外加碳源强化潜流人工湿地对低ＣＮ污水的处理效果

人工湿地脱氮过程是物理、化学、生物反应协同作用的结果，但一般认为微生物的硝化反硝化过程才是人工湿地中氮去除的主要途径，而有研究指出，湿地植物即使在极佳条件下因生物量增加而去除的氮量也只占氮去除总量的10%-16%。在反硝化作用的过程中，有机或无机碳源是电子供体和能源，氮氧化物均是呼吸作用电子传递的末端电子受体。影响该过程的因素众多，其中碳源的缺乏是限制反硝化进行的关键因素。因此，对于C/N较低的水，如农业径流和经处理的城市污水，需要补充碳源进行反硝化来保证人工湿地的脱氮效果。

虽然甲醇、葡萄糖和乙酸钠等有机碳源可以显著提高人工湿地的脱氮性能，但也存在着碳源的突然大量释放造成的二次污染及成本高昂的缺点，农业固体废弃物具有分布广泛、成本低廉，而且还具有释碳缓慢、使用寿命长的优势，是外加碳源的不错选择，但同样也存在植物碳源造成的二次污染问题。赵仲婧等人的研究发现，人工湿地填充铁碳＋沸石、铁碳＋砾石或砾石等填料，能明显提高污水的处理效果并减排温室气体，但其对进水C/N均控制在5。对于低C/N污水，如何提高其污水处理效果？因此在以上研究的基础上，本文选择添加玉米芯和稻草秸秆两种植物碳源，探究不同植物碳源添加对潜流人工湿地处理低C/N污水处理效果的影响，以期提高污水处理效率。

潜流人工湿地装置俯视图

将玉米芯切成体积为1-2cm³的小块，稻草秸秆剪成2-3cm长，两种供试材料统一用蒸馏水清洗3遍，置于50℃下烘24h，烘干至恒重后装入密封袋置于干燥器中备用，取上述处理过的玉米芯进行稀碱加热预处理，本步骤预处理后得到的玉米芯，以下称为玉米芯（预）。再对玉米芯和稻草秸秆进行纯水浸提释放实验，接着构建1-9组潜流人工湿地装置中试，选种的湿地植物为菖蒲，为观察玉米芯和稻草秸秆对人工湿地长期运行的影响，潜流人工湿地在运行第58d时取出碳源结束中试。设置的水力停留时间为2d， 进水采用实验室配置的模拟污水，COD/TN约为3，进水中COD、氨氮和硝态氮分别由蔗糖、氯化铵和硝酸钾提供，实验以间歇曝气方式运行。

 

构建的潜流人工湿地装置基本情况

1.玉米芯和稻草秸秆碳、氮释放特征

碳素累积释放量（以COD计）

 

为了考察玉米芯、稻草秸秆和玉米芯（预）的释碳量和释碳速率，分别测定了在不同时间内3种碳源浸提液中的COD质量浓度，并计算出了释碳总量，结果可见图。

氮素累积释放量（以TN计）

 

由于纤维素固体碳源含有类蛋白质等含氮化合物，在碳素释放的同时也会一同释放，可能会引起水质的恶化，因此有必要对浸提液中的氮素质量浓度进行测定，由图可知，TN释放速率大小为：稻草秸秆＞普通玉米芯＞玉米芯（预）。

植物碳源累积释放的碳素量/氮素量分析

 

玉米芯、稻草秸秆和玉米芯（预）累积释放的碳素量/氮素量（累积释放碳氮比）结果如图所示。为尽可能减少引入外加碳源使系统反硝化负荷增加，为此选择普通玉米芯或者稀碱加热预处理的玉米芯作为外加碳源更适合。

 

 

2.人工湿地出水的水质变化

（1）COD

 

各湿地出水COD的变化情况如图所示，在整个运行过程中，玉米芯组、稻草秸秆组和对照组人工湿地COD平均去除率分别为84.20%、86.2%和91.75%。

（2）NO₃^--N

 

上图为9种处理人工湿地运行期间出水NO₃^--N质量浓度的变化，根据出水NO₃^--N质量浓度变化情况，整个运行状况可以大体分为两个时期。在第一个时期中，除了对照组偶有波动外，玉米芯组和稻草组出水的ρ（NO₃^--N）基本上都在0.5mg·L^-1以下，去除率都大于99%；而对照组中NO₃^--N去除率为96.46%-97.12%，平均去除率略低于其它两组，但是差异不显著。在第二个时期，3组碳源出水中NO₃^--N质量浓度的差异拉大。

（3）NO₂^--N 

 

由图可知，相比于玉米芯人工湿地，稻草秸秆和对照组人工湿地中明显有NO₂^--N的蓄积，且在稻草秸秆和对照组中NO₂^--N质量浓度波动较大。

（4）TN

 

不同处理人工湿地出水的TN质量浓度随时间的变化情况如图所示。从中可知，添加了玉米芯和稻草秸秆的人工湿地出水TN均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标（15mg·L^-1）。在整个运行过程中，就TN的平均去除率而言，无论是铁-沸、铁-砾还是砾石人工湿地，玉米芯组（79.22%-87.38%）都显著高于稻草组（73.44%-76.61%）和对照组（67.61%-71.59%）（P＜0.01）。与对照组相比，添加玉米芯和稻草秸秆对TN的去除平均提高了14.01%和5.78%，且两种碳源对人工湿地系统去除TN的强化能力存在显著性差异（P＜0.01）。

结论

在碳源纯水浸提释放实验中，玉米芯浸提液中累积释放碳氮比平均值是稻草秸秆的1.49倍。综合植物碳源的释放特性，玉米芯比稻草秸秆更适合作为外加碳源。稀碱加热预处理使玉米芯的累积释放碳氮比提高了41%，进一步提高了植物碳源释碳稳定性、释碳量和持续释碳能力。

? 较高的玉米芯和稻草秸秆投加量会增加COD处理负荷，从而降低了COD的去除率。除了湿地运行前期偶有4-6d，各人工湿地出水COD质量浓度均低于《 城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002）一级A标准（50mg·L^-1），可以达标排放。

? 人工湿地中试后期，稻草秸秆人工湿地的NO₃^--N质量浓度逐渐升高，去除率下降了7%-23%，出现了碳源不足的现象，系统的反硝化速率下降，NO₂^--N也随着NO₃^--N质量浓度的升高而不断蓄积。而玉米芯人工湿地的NO₃^--N去除率一直大于93%，NO₂^--N质量浓度也一直保持在很低的水平，系统具有良好的反硝化性能，玉米芯释放的碳源有效促进了人工湿地中反硝化的彻底进行。

? 通过对TN的主要成分分析，发现在整个运行阶段，玉米芯人工湿地硝化反硝化的限速步骤始终是硝化反应；而稻草秸秆和对照组人工湿地在运行后期，有机碳的缺乏使反硝化反应严重限制了硝化反硝化过程的进行。添加玉米芯显著强化了潜流人工湿地对低C/N比污水的脱氮性能。