补充碳源提取液对人工湿地脱氮作用的影响

第32卷第7期2012年7月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.7Jul.,2012基金项目:国家自然科学基金(No.51079028);国家重点基础研究发展(973)计划(No.2010CB951102-4);上海市自然科学基金(No.10ZR1400300)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51079028),theNationalBasicResearchProgramofChina(No.2010CB951102-4)andtheNaturalScienceFoundationofShanghai(No.10ZR1400300)作者简介:丁怡(1988—),男,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:DINGYi(1988—),male,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]丁怡,宋新山,严登华.2012.补充碳源提取液对人工湿地脱氮作用的影响[J].环境科学学报,32(7):1646-1652DingY,SongXS,YanDH.2012.Effectofaddingcarbonsourceextractsonnitrogenremovalinconstructedwetland[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(7):1646-1652补充碳源提取液对人工湿地脱氮作用的影响丁怡1,宋新山1,∗,严登华21.东华大学环境科学与工程学院,上海2016202.中国水利水电科学研究院,北京100044收稿日期:2011-09-29　　　修回日期:2011-11-08　　　录用日期:2011-11-17摘要:为了提高人工湿地的脱氮效率,在不同条件下分别对美人蕉、香蒲及稻杆进行稀硫酸水解,以获得相应碳源提取液.正交实验表明,稀硫酸浓度的提高和水解时间的增加都会导致碳源释碳能力的提高,稻杆在5%稀硫酸溶液中水解30min以上,释碳能力最高.通过观察,前2d是系统脱氮反应高峰时段.对以NH+4-N和NO-3-N为氮源的脱氮过程,随C/N比升高,NO-3-N和TN去除率增长明显;而NH+4-N受溶解氧制约,去除有限;随C/N比升高,碳源对系统溶解氧的竞争会进一步抑制硝化反应的彻底进行.而对以NO-3-N为氮源的反硝化过程,补充碳源对TN和NO-3-N的去除有明显作用;TN去除率由54%提高到95%,NO-3-N去除率由48%提高到96%;中间产物NO-2-N的积累与NO-3-N去除率有关;当NO-3-N去除率较高时,NO-2-N无积累.此外,基质反硝化强度也随C/N比升高呈上升趋势,湿地填料细沙层的反硝化强度略高于碎石层.关键词:碳源提取液;脱氮;C/N;硝化/反硝化文章编号:0253-2468(2012)07-1646-07　　　中图分类号:X703.1　　　文献标识码:AEffectofaddingcarbonsourceextractsonnitrogenremovalinconstructedwetland　DINGYi1,SONGXinshan1,∗,YANDenghua21.EnvironmentalScienceandEngineeringCollege,DonghuaUniversity,Shanghai2016202.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044Received29September2011;　　　receivedinrevisedform8November2011;　　　accepted17November2011Abstract:Toenhancethenitrogenremovalefficiencyinconstructedwetland,CannaindicaTyphalatifoliaandstrawwerehydrolyzedbydilutesulphuricacidunderdifferentconditionstogetrelevantcarbonsourceextracts.OrthogonaltestindicatedthattheincreaseofdiluteacidconcentrationandtimeofthehydrolysisledtotheincreaseofCODconcentration.Strawhydrolyzedin5%dilutesulphuricacidover30minuteshadthehighestCODconcentration.Theremovalrateofnitrogenwashighintheinitialtwodaysoftheexperiment.TheremovalsofNH+4-NandTNobviouslyincreasedastheC/Nratioincreased,whileNH+4-NwascontrolledbyDOanditsremovalwaslimited.CarbonsourcefurtherrestrainednitrificationbycompetitionforDO.AddingcarbonsourcesignificantlyenhancedtheremovalofTNandNO-3-N,withtheremovalofTNincreasedfrom54%to95%andtheremovalofNO-3-Nincreasedfrom48%to96%.Theaccumulationofintermediateproduct,NO-2-N,wasdependentontheremovalrateofNO-3-N.WhentheremovalofNO-3-Nwasrelativelyhigh,noaccumulationofNO-2-Nwasfound.Furthermore,denitrificationinmatrixshowedanincreasingtendencyastheC/Nratioincreasedanddenitrificationinthefinesandlayerwasrelativelyhigherthanthatintherubblelayer.Keywords:carbonsourceextracts;nitrogenremoval;C/N;nitrificationanddenitrification1　引言(Introduction)在水体富营养化问题日趋普遍的背景下,从水中脱除氮素已成为目前水处理领域的研究热点之一.人工湿地作为一种生态化、低成本的水处理技术,目前在国内外被广泛地应用于污废水的脱氮处理(刘秀红等,2006).人工湿地中存在多种脱氮机理,包括植物吸收、基质吸附、氨挥发、硝化-反硝化7期丁怡等:补充碳源提取液对人工湿地脱氮作用的影响等(Vymazal,2002;Tanneretal.,2002),其中,通过反硝化去除的氮量占投配总氮量的47%~48%左右(陆松柳等,2008).通过微生物代谢过程进行硝化-反硝化是人工湿地脱氮的主要途径(Vymazal,2005;Tjasa,2006).其中,硝化-反硝化水平受碳源供给水平的影响很大(王丽丽等,2004).因此,如何提高C/N比从而提高脱氮效率已成为当前研究的热点(佘丽华等,2009).目前,通常采用的碳源添加物是一些糖类物质(如葡萄糖、果糖等)和甲醇、乙酸等易生物降解的液体碳源.为了降低成本,近年来,许多研究者通过多种途径寻找无毒、廉价的碳源(Humeetal.,2002;Wenetal.,2010).纤维素类碳源取材方便、来源充足、成本低廉,基于安全性和经济性等方面的优势,富含纤维素的天然材料正逐渐成为新型反硝化碳源研究的热点(邵留等,2011).因此,本文通过对碳源提取物进行稀硫酸水解的方式,考察两种常见湿地植物枯叶和一种农作物秸秆的碳源释放效果,以及不同碳源添加水平下人工湿地的脱氮效果.旨在寻找一种新的碳源添加方式,以提高碳源物质在人工湿地中的可利用性,从而更好地提高人工湿地的脱氮效率.2　试验装置与方法(Experimentaldeviceandmethods)2.1　小试人工湿地处理装置　　实验室构建的2个人工湿地小试装置尺寸均为48cm×32cm×28cm(长×宽×高).按层铺设(由下到上)依次填充17cm厚度的碎石(粒径10~20mm)、6cm细沙(粒径0.25~0.35mm).每个装置种植6株美人蕉,同时在其一侧底部设置出水口.进水则通过水泵从专用配水箱中抽取自配污水.装置示意见图1.图1　小试装置工艺流程图Fig.1　Technologicalflowchartofalaboratory-scaleexperimentaldevice　2.2　试验用水试验进水由自来水配制而成,以NaNO3和NH4Cl为氮源,K2HPO4为磷源,外加适量的微量元素,碳源由稻草经5%稀硫酸水解30min后获得的提取液提供.1号小试装置进水主要含NH+4-N和NO-3-N,考察湿地脱氮全过程.2号小试装置进水主要含NO-3-N,考察湿地反硝化脱氮过程,具体数据见表1.表1　小试湿地装置进水水质Table1　Inflowwaterqualityofalaboratory-scaleexperimentaldevicemg·L-1小试装置CODNH+4-NNO-3-NNO-2-NTN1号100~40010~208~200.5~1.520~452号50~200/20~300~0.520~402.3　试验方法2.3.1　小试装置的运行　小试人工湿地系统于2011年4月中旬左右启动,前期先通入含有活性污泥的生活污水,进行微生物接种及培养,时间约为1个月.5月下旬出水水质开始稳定,6月初进行正式试验.每周分别对各装置进行3次采样分析,水力停留时间为5d,试验连续监测3个月.2.3.2　碳源提取液的制备　选用湿地植物(香蒲、美人蕉)枯叶,以及农用废弃稻杆作为碳源提取物.回收后用去离子水清洗2遍并于干燥箱中去湿.然后将之切割成1~2cm小段,称取1g于1000mL烧杯中,同时选取水解液、水解时间2种因素进行正交试验,水解液分别为去离子水、2%稀硫酸、5%稀硫酸,而水解时间分别是10、20、30min.正交设计为L9(32).2.3.3　基质反硝化强度的测定　在2号装置内部预埋多孔的PVC管,其高度和内部填料层铺设与小试装置是完全一致的,便于实验结束后对其抽提并取样测定.于抽提后的PVC管内称取100g上层的细沙基质和下层的碎石填料,置于250mL广口塑料瓶中,加入100mL反硝化培养液,封好瓶口,充分振荡,25℃恒温密封避光静置24h,取悬浮液离心后7461环　　境　　科　　学　　学　　报32卷过滤,测定滤液中的NO-3-N浓度.用培养前后NO-3-N浓度的变化计算基质反硝化强度.反硝化培养液按50mg·L-1NO-3-N和150mg·L-1葡萄糖体积比为1∶1配制.反硝化强度按式(1)计算.W1=(C1-C2)×(V1+V2)/(t×m×k)(1)式中,W1为反硝化强度(mg·g-1·h-1),C1为初始溶液中NO-3-N的质量浓度(mg·L-1),C2为静置24h后溶液中NO-3-N的质量浓度(mg·L-1),t为培养时间(h),V1为培养液体积(L),V2为基质样品中水分体积(L),m为样品质量(g),k为水分系数,即基质中干基质所占质量分数.测定结束后,及时补充相应质量的基质及填料于采样器内,并将采样器安放回原位,供后续实验