張曦冉，高桂蘭，2，陳 帥，2，郭耀廣，2，梁 波，2，關 杰，2

（1.上海第二工業(yè)大學環(huán)境與材料工程學院，上海201209；2.上海第二工業(yè)大學資源循環(huán)科學與工程中心，上海201209）

氮素的流失和污染可能會導致嚴重的水環(huán)境問題， 因此氮素的相互轉化是水環(huán)境污染控制的重點研究方向〔1〕。 近年來，由于人們生活方式轉變所造成的低碳源城鎮(zhèn)生活污水等問題〔2〕尤為嚴重，如何在低碳情況下提高污染水體TN 的去除效率一直是水環(huán)境污染防治領域的研究熱點。 人為引入碳源是一種常見的處理方法，然而此方法造成的直接后果是引入新的有機污染物、增加處理成本和管理難度〔3〕。 人工濕地是一種管理簡便、 脫氮效果良好的生態(tài)處理技術。 其中，垂直潛流人工濕地具有占地面積小、氧轉移效率高、硝化作用顯著、對的去除效果較好等優(yōu)點〔4〕，已被證明是一種提高污水處理中有機物和氮去除效率的有效技術〔5〕。 在人工濕地污染物處理過程中，植物通過根系釋放、死亡分解來調控氮素轉化途徑和反硝化進程〔6〕，為微生物的生長提供了良好的生存環(huán)境，同時為人工濕地提供了碳源，從而緩解了貧碳狀況。

近年來， 對于人工濕地污染物去除過程中的分層效應研究受到研究者的普遍重視〔7〕，在植物的新陳代謝影響下， 人工濕地的硝化和反硝化作用產生了明顯的層間差異〔8〕。 而垂直潛流人工濕地中反硝化效果差是處理低碳源廢水的一個難題，目前，對于低碳進水條件下垂直潛流濕地脫氮過程分層效應的研究還較少。

本研究探究了低碳進水條件下， 垂直潛流人工濕地中氮素形態(tài)在垂直分層的響應機制。 考察人工濕地垂直深度對硝化和反硝化作用的影響， 以及人工濕地中植物在氮素形態(tài)轉變中起到的作用。

1 材料和方法

1.1 人工濕地的構建及運行

垂直潛流人工濕地裝置見圖1。

圖1 垂直潛流人工濕地裝置

垂直潛流人工濕地裝置為直徑×高度=160 mm×1 200 mm 的PVC 圓柱體。其中有效高度為1 100 mm，超高100 mm。在1 100 mm 的有效高度內，從上到下分別是700 mm 的基質層和400 mm 的承托層，基質層由直徑5～15 mm 的礫石組成， 承托層由直徑20～30 mm 的卵石組成。

實驗選取4 組人工濕地分別種植適應本地生長環(huán)境的4 種水生植物，分別為蘆葦組、菖蒲組、傘草組、美人蕉組。 每組人工濕地設3 組平行實驗。 每個人工濕地裝置中共栽種植物3 株， 植物的根系均位于自人工濕地基質表層300 mm 的范圍內。

用經過6 h 陽光照射的自來水作為植物培養(yǎng)和濕地微生物馴化的水源， 本研究所提及的自來水均經過該方法處理。經過近兩個月的培養(yǎng)馴化后，植物生長成熟，濕地運行過程完成。

1.2 實驗設計

實驗過程中，人工濕地進水為間歇進水。每種人工濕地都種植相同數(shù)量、相同株齡、相同植貌特征的植物。 此外，每組實驗額外設置2 組平行實驗。是有機氮礦化的第一種無機氮形態(tài)，因此實驗以不同濃度的進行調控， 配制藥劑采用NH4Cl（分析純），溶劑為自來水，以滿足人工濕地植物生長的微量元素要求。 配制的進水質量濃度為40 mg/L， 考慮實際情況， 以實驗開始后第1 d內測得的人工濕地實際氨氮濃度為準。 當?shù)娜コ蔬_到90%時，為一期實驗結束的時間。 每期實驗開始前，放空人工濕地內的存水，并瀝干24 h，以盡可能消除上期實驗的影響。

1.3 水樣采集及測試

實驗進行期間， 保持人工濕地水位位于基質表層以下100 mm 左右。 由于取樣、植物吸收、蒸騰、蒸發(fā)等作用造成水分減少，水位下降采用自來水補充，即間歇進水。如圖1 所示，定義自人工濕地水面開始至其下方300 mm 結束的范圍內（即基質表層以下400 mm 以內）為人工濕地上層，自上層下底面開始至其下方300 mm 結束的范圍內（即基質表層以下400 mm 至700 mm 以內）為人工濕地的下層。 水樣采集時間為上午9：00～11：00，采集植物根部（下層）和莖部（上層）位置的水樣，且每個人工濕地的上下層都各取3 次樣， 實驗數(shù)據(jù)均為3 次平行實驗組的平均值。 水樣的采集分別采用2 根穿孔管以虹吸法進行采集。 穿孔管的開孔部位長度為100 mm，位于上下兩層的中心。

2 結果與討論

圖2 人工濕地上下層中 濃度隨實驗時間的變化

人工濕地上下層中TN 濃度隨實驗時間的變化見圖3。

圖3 人工濕地上下層中TN 濃度隨實驗時間的變化

由圖3 可知，在4 種人工濕地中，上下層中TN濃度均隨實驗時間的持續(xù)而下降，且上下層TN 濃度沒有顯著性差異。 初始6 d 內的TN 去除負荷最高。在經過25 d 后，不同植物上層和下層TN 的去除率：蘆葦組為79.87%和75.54%，菖蒲組為76.16%和75.76%，傘草組為84.99%和85.95%，美人蕉組為87.41%和93.00%。 美人蕉組表現(xiàn)出了較強的TN 去除能力。

對比圖3 與圖2 的分析結果可以看出，4 種人工濕地中起始的TN 濃度均較更高。而在整個實驗完成后，蘆葦、菖蒲、傘草的上下層以及美人蕉上層TN 的去除率均比的去除率低，僅美人蕉下層例外。 在本實驗中，進水由自來水配制，所以由進水引入有機氮的量非常小， 因此植物是人工濕地中有機氮的主要來源〔10〕。TN 的去除過程不僅包括的硝化作用， 還有的反硝化作用，但由于反硝化作用不可能進行得非常徹底，因此實驗后期可能導致在人工濕地中的殘留，從而降低人工濕地的TN 去除效率。 而美人蕉濕地下層TN 的去除效率高于，一方面可能是反硝化作用進行得更為徹底，的殘留量較低；另一方面是一部分有機氮可能被有效降解轉化，而反硝化作用在其中起到了主要作用。

圖4 人工濕地上下層中濃度隨實驗時間的變化

由圖4 可知，除美人蕉濕地外，蘆葦、菖蒲和傘草濕地均發(fā)生了的積累， 且積累的時間范圍均集中在實驗開始的第1 d 至第12 d， 積累程度為蘆葦＞菖蒲＞傘草，在第12 d 后，上下層維持濃度在低位運行。 在蘆葦濕地中，上下層的濃度在第8 d 達到最大值，分別為2.60 mg/L 和1.81 mg/L，上下層在積累期間濃度差異極顯著。在菖蒲濕地中，上下層的濃度在第4 d 達到最大值，分別為0.89 mg/L 和0.90 mg/L，上下層在積累期間濃度具有顯著性差異。 在傘草濕地中， 上層的濃度在第6 d 達到最大值1.10 mg/L，下層的濃度在第4 d 達到最大值0.77 mg/L，上下層在積累期間濃度差異極顯著。而美人蕉濕地中，濃度始終維持在低位，最大值不超過0.69 mg/L，無明顯積累過程，在整個實驗期間，上下層濃度無顯著性差異。

實驗前期，由于濕地瀝干和進水帶入的溶解氧含量較高， 濕地內部硝化作用較強，和N轉化，隨著硝化作用的進行，濃度逐漸升高，但此時溶解氧含量也在降低，濕地內部向有利于反硝化作用的環(huán)境轉化，最后，反硝化作用增強， 反硝化作用開始占據(jù)主導地位，濃度達到峰值后開始下降。 同樣圖4 中的延期積累現(xiàn)象進一步佐證了此種觀點。

圖5 人工濕地上下層中 濃度隨實驗時間的變化

2.4 各種植物對于人工濕地氮素凈化效能的比較分析

根據(jù)以上分析， 在蘆葦濕地中上層TN 去除負荷大于下層去除負荷， 其他人工濕地則相反， 上層TN 去除負荷均小于下層；同時，在蘆葦濕地中，其上層TN 的初始濃度大于下層，其他人工濕地中，上層TN 初始濃度均小于下層。 經統(tǒng)計分析，人工濕地上下層的去除負荷與其初始濃度表現(xiàn)出顯著的相關性。凈化效能的比較分析中，美人蕉濕地的凈化效能最好（P＜0.01），其他3 種濕地無明顯差異（P＞0.05）。

對于低碳進水的人工濕地，TN 初始濃度上下層的差異主要決定于其有機物氧化能力的層間差異。在菖蒲、傘草、美人蕉濕地中，上層TN 初始濃度小于下層，如2.2 分析，其復氧能力上層強于下層，致使上層的氧化能力強于下層， 所以作為TN 的一部分——有機氮在上層被氧化的部分要多于下層。 而對于蘆葦人工濕地，由于其根系發(fā)達，可能已經深入到濕地下層，根系是濕地植物運移水分的重要通道，因此在蘆葦濕地中，與其他濕地相反，有機氮在下層被氧化部分要多于上層， 這種結果同樣適用于濕地中的碳源，即表明除蘆葦濕地上層碳源大于下層外，其他濕地上層的碳源均小于下層。而在本實驗中，由于進水中無碳源， 因而濕地內部的碳源成為濕地反硝化過程順利進行的關鍵， 因而在碳源較多的基質層中， 反硝化作用得以較為高效的進行，TN 的去除負荷較大。

3 結論

（1）在蘆葦濕地中，上層TN 的初始濃度和TN去除負荷均大于下層，其他3 種人工濕地上層TN 的初始濃度和TN 去除負荷均小于下層。 人工濕地上下層TN 的去除負荷與其初始濃度表現(xiàn)出顯著的相關性。 反硝化作用成為貧碳源進水的限制性步驟。