低碳高氮废水的人工湿地脱氮研究进展代嫣然

第三届全国农业环境科学学术研讨会论文集2009年10月910低碳高氮废水的人工湿地脱氮研究进展18代嫣然1,2，梁威1，吴振斌1（1.中国科学院水生生物所淡水生态与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：本文介绍了人工湿地污水处理系统脱氮的机理，阐述了碳源、溶解氧、温度以及pH值等因素对人工湿地处理低碳高氮废水时脱氮效果的影响，并对人工湿地处理低碳高氮废水的研究方向作了展望。关键词：人工湿地；低碳高氮；脱氮；研究进展ResearchAdvancesofConstructedWetlandsforNitrogenRemovalofWastwaterwithHighNitrogenandLowCarbonContentsDAIYan-ran1,2,LIANGWei1,WUZhen-bin1(1.StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China;2.GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)Abstract:Inthispaper,themechanismofnitrogenremovalintheconstructedwetland,togetherwiththeeffectsoforganiccarbonavailability,dissolvedoxygen,temperature,pHonthenitrogenremovalwassurmarized.Inaddition,theresearchprospectsoftheconstructedwetlandtotreatwastewaterwithhighnitrogenandlowcarboncontentswerealsoproposed.Keywords:constructedwetland;highnitrogenandlowcarbon;nitrogenremoval;researchadvances随着我国经济、社会的快速发展以及城市化进程的加快，大量污水未经适当处理直接排入水体，导致河流、湖泊等水体富营养化严重，生态系统退化，生态服务功能下降，甚至完全丧失，并呈进一步恶化趋势。氮作为表征地表水水质状况的主要污染物指标之一，是影响水生态系统健康和稳定的重要因素。处理系统对污染水体中氮的净化去除效率是评价处理系统效率的一个重要指标。近几十年来，人工湿地作为一项具有效率高、投资低、运行维持费用低等优点[1]的污水生物处理技术而被广泛用于处理各种污水，如生活污水[2]、工业废水[3]、暴雨径流[4]、农业面源废水[5]等，在污染控制方面发挥了重要作用。受污染城市水体、雨水径流形成的面源污染物中氮的浓度较高、相对有机物浓度不高，如滇池流域的暴雨径流，初期平均COD为80mg·L-1，后期则不足20mg·L-1，湿地进水的碳氮比甚至还不能达到1.0[6]。对于这样的水质特点，人工湿地的脱氮效果均不理想[7]。因此，如何提高人工湿地对低碳高氮废水中大量氮的去除效率，引起了人们的广泛关注。1人工湿地的脱氮机制人工湿地对氮的去除主要是通过植物吸收、沉淀及基质吸附、硝化－不完全反硝化产生N2O以及完全反硝化产生N2等作用实现的[8]。另外，研究发现厌氧氨化细菌直接将NO2－和NH4＋转化为N2也是湿地脱氮的一种途径，但对其在湿地除氮过程中所发挥作用的大小所知甚少[9]。一般来说，人工湿地中昀主要的除氮机制仍收稿日期：2009-09-01基金项目：国家自然科学基金项目；国家“十一五”重大科技专项(2008ZX07106-003)；江苏省科技惠民项目(BE2008651)；中科院天津专项(TJZX2-YW-07)作者简介：代嫣然（1985—)，女，湖北钟祥人，硕士研究生，研究方向为环境生物学及生态修复。通讯联系人：梁威E-mail:[e-mail]2009年10月第三届全国农业环境科学学术研讨会论文集911然是微生物的硝化反硝化作用，与人工湿地去除氮过程相关的因素主要有两个：湿地微生物和湿地植物。1.1湿地微生物人工湿地处理污水时，氮的降解和转化主要是由湿地植物根区微生物活动来完成的，人工湿地中微生物的活动是废水中有机物降解的主要机制[10]。水生植物通过通气组织的运输，将氧气输送到根区，从而形成了根表面及附近区域的氧化状态，废水中大部分有机物质在这一区域被好氧微生物利用氧而分解成为CO2和H2O，有机氮化物等则被这一区域的硝化细菌所硝化[11]。而在湿地中的还原状态区域，则是经过厌氧细菌的发酵作用，将有机物分解[12]。其中人工湿地微生物除氮主要通过以下途径：第一步氨化作用，湿地微生物分解有机含氮化合物释放出氨(DON→NH4+)；第二步硝化作用，自养型好氧微生物先将氨氮转化为亚硝酸盐，再进一步氧化为硝酸盐(NH4+→NO2-→NO3-)；第三步反硝化作用，硝态氮还原成氧化二氮或氮气(NO2-→NO3-→NO→N2O→N2)。硝化作用是好氧过程，主要由亚硝化细菌和硝化细菌来完成；而反硝化过程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。一般认为湿地中植物和土壤对氮的吸收很少，植物大概只有8%～16%，而大部分都是通过微生物的作用去除的。Spieles等[13]研究表明，人工湿地系统中，反硝化作用脱除的氮占总去除氮的比例高达60%～70%。而黄娟等[14]以大量试验资料为基础，对潜流型人工湿地的脱氮途径及规律进行了定量分析，得出微生物降解量约占进水总氮的50%。1.2湿地植物湿地植物主要在以下4个方面影响湿地对氮的去除：(1)一定程度上优化湿地内部水流状态；(2)将氧气从上部输送至根部，从而在根区或根际形成一种好氧环境，进而刺激有机物质的分解和硝化细菌的生长；(3)提供微生物附着的根区表面；(4)提供能供异氧细菌生长的可降解有机碳源[15]。此外，通过湿地植物的收割带走部分氮也是湿地去除氮的一条途径。湿地植物主要吸收NH4＋-N、NO3－-N等形态的无机氮并将其转化为植物体细胞以及组织生长所必需的有机物[16]。但一般认为，植物吸收的氮仅占总去除氮的20%～30%。然而，因为不同的植物对季节更替变化的反应、蒸腾作用以及提供可利用有机碳源的多少和种类不同[17]，因此选择合适的水生植物种类在净化污水过程中至关重要。Toet等[18]研究发现在以挺水植物为优势种的湿地中氮的去除率高于以沉水植物和藻类为优势种的湿地。而Bastviken等[19]通过对比种植挺水植物与沉水植物的两种湿地也发现类似的结论，同时实验还得出两者之间的差异随季节的变化而改变。Reddy等[20]研究了凤眼莲等8种水生植物净化污水的能力，结果发现，夏季水生植物去除氮的效果顺序依次为：凤眼莲(EichhorniacrassipesSolms)、水浮莲(PistiastratiotesL.)、水鳖(HydrocotyleumbellataL.)、浮萍(LemnaminorL.)、槐叶萍(Salviniarotundifolia)、紫萍(SpirodelapolyrhizaL.)、水筛(EgeriadensaPlanch)；而在冬季其去除效果依次为：水鳖、凤眼莲、浮萍、水浮莲、紫萍、槐叶萍、水筛。2影响人工湿地氮去除的主要因素2.1碳源一般来说，湿地内硝态氮必须通过反硝化作用才能彻底的从系统中去除。而人工湿地内反硝化作用可能因为缺乏可利用有机碳、硝酸盐或存在过量的氧气而受到抑制，其中可利用碳源的缺乏往往是脱氮过程中的限制性步骤[21]。反硝化细菌不仅需要碳源物质提供细胞活动的能量，还必须利用含碳物质合成细胞体[22]。碳源物质主要通过影响反硝化细菌的活性来影响处理系统的脱氮速率。能为反硝化细菌所利用的碳源是多种多样的，主要可分为3类：(1)废水中所含的有机碳源；(2)内源碳；(3)外加碳源等[23]。研究表明，许多受污染水体存在着COD较低而氮、磷含量较高的特点，即废水中所含有机碳源相对较少，C∶N∶P的比例远低于100∶5∶1，不利于现有生物处理系统对氮的去除。王凯军等[24]运用复合垂直流人工湿地处理废水时发现，通过第一级下行床后，剩余的COD只有27.6mg·L-1，可供反应的电子供体不充足，反硝化反应不能完全进行。内源碳主要是指由植物枯叶或其他有机物分解生成的BOD，同时内源自养过程积累并将含碳有机物释放回湿地中，也会形成1～10mg·L-1BOD。但基质中所含的有机碳物质并不能全部被反硝化细菌所利用[25]。Hunter[26]研究得出，即使运行10a之久的人工湿地仍然存在因基质中缺乏可利用的有机碳源而影响系统反硝化第三届全国农业环境科学学术研讨会论文集2009年10月912能力的问题。McCarty等[27]也认为在绝大多数情况下，电子供体是人工湿地反硝化过程中的限速底物。针对人工湿地内部普遍存在的反硝化细菌可利用有机碳源不足的状态，越来越多的研究者开始关注外加碳源对湿地脱氮效率的影响。Garcia-Montiel等[28]研究发现，在人工湿地中添加简单的有机物(如葡萄糖)能够大大提高反硝化速率。随着对该领域研究的不断深入，更多地选择以天然有机物(如碎树枝、植物残体以及腐殖质等)作为外加碳源。Sami和Stephen[29]以轧棉工业的废弃棉花作为有机碳源直接覆盖在湿地表层，对比未投加任何碳源的相应湿地，结果表明投加废弃棉花的湿地基质内部平均可矿化有机碳含量要高出1.5倍，同时反硝化速率也有明显的提高。Ingersoll和Baker[30]发现，当投加到湿地中干枯香蒲茎叶的量增加到一定程度时，NO3-的脱除效率接近100%。但是C∶N并不是越高越好，因为COD较高时，其降解时会大量消耗溶氧，导致DO急剧降低，使NH4＋-N的硝化作用受到抑制，不能产生反硝化需要的足够的底物NO3－-N。有研究表明C∶N比的理论值为1.07[31]，而昀佳比为3.5[32]。另外，需要注意的是，利用人工湿地处理低碳源面源污水中的氮时，应充分考虑污水中氮的形态，对于以NO3－-N为主的污水，可以通过补充碳源提高TN的去除效果；对于以NH4＋-N为主的污水，仅仅靠投加碳源是不够的，还要考虑复氧的问题[33]。2.2温度温度对人工湿地脱氮性能的影响主要有两方面：一是温度对微生物硝化作用的影响，二是冬季温度降低植物枯萎死亡，植物停止吸收，并且逐渐向系统中释放氮，由于硝化能力降低，不能及时将植物和微生物释放出的氮降解掉，导致出水氮浓度升高，甚至出水浓度大于进水浓度。另外，温度对基质吸附作用的两个阶段(颗粒外部扩散阶段和颗粒内部扩散阶段)都有影响，而且温度对吸附剂本身的溶解性和化学吸附也有影响。微生物的硝化作用是一个对温度敏感的过程[34]，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性都有较大大影响[35]。一般认为，硝化细菌的昀适温度是28～36℃，在温度＜10℃时，硝化反应便受到抑制[36]；＜6℃反应速率大幅度降低[37]；但也有研究发现，当温度降到0～5℃时湿地内部仍然存在硝化反应[38]。Cookson等[39]认为硝化细菌能够通过调节细胞体的新陈代谢来适应低温条件并维持其细胞活性。Alleman[40]发现在低温条件下出现亚硝酸盐累积的现象，表明该条件下系统中只发生铵氧化过程。对于反硝化作用则能够随温度升高而增大直至60~75℃[41]。但当温度低至5℃时，不仅反硝化作用受到抑制，而且主要产物由N2转变成温室气体N2O和NO[42]。杨昌凤等[43]在模拟人工湿地处理污水的实验研究中也发现：气温在22～32℃范围内，两种系统对K、N的去除率随着温度的升高而增大。不过，也有人发现短期的温度变化对氮磷的去除率影响不大；但如果长期的温度变化将会导致营养物质的去除率发生改变[44]。2.