潜流人工湿地对农村生活污水氮去除的研究

1 试验材料和方法

1.1 试验装置
采用3 块设计相同的潜流湿地，1 号湿地种植芦苇，2 号湿地种植菖蒲，3 号是无植物空白系统。湿地长2.0m，宽0.5m，深0.6m，床体底部是一层厚0.2m、粒径为2～5cm 的方解石，上铺一层0.1m 厚的沙砾，最上部是0.3m 厚的土壤，如图1 所示。

1.2 运行方式
第一年的11 月份建成试验系统，培植芦苇和菖蒲，间歇投配污水培育系统，第二年3 月份植物开始生长，连续进水至5 月份，开始进行试验。采用连续流的进水方式，农村生活污水在经过初沉池预处理后流入湿地系统。在不同的工况下，对芦苇湿地、菖
蒲湿地和无植物系统，分别测定进出水的氨氮、亚硝态氮、硝态氮和总氮的浓度。每个工况运行1 个月，重复试验3 次，试验周期为一年。
1.3 进水水质
试验用水取自农村生活污水，经过预处理后进水总氮浓度TN（氨氮占86.9%～92.2%）为20.88～51.33 mg/L，NO-2-N 浓度为0.000～0.062 mg/L，NO-3-N 浓度为0.000～1.982mg/L。
1.4 水质指标分析方法
TN 的测定采用过硫酸钾- 紫外分光光度法，NO-2-N 的测定采用1- 萘基- 乙二胺光度法，NO-3-N的测定采用紫外分光光度法。
1.5 植物全氮量的测定在生长期内，在1 号和2 号湿地中各选取8 个取样点，采用半微量蒸馏滴定法测定植物全氮量，取平均值作为湿地的全氮量水平。
2 结果与分析
2.1 湿地对TN的去除
在整个试验周期内，在不同的工况，测定湿地进出水的总氮浓度，研究了三个系统进水负荷和出水负荷去除之间的关系，如图2 所示。

湿地进水水力负荷依次增大，由于进水TN 浓度有波动，所以进水TN 面积负荷也随着波动。但从试验结果整体趋势看，三个系统的进水TN 负荷与负荷去除关系线性拟合较好，相关性较高，见图2，以空白床的线性相关性（R=0.9867）为最好，可能是系统没有植物的存在，影响系统的因素减少的原因。
进水TN 负荷升高时，出水TN 面积负荷也升高，相应的TN 去除量也增加，但去除率随进水TN 负荷增加而降低，因为水力负荷增大，污水在系统中的停留时间减少，去除率相应下降，见表1，随着停留时间的增加，湿地系统TN 去除率增长减缓。在整个运行周期内，芦苇湿地对TN 的去除量
表1 水力停留时间与TN 去除率(%) 关系
Table1 Therelationshipbetweenhydraulicretention
time(d)andTNremovalrate(%)
停留时间(d) 1 2 3 4
芦苇床 40 50 57 62
菖蒲床 43 49 55 61
空白床 32 37 50 53
为1.463g/m2·d， 菖蒲湿地对TN 的去除量为1.406g/m2·d， 无植物系统对总氮的去除量为1.041g/m2·d。芦苇湿地对TN 的去除略好于菖蒲湿地的，有植物系统要比无植物系统的去除效果好。芦苇湿地好于菖蒲湿地的主要原因是芦苇根系发达，长度一般为60cm 左右，菖蒲根系短小，约为30cm左右，不能深入到床体底部。有植物系统比无植物系统的去除效果好，主要是因为植物发达的根系为微生物提供的良好的繁衍栖息场所，而且湿地植物的输氧能力强，使得硝化细菌在根际得到良好的生长，根际效应明显的原因。比较有植物和无植物系统在各种工况下对TN 的去除效果，有植物系统比无植物系统可以提高3%～21%的总氮去除量。
2.2 湿地对NO-2-N和NO-3-N的去除
试验采用的生活污水中的NO-2-N 和NO-3 -N 浓度都很低， 进水的NO-2 -N 浓度为0.000 ～0.062mg/L；进水NO-3-N 浓度为0.00～1.982 mg/L。对3 个湿地系统在连续流的运行状态下做了进出水NO-2-N、NO-3-N 浓度的测定，潜流型湿地内的水面在湿地表面以下大约10cm 处运行，由于意外情况，水面会降到湿地床体较深处，即床体落干，落干时间一般小于12h。试验测得了10 次落干后再调为正常运行时的进出水NO-2-N 的浓度值，20 次连续运行时的NO-2 -N、NO3--N 浓度，分别示于图3、图4 和
图5。

从图3 和图4 可以看出，无论是连续运行还是有间断运行，三个系统的出水NO-2-N 浓度都很低，但是在这两种情况下，系统出水NO-2-N 浓度是不同的。只要系统连续运行良好，系统中运行水面保持稳定，三个系统的出水NO-2 -N 浓度均小于0.06mg/L，很多时候出水检测不到NO-2 -N。根据运行数据来看，有植物系统出水平均NO-2-N 浓度低于0.02mg/L，无植物系统的平均NO-2 -N 浓度低于0.01mg/L，这是由于有植物系统的植物有较强的输氧能力，使得有植物湿地系统中的氧环境好于无植物系统的原因。
湿地系统水面在有落干情况发生时（落干时间一般时间不超过12h），出水的NO-2-N 浓度明显升高，一般都高于进水的NO-2-N 浓度，但都低于0.631mg/L。出水浓度高于进水浓度，说明出水中的较高浓度的NO-2-N 不是全由进水中的NO-2-N 引起的，而是由于系统水面降低时，带动空气进入床体空隙，系统复氧状况得到了改善，加上有植物湿地系统的植物输氧的影响[4-6]，使得系统的氧化状态比连续运行时得到了加强，氨氮在硝化过程中被亚硝酸菌和硝酸菌氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐又在反硝化细菌的作用下转化成N2 和N2O。当系统的好氧状态加强时，反硝化作用削弱，使得亚硝酸盐得到了少量积累，所以出水NO-2-N 浓度有所升高，但最高浓度也只有0.631 mg/L 均小于1.0 mg/L，因此一般来说，湿地系统中亚硝酸盐不会积累太多[7]，即使在运行有间断的情况下系统的反硝化效果还是很好的。芦苇湿地、菖蒲湿地和无植物土壤湿地在运行周期内进出水NO-3-N 浓度关系见图5。从图中可以看出，在进水NO-3-N 浓度为0.00～1.98mg/L 时，芦苇湿地系统和菖蒲湿地系统的出水NO-3-N 浓度，大多数情况下小于1.00mg/L，无植物土壤系统的出水NO-3-N 浓度低于2.24mg/L，大多数情况也低于1.00 mg/L。由于所进生活污水的NO-3-N 浓度很小，出水的NO-3-N 浓度也很小，进出水没有明显的相关性。试验是在连续运行的情况下进行的，所以湿地系统在这种情况下的反硝化效果是很好的。
2.3 湿地脱氮途径分析
进入湿地系统中的氮可以通过湿地排水、挥发、植物吸收、微生物作用（硝化/ 反硝化）以及介质沉淀吸附等过程实现。氨氮挥发需要在系统pH 大于8.0 的情况下发生，本试验湿地土壤的pH 为7.86，进水pH 小于8.0，出水的pH 为7.52，所以在潜流湿地中通过挥发损失的氨氮可以忽略不计[8]。生活污水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮的形式存在，本试验污水中主要以氨氮形式存在，有机氮含量。低于10%，亚硝态氮和硝态氮占的更少。有机氮在开始时可以通过介质和植物根系的过滤和沉淀去除，随后进行无机化过程，在氨化细菌的作用下转化为铵态氮，可以被植物和土壤颗粒吸收或厌氧微生物吸收。植物对铵态氮的吸收是很少的，土壤颗粒吸收的铵态氮最终也被其它途径转化掉，因此介质对氮的吸附一般也不考虑。湿地主要是通过硝化、反硝化去除氮的，被认为是人工湿地去除氮的最主要的形式[9,10]。湿地通过大气复氧、进水中的溶解氧以及植物根系输氧等形式在湿地床体内形成许多好氧微区域，在这些微区域硝酸细菌将氨氮转化成硝态氮，降低了溶液中的氨氮浓度，使得土壤溶液中高浓度的氨氮和好氧微区域中低浓度的氨氮之间形成浓度梯度，氨氮可以持续地扩散到好氧微区域进行硝化作用[11,12]。硝态氮可以扩散到厌氧区域进行反硝化作用生成N2 排出系统，同时硝态氮是植物利用的主要形式，一部分硝态氮被植物直接吸收转化为植物组织。Tanner(2001)认为植物的吸收和存储只占潜流湿地氮去除的一小部分[13]，Gersbeg 等人[14](1986)预测芦苇湿地植物吸收占湿地总氮去除量的12%～16%，Van Oostrom(1990)等[15]预测在一年的周期中潜流湿地芦苇吸收的净氮量占湿地总氮去除量的25%。Tanner(2001)[16]在一个总氮浓度变化的范围内，对4 块潜流湿地从第二季度开始测定植物氮吸收量，结果为晚春植物吸收氮量为0.2～0.3g/m2·d，夏末植物氮积累量为26～47g/m2，秋季达到最大为48～69g/m2。从第二季度开始由于植物的衰老，引起从活的植物组织中释放出0.1～0.25g/m2·d 的氮，这样在一年当中植物吸收存储只占湿地TN 去除量的2%～8%[17]。
通过以上分析，进入湿地中的总氮主要由3 种途径去除，湿地排放、植物吸收和微生物硝化/ 反硝化。进入湿地总氮量记为Nin，排放总氮量为Nout，植物吸收总氮量为Nplant，则通过微生物作用去除的总氮量Nm=Nin-Nout-Nplant。进入湿地总氮量Nin 和湿地排放总氮量Nout 可以通过测定进出水流量和TN 浓度求得，植物吸收总氮量为Nplant 可以通过测定植物的净增长量、植物含水率和植物干物质TN 含量求得。本试验测定了进出水总氮量、植物吸收量，推算了微生物硝化/ 反硝化地脱氮量，各种途径对氮去除的贡献见图6。

图6 湿地TN去除的途径分析
Fig. 6 Analysis of TN removal approaches
of constructed wetlands从图6 可以看出，通过湿地植物吸收、存储去除的TN 量所占比例较少，占TN 去除量的9.6%～11.3%。植物吸收氮量与植物的生长状态、植物种类、湿地状况等因素有关，但大多数研究报道都显示，植物吸收不是脱氮的主要方式，植物主要是通过间接途径影响其它途径来提高氮去除率的。硝化/反硝化是潜流湿地脱氮的主要方式，占40%以上，因此，提高潜流湿地的脱氮效率关键是强化湿地的硝化/ 反硝化能力。芦苇对脱氮贡献比菖蒲略高，与芦苇植株大，根系发达有关。通过测定植物净生长量、含水率、干物质含TN 量，可以计算出芦苇和菖蒲吸收的TN 量分别是0.30 g/m2·d 和0.25 g/m2·d。植物是人工湿地的重要组成部分，虽然靠植物直接吸收、存储去除的氮量并不显著，但是植物的生长状态可以间接影响微生物的硝化/ 反硝化作用，从而直接影响湿地的脱氮效率，因此，在构建湿地时，选择合适的植物并保证良好的生长状态对于总氮的去除具有重要意义。

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