低CN对湿地中硝化反硝化作用的影响廖晓数

中国环境科学2008,28(7)：603~607ChinaEnvironmentalScience低C/N对湿地中硝化反硝化作用的影响廖晓数1,2,贺锋1,徐栋1,陶敏1,2,吴振斌1*(1.中国科学院水生生物研究所,淡水生态和生物技术国家重点实验室,湖北武汉430072；2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要：通过监测几种形态氮的变化,研究了人工湿地小试系统在不同浓度和低C/N条件下的除氮效果和反硝化途径.结果发现,湿地对浓度为5.5~50.5mg/L的NH4+-N有很好的去除效果,去除率可达95%以上.在此浓度范围内,NH4+-N的进、出水浓度呈线性关系,R2值为0.9971.当进水含氮量低于16.4mg/L时,湿地的除氮效率随进水浓度的增加而明显增加.进水含氮量为16.4~51.4mg/L时,湿地的除氮效率为85%以上,且浓度对去除率无显著影响.当C/N1时,湿地系统对总氮的去除率为86.3%,而碳源充足的情况下去除率也仅有85.8%,低C/N对湿地的除氮效果没有显著影响.反硝化可能存在不需要消耗碳源的途径,即在微生物的作用下,NH4+-N浓度为30mg/L左右时便直接将NO2--N还原成N2,此时有机质不是湿地脱氮效果的直接限制因素.关键词：湿地；氨氮；有机质；反硝化中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2008)07-0603-05InfluenceoflowC/Nonnitrificationanddenitrificationinwetlands.LIAOXiao-shu1,2,HEFeng1,XUDong1,TAOMin1,2,WUZhen-bin1*(1.StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China；2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China).ChinaEnvironmentalScience,2008,28(7)：603~607Abstract：ContentvariationofdifferentnitrogenformweremeasuredtoinvestigatethedenitrificationapproachesinwetlandswithdifferentconcentrationnitrogenandlowC/Nvalueininfluent.Theremovalrateofammoniacouldreach95%whentheconcentrationofammoniavariedfrom5.5mg/Lto50.5mg/Lintheinfluent.Withinthisconcentrationrange,therewasalinearityrelationbetweentheconcentrationofammoniaininfluentandthatineffluentpresentedwiththevalueofR2reaching0.9971.Theremovalrateoftotalnitrogenincreasedasconcentrationofnitrogenincreasingwhentheconcentrationswerebelow16.4mg/Lintheinfluentandthetotalnitrogenremovalratereached85%whenconcentrationoftotalnitrogenvariedfrom16.4mg/Lto51.4mg/L.Removalrateofnitrogenachieved86.3%whenvalueofC/Nwaslessthan1,whileitwasonly85.8%inwetlandwithamplecarbon.ItindicatedthattherewasnosignificantinfluenceofthecontentofCODininfluenttotheremovalefficiencyofNH4+-N.DenitrificationapproachdemandingnocarbonwasdeducedtobethatNO2--NcouldbedeoxidizedtoN2byNH4+-Nattheconcentrationof30mg/L,owingtothefunctionofmicroorganisms,anditsuggestedthatCODcontentshouldnotbethedirectlylimitedfactorofremovalefficiencyofnitrogen.Keywords：wetland；ammonianitrogen；organicmatter；denitrification湿地是一种高效低耗的污水处理技术,对氮、磷等污染物质均有较高的去除效果.湿地的除氮作用包括吸附、吸收、沉淀、挥发、硝化反硝化等,其中,硝化反硝化作用是氮的主要去除途径[1].在除氮的生化反应中,硝化作用只是将NH4+-N氧化为NO3--N,反硝化作用则从根本上将氮转化为氮气而排出水体.经典理论认为反硝化是细菌在厌氧或缺氧环境中分解利用有机物时,将NO2--N和NO3--N代替O2作为电子受体,昀终生成N2的一种生物化学反应.有机质及不同形态的氮是反硝化过程中电子的供体与受体,其含量直接决定了整个反硝化过程.生活中的大收稿日期：2007-12-05基金项目：湖北省科技攻关重大项目(2006AA305A03);国家“十五”科技项目(2002AA601021);国家杰出青年基金资助项目(39925007)*责任作者,研究员,[e-mail]604中国环境科学28卷量污水具有低碳高氮的特征,使得生化脱氮技术面临严峻考验.本实验研究了不同氮浓度的进水湿地净化效果以及低C/N条件下可能存在的反硝化途径,以期为湿地提高反硝化脱氮提供依据.1材料与方法1.1实验装置6套人工湿地小试系统,主体装置为DN250的UPVC管,总高度500mm.管底以法兰盘密封,底板以上20mm管壁处装设有DN20的出水龙头.管中基质为砾石和细沙,总厚度450mm,基质分3层,底层粒径10~20mm,厚度50mm;中层粒径2~5mm,厚度200mm;上层粒径0.5~2mm,厚度200mm.上层200mm厚的基质取自运行了10年的中国科学院水生生物研究所人工湿地中试系统的表层,其有机质含量为0.53%.1.2因素控制湿地进水以受污染的湖水为源水,并在相应系统中外加一定量的碳和氮,系统进水碳、氮浓度如表1所示.系统中均种植美人蕉,密度和大小相似.湖水NH4+-N含量0.5mg/L,TN含量1.4mg/L,COD27mg/L.氮源以NH4+-N含量为10g/L的NH4Cl溶液调节,碳源以COD为200g/L的葡萄糖溶液调节.表1系统控制参数Table1Controlsparameterofsystems序号NH4+-N(mg/L)TN(mg/L)COD(mg/L)C/N10.51.42719.325.56.4274.2315.516.422713.8430.531.452716.8550.551.492718.0630.531.4270.91.3系统运行湿地于2007年3月底建成,4月初栽种植物后进行调试,每天向系统灌注受污染的湖水,5月下旬湿地正式运行.系统每运行1d后空置2d,每3d测1次指标.每次加配水4L,水力停留时间24h,水力负荷81.5L/(m2⋅d).实验从5月下旬至8月上旬,期间温度26~37,℃平均温度32℃,每3d为1个运行周期.1.4测定方法DO和pH值采用美国ORION5-Star多功能在线指标监测仪测量(DO精度为0.01mg/L,pH值精度为0.01;COD采用重铬酸钾法测定;NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定;NO3--N采用酚二磺酸光度法测定;TN采用碱性过硫酸钾分光光度法测定;有机质采用灼烧失重法(LOI)测定.2实验结果2.1出水NH4+-N浓度及去除率由图1可见,1~6号系统出水的NH4+-N平均浓度均在1.5mg/L以下,分别为0.21,0.24,0.45,0.91,1.41,0.23mg/L.湿地对NH4+-N表现出良好的去除效果,6套系统的NH4+-N去除率分别为57.8%、95.7%、97.1%、97.0%、97.2%、99.2%.00.51.01.52.0123456系统编号NH4+-N浓度(mg/L)020406080100120NH4+-N去除率(%)NH4+-N浓度NH4+-N去除率图1出水NH4+-N浓度及去除率Fig.1NH4+-Nremovalrateandconcentrationineffluent2.2无机氮(TIN)及TN去除效果由图2可见,1~6号系统的TIN去除率分别为48.9%、91.4%、96.8%、97.0%、96.9%和96.5%.进水氮以NH4+-N为主,各湿地TIN去除率的差异也大致代表着TN去除率的差异,1~6号系统的TN去除率分别为55.8%、81.1%、85.7%、85.8%、86.1%和86.3%.2.3出水NO3--N浓度变化1~6号系统出水的NO3--N浓度分别为0.28,0.27,0.11,0.14,0.16,0.83mg/L.1~5号系统浓度7期廖晓数等：低C/N对湿地中硝化反硝化作用的影响605较低,且波动很小.6号系统出水浓度开始较高,之后逐渐降低到4号系统的水平并保持稳定,其变化如图3所示.020406080100120123456系统编号去除率(%)TNTIN图2TIN及TN去除率Fig.2TINandTNremovalrate00.501.001.502.002.503.001234567891011监测次数NO3--N浓度(mg/L)6号湿地4号湿地图3出水NO3--N浓度变化Fig.3VariationofNO3-Nconcentrationineffluent2.4湿地对COD的去除效果如图4所示,1~6号系统的COD去除率分别为51.1%、50.0%、88.4%、83.4%、76.1%和40.6%,去除率受进水浓度影响较大.020.040.060.080.0100.0123456系统编号COD去除率(%)图4湿地的COD去除率Fig.4CODremovalrateofwetlands3讨论3.1不同浓度进水时的除氮效果NO3--N以NO2--N为氮的中间形态,其含量和去除率不能代表湿地的除氮效果,NH4+-N为实验进水中氮的主要形态,在此可视为氮的初始形态,TN包括所有形态的氮,故NH4+-N和TN的去除率可视为湿地除氮效果的衡量指标.从图1可见,进水NH4+-N浓度为0.5mg/L的1号系统去除率昀低,仅为57.8%.当进水NH4+-N浓度为5.5~50.5mg/L时,系统去除率均在95%以上,且出水浓度(Y)与进水浓度(X)呈线性关系,求得拟合线性方程式:Y＝0.0266X＋0.075,R2=0.9971浓度对TN去除率的影响与对NH4+-N去除率的影响类似.从图2可见,1号系统的TN去除率昀低,为52.7%.当TN浓度在16.4mg/L以下时,其去除率随浓度的增加而增加,当浓度为16.4~51.4mg/L时,去除率可达85%以上,但去除率并不随浓度的增加而增加.此现象可能是因为负担着净化功能的微生物对浓度低于或高于某一数值的NH4+-N在一定时间内难以吸收和利用.1号系统进水NH4+-N浓度仅为0.5mg/L左右,不能被吸收利用的部分所占比例较大,因而表现去除率不高.而其他系统进水浓度从5.5mg/L到