較差，均低于55%。在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，C/N=8/1 和12/1 時，出水口NO3--N 去除率較低。NO3--N 的去除率隨時間波動較大，且前期處理效果比后期好，這可能是由于實(shí)驗(yàn)周期不夠長，出水口NO3--N濃度還未穩(wěn)定引起的。從以往的研究來看，適宜反硝化作用的最佳C/N 說法眾多，Lin 等［11］認(rèn)為，C/N =3.5 時，脫氮效果最好，張燕［16］等研究發(fā)現(xiàn)隨著C/N 的增加，NO3--N 去除率均表現(xiàn)出上升的趨勢?？梢娪捎谙到y(tǒng)工況、內(nèi)部微生物菌群對碳源的利用情況等不同，最適宜去除NO3--N 的C/N 也不同，而在本研究中C/N=4/1 時NO3--N 的去除率最高。

圖3 4種C/N時不同運(yùn)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去除率變化

傅融冰［20］研究認(rèn)為微生物硝化/反硝化是人工濕地脫氮的主要途徑，反硝化過程被認(rèn)為是人工濕地系統(tǒng)主要的氮去除機(jī)制。4 種C/N 時不同運(yùn)行水位下的出水TN 去除效果隨時間的變化如圖4所示。經(jīng)方差分析可知C/N 對TN 的去除效果有顯著影響（P=0＜0.05）。C/N=2/1 時，20、40 和60 cm 這3 種運(yùn)行水位下，出水口TN 平均去除率分別為（62.55±5.56）%、（63.76±4.51）%和（63.15±5.24）%，這主要是因?yàn)橛袡C(jī)碳源不足而導(dǎo)致的反硝化速率降低，其去除效果排序?yàn)?0 cm＞60 cm＞20 cm。C/N=4/1 時，碳源的補(bǔ)充使反硝化作用增強(qiáng)，出水口NO3--N 和TN 去除率增大，TN 去除率分別增加到（75.43±6.20）%、（85.92±8.34）%和（81.26±6.49）%，其去除效果排序?yàn)?0 cm＞60 cm＞20 cm。C/N=8/1 時，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）%，運(yùn)行水位在40 cm 時，出水口TN 去除效果最好。C/N=12/1 時，出水口TN 去除效率分別為（74.41±12.35）% 、（70.09±7.94）% 和（70.90±11.93）%。這主要是因?yàn)樵贑/N 較高時，補(bǔ)充的碳源與反硝化細(xì)菌脫氮時所需要的碳源是供大于求的關(guān)系，不再是限制反硝化速率的關(guān)鍵因素，影響了反硝化速率［19］；另外，C/N 較高時，NH4+-N 的去除也受到了抑制，因此出水口TN 去除效率不會由于有機(jī)物濃度的增大而增加。整體看來，運(yùn)行水位為40 cm 時比60 cm 時的DO更充足，硝化作用更強(qiáng)，且比20 cm 時有更多適宜反硝化菌生長的厭氧環(huán)境，所以TN 去除效果最好，其次是運(yùn)行水位60 cm 時。4 種C/N 時不同運(yùn)行水位下，NH4+-N 和NO3--N 去除效果的波動引起了出水TN 去除率也隨時間波動，在進(jìn)水氮濃度一定時，適當(dāng)提高C/N 有利于TN 的去除，但過高的C/N 會抑制NH4+-N 的去除，使TN 的去除效果變差。進(jìn)一步由圖2～圖4 可知，C/N 越大3 種氮素的去除率誤差線越大，這可能是由于過高的C/N 擾亂了微生物的新陳代謝，微生物菌群的穩(wěn)定性降低，抵抗沖擊負(fù)荷的能力降低，導(dǎo)致C/N越大去除率誤差線越大，出水濃度變化變大。

圖4 4種C/N時不同運(yùn)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

綜上所述，在本試驗(yàn)中，C/N=4/1與運(yùn)行水位為40 cm 時，垂直潛流人工濕地出水口處NH4+-N、NO3--N 和TN 的去除效果最好。C/N 對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中的NH4+-N、NO3--N 和TN去除有顯著影響，而運(yùn)行水位對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中NH4+-N和NO3--N的去除有顯著影響。

2.2 氮素沿程變化特征

在4種C/N 條件下，運(yùn)行水位為60 cm 的垂直潛流人工濕地系統(tǒng)距底部50、30 cm和出水口處以及運(yùn)行水位為40 cm時距底部30 cm 及出水口處的NH4+-N、NO3--N 和TN 濃度隨時間的變化如圖5～7所示。運(yùn)行水位為60 cm 和40 cm 時，C/N=2/1 和4/1時，沿程的NH4+-N 的去除效果優(yōu)于C/N=8/1 和12/1 時。C/N=4/1 時，沿程的NO3--N、TN 去除效果在4 種C/N 條件下均為最優(yōu)，原因在上一節(jié)已經(jīng)探討，此處不再贅述。由圖5（a）可知，運(yùn)行水位為60 cm 時（完全淹水狀態(tài)），四種C/N 條件下NH4+-N 的濃度隨取樣高度的降低呈階梯狀遞減；這是因?yàn)橹参锔甸L度有限，植物對NH4+-N 的吸收作用隨著裝置深度的增加而減弱，在裝置下部基質(zhì)的吸附和微生物的硝化作用起主要影響［21］，因此裝置內(nèi)部去除效果有所下降；由圖5（b）可知，運(yùn)行水位為40 cm時，NH4+-N 濃度在30 cm 和出水口處很接近且遠(yuǎn)低于進(jìn)水濃度，C/N=2/1 和4/1 時，30 cm 取樣口的NH4+-N 平均濃度僅為（0.65±0.41）mg/L 和（0.55±0.22）mg/L，說明此運(yùn)行水位下NH4+-N 的去除主要發(fā)生在30 cm 以上；由于此運(yùn)行水位下，垂直潛流人工濕地上部處于落空狀態(tài)，形成好氧區(qū)，充足的DO使硝化作用增強(qiáng)，硝化細(xì)菌在裝置上部大量繁殖，使大部分的NH4+-N 在裝置上部得到去除［22］。由圖6 整體來看，運(yùn)行水位為60 cm 和40 cm 時，從沿程濃度變化來看，兩種運(yùn)行水位下的NO3--N 去除都主要發(fā)生在裝置上部：運(yùn)行水位為60 cm，C/N=2/1 時，50 cm 取樣口、30 cm 取樣口和出水口的NO3--N 濃度非常接近，50 cm 和出水口處很接近且遠(yuǎn)低于進(jìn)水口NO3--N 濃度；隨著C/N的增大，50 cm 取樣口至出水口NO3--N 濃度遞減，但變化幅度小于進(jìn)水口至50 cm 取樣口時的變化；這是因?yàn)樘荚吹脑黾犹岣吡搜b置下部的反硝化作用；運(yùn)行水位為40 cm 時，30 cm 取樣口和出水口的NO3--N 濃度非常接近，30 cm 取樣口和出水口處很接近且遠(yuǎn)低于進(jìn)水口NO3--N 濃度。這是因?yàn)樵谘b置上部此時植物的吸收作用和微生物的硝化作用對NO3--N 的去除起主要作用，隨著取樣高度的降低植物根隨著系無法作用到裝置內(nèi)部，因此影響了NO3--N 的去除。由圖7 可知，運(yùn)行水位為60 cm，4 種C/N 條件下，TN 的濃度隨取樣高度的降低呈階梯狀遞減；運(yùn)行水位為40 cm 時，TN 濃度在30 cm 和出水口處很接近且遠(yuǎn)低于進(jìn)水濃度，此時TN 的去除主要受制于NH4+-N 和NO3--N的去除效果。

圖5 4種C/N時不同運(yùn)行水位下沿程N(yùn)H4+-N平均濃度變化Fig.5 NH4+-N average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

圖6 4種C/N時不同運(yùn)行水位下沿程N(yùn)O3--N平均濃度變化Fig.6 NO3--N average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

圖7 4種C/N時不同運(yùn)行水位下沿程TN平均濃度變化Fig.7 TN average removal rates along the path with different operational water levels under condition of four C/N ratios

3 結(jié)論

（1）C/N 對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中的NH4+-N、NO3--N 和TN 去除有顯著影響，C/N=4/1，60、40 和20 cm 3 種運(yùn)行水位時，NH4+-N、NO3--N和TN在沿程取樣點(diǎn)去除率均最高，此時為最優(yōu)C/N。

（2）運(yùn)行水位對垂直潛流人工濕地系統(tǒng)中NH4+-N 和NO3--N的去除有顯著影響。C/N=4/1，運(yùn)行水位為40 cm時，出水口處脫氮效果最佳，此時NH4+-N 去除率達(dá)到（98.16±1.10）%，NO3--N去除率達(dá)到（82.84±10.55）%，TN去除率達(dá)到（85.92±8.34）%。

（3）當(dāng)垂直潛流人工濕地系統(tǒng)完全飽和即運(yùn)行水位為60 cm 時，4 種C/N 條件下，NH4+-N、NO3--N 和TN 的去除主要發(fā)生在垂直潛流人工濕地的上部50～60 cm，而后NH4+-N 和TN 的濃度隨著取樣高度的降低呈階梯遞減的趨勢；NO3--N的濃度沿程變化在C/N=2/1 時較小，而在C/N=4/1，8/1 和12/1 時隨著取樣高度的降低呈階梯遞減的趨勢。

（4）當(dāng)垂直潛流人工濕地系統(tǒng)半落空即運(yùn)行水位為40 cm時，氮素的去除主要發(fā)生在上部30～40 cm，30 cm 至出水口處三氮濃度變化較小。并且沿程（包括30 cm 和出水口處）三氮濃度變化都較60 cm 時穩(wěn)定，在實(shí)際工程應(yīng)用中適當(dāng)降低垂直潛流人工濕地運(yùn)行水位可提高出水穩(wěn)定性?！?/p>