進水C/N與運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（北京）地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點實驗室，北京100083；2.中國地質(zhì)大學（北京）水資源與環(huán)境學院，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相關因素的研究相對較少。在實際工程應用中，控制水力學條件是提高脫氮效果的有效手段［8］，運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）被認為是影響氮素去除效果的關鍵因素［11］，也是近年研究的熱點問題。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，沒有考慮運行水位與C/N大于1的影響。控制適宜的C/N和運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用提供依據(jù)。

1 材料與方法

本研究以野外試驗為主，試驗場地選擇在湖北省荊門市京山市屈家?guī)X管理區(qū)武漢大學農(nóng)谷試驗基地，該區(qū)屬亞熱帶季風氣候，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］。

本次試驗中的模擬垂直潛流人工濕地反應池有6 組，尺寸均為100 cm（長）×50 cm（寬）×70 cm（高），見圖1。反應池的有效裝填高度為60 cm，分兩層，在池底10 cm 鋪設卵石作為排水層，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置其運行水位為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，運行水位60 cm 裝置在距底部50、30 cm 處增加取樣，運行水位40 cm 裝置在30 cm處增加取樣，運行水位20 cm時不增加取樣。

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

試驗在2020年10月至12月期間進行，此時正值秋季，試驗氣溫在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，在試驗過程中始終保持各裝置連續(xù)進水，選擇葡萄糖作為進水碳源，設置2/1、4/1、8/1、12/1 四種C/N 濃度梯度，進出水流速控制為70 mL/min，水力停留時間為1.3 d。每次試驗開展21 d，初始條件相同，并保持進水中氮濃度不變，試驗進水參照中等濃度污水標準配制，4 種C/N 下進水濃度范圍見表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)進行多因素方差分析，設差異顯著水平為P＜0.05。

表1 試驗進水平均濃度 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，運行水位為20、40 和60 cm 時，NH4+-N 的去除效果均達到最佳，分別為（98.02±1.0）%、（98.06±1.46）%、（95.44±2.28）%，平均去除率都達到95%以上。運行水位為60 cm 時，NH4+-N 的去除率隨著C/N 的增加而降低，C/N=12/1 時達到最低（74.67±8.0）%。而運行水位為20 cm 和40 cm 時，在C/N=4/1 時仍能達到很好的去除效果，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 時達到最低，分別為（77.60±5.09）%和（74.67±8.02）%。陳慶昌［15］認為，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。在本試驗中，由于進水中氮素濃度始終保持一定，因此C/N越高，表示進水中有機物濃度越大。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和有機物去除OD，NH4+-N 去除效果下降［16］。運行水位為40 和20 cm時，由于上部分與大氣接觸，能夠及時為硝化反應提供DO，因此在C/N=2/1 和4/1 時都能達到最好的NH4+-N 去除效果，好于全部淹水狀態(tài)下的運行水位60 cm 時。處于完全飽和的系統(tǒng)僅能在C/N 處于較低值時達到最佳的NH4+-N 去除效果，運行水位為40 和20 cm 時能及時為硝化反應提供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)部形成適宜硝化細菌生長的微環(huán)境，而中低運行水位（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氧提高系統(tǒng)內(nèi)部的氧含量，為硝化反應提供更加充足的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行，且硝化作用較強限制了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）%，個別取樣點去除率達到95%以上；而在運行水位為20 cm 時，平均去除率僅為（56.44±17.99）%。不同運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），這主要是因為處于較低的運行水位的濕地系統(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，促進了硝化作用［17］，導致出水口NO3--N濃度高，去除效果差。C/N=8/1時，運行水位為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菌的活性降低，影響了NO3--N的去除效果［18］。連小瑩［19］認為當C/N 較大，有機物濃度過高時已超過反硝化細菌所需碳源，此時C/N 不再作為限制反硝化作用的關鍵因素，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，與反硝化細菌競爭生存空間。運行水位為40 cm和60 cm時整體比運行水位為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。可見在低運行水位時，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 種運行水位下的NO3--N去除效果均較差，均低于55%。在試驗中還發(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，這可能是由于實驗周期不夠長，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。可見由于系統(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，反硝化過程被認為是人工濕地系統(tǒng)主要的氮去除機制。4 種C/N 時不同運行水位下的出水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）%，這主要是因為有機碳源不足而導致的反硝化速率降低，其去除效果排序為40 cm＞60 cm＞20 cm。C/N=4/1 時，碳源的補充使反硝化作用增強，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）%，其去除效果排序為40 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）%。這主要是因為在C/N 較高時，補充的碳源與反硝化細菌脫氮時所需要的碳源是供大于求的關系，不再是限制反硝化速率的關鍵因素，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物濃度的增大而增加。整體看來，運行水位為40 cm 時比60 cm 時的DO更充足，硝化作用更強，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，其次是運行水位60 cm 時。4 種C/N 時不同運行水位下，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，在進水氮濃度一定時，適當提高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，抵抗沖擊負荷的能力降低，導致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，在本試驗中，C/N=4/1與運行水位為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；這是因為植物根系長度有限，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，運行水位為40 cm時，NH4+-N 濃度在30 cm 和出水口處很接近且遠低于進水濃度，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，說明此運行水位下NH4+-N 的去除主要發(fā)生在30 cm 以上；由于此運行水位下，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，硝化細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，運行水位為60 cm 和40 cm 時，從沿程濃度變化來看，兩種運行水位下的NO3--N 去除都主要發(fā)生在裝置上部：運行水位為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低于進水口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，但變化幅度小于進水口至50 cm 取樣口時的變化；這是因為碳源的增加提高了裝置下部的反硝化作用；運行水位為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低于進水口NO3--N 濃度。這是因為在裝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；運行水位為40 cm 時，TN 濃度在30 cm 和出水口處很接近且遠低于進水濃度，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時不同運行水位下沿程NH4+-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時不同運行水位下沿程NO3--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 種運行水位時，NH4+-N、NO3--N和TN在沿程取樣點去除率均最高，此時為最優(yōu)C/N。

（2）運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 去除率達到（98.16±1.10）%，NO3--N去除率達到（82.84±10.55）%，TN去除率達到（85.92±8.34）%。

（3）當垂直潛流人工濕地系統(tǒng)完全飽和即運行水位為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）當垂直潛流人工濕地系統(tǒng)半落空即運行水位為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，在實際工程應用中適當降低垂直潛流人工濕地運行水位可提高出水穩(wěn)定性。□