張濤，宋新山

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620

在水體氮污染形勢日趨嚴(yán)峻的背景下，人工濕地因其比傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)具有更高的脫氮效率、更低的運(yùn)行維護(hù)成本、更好的生態(tài)屬性成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。出于對(duì)建造成本、運(yùn)行管理、異味控制等的考慮，目前國際上對(duì)潛流人工濕地有較多研究和應(yīng)用。

潛流人工濕地去除進(jìn)水中的氮主要依靠基質(zhì)、微生物、植物根系之間的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的協(xié)同作用[2-3]。較之植物和基質(zhì)，微生物在潛流濕地脫氮過程中發(fā)揮著更重要的主導(dǎo)作用，如氨化、硝化、反硝化等過程均是以微生物為主體而發(fā)生的。許多研究表明，濕地中的主要去氮機(jī)理是微生物硝化、反硝化作用[4-7]。因此，溶解氧、氧化還原狀況、溫度、pH、碳源供給情況等能直接對(duì)微生物活性造成影響的因素也決定著濕地的整體脫氮效果。

目前，大部分研究主要集中在人工濕地對(duì)含氮廢水的去除效率上[8-9]，對(duì)于濕地系統(tǒng)的理化性質(zhì)及其含氮污染物在整個(gè)床體中的空間變化的研究還不夠全面。為此，本研究在長期監(jiān)測試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合MATLAB軟件的插值模擬系統(tǒng)地分析了濕地床層內(nèi)溶解氧、pH、氧化還原電位（ORP）、水溫等理化性質(zhì)和不同形態(tài)氮素的沿程及垂向變化，有利于直觀揭示各出水指標(biāo)的空間分布特征，從而為氮的強(qiáng)化去除提供必要的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

潛流人工濕地尺寸為1.8 m×0.5 m×0.6 m，處理區(qū)填料由下至上依次為沸石、細(xì)砂，土壤，系統(tǒng)中栽種多年生草本植物蘆葦。在濕地床的上層、中層、下層依次沿程設(shè)置 16處取樣點(diǎn)，研究濕地各出水指標(biāo)的沿程及垂向變化（圖1）。

圖1 潛流人工濕地沿程布設(shè)Fig.1 Structure of wetland and distribution of sampling spots

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)進(jìn)水采用人工模擬污水，以自來水配制，有機(jī)物（以CODCr計(jì)）、氨氮和磷酸鹽分別采用葡萄糖、氯化銨和磷酸二氫鉀模擬，具體水質(zhì)條件見表1。

表1 潛流人工濕地進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Inflow water quality of wetlands

人工濕地系統(tǒng)從2008年10月開始進(jìn)自配污水，12月初開始出水水質(zhì)穩(wěn)定在較低水平，定期監(jiān)測各項(xiàng)指標(biāo)，直到2009年8月31日止。濕地運(yùn)行采用間歇進(jìn)水方式，水力學(xué)停留時(shí)間為1 d，每日進(jìn)水總量55 L。

測定范圍包括進(jìn)出水的理化參數(shù)、N等水質(zhì)指標(biāo)。水溫、溶氧（HI 9143溶解氧測定儀），pH（HI8424 NEW pH測定儀），ORP（德國WTW Multi 340i便攜式電位測試儀），COD（快速消解紫外分光光度法），硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮（HJ/T84-2001離子色譜法），氨氮（ASTM D1426納氏比色法），總氮（堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法），各種指標(biāo)的測試方法均按國家環(huán)保局編制的《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 潛流濕地系統(tǒng)水質(zhì)理化參數(shù)

每次采集水樣后，現(xiàn)場測定系統(tǒng)進(jìn)出水的理化參數(shù)，包括溶解氧、pH、氧化還原電位以及水溫等指標(biāo)。將采樣分析得到的數(shù)據(jù)編排好后，按照對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置輸入到MATLAB程序中，使用griddata和contour函數(shù)繪制濕地裝置側(cè)面的等值線圖。

2.1.1 溶解氧分布

氧是硝化過程中的電子受體，濕地內(nèi)溶解氧高低必將影響到硝化反應(yīng)的進(jìn)程。如圖2所示，潛流人工濕地溶解氧空間變化規(guī)律在冬夏兩季表現(xiàn)得基本一致，上部明顯比下部高，這可能是因?yàn)闈竦貎?nèi)部為多層基質(zhì)覆蓋，雖有表層水相的復(fù)氧作用和植物根系的泌氧作用，但是污水中的有機(jī)質(zhì)和氨氮的氧化需要消耗大量的氧，所以下部溶解氧往往難以得到補(bǔ)充。整個(gè)濕地從上至下，夏季溶解氧的變化速率相對(duì)冬季變慢，這可能與夏季植物光合作用旺盛導(dǎo)致根系泌氧作用加強(qiáng)有關(guān)，旺盛的泌氧作用在一定程度上延緩了溶解氧的降低。

2.1.2 pH的空間變化

一般當(dāng)pH<8.5時(shí)，氨氮的揮發(fā)可以忽略[11]。本試驗(yàn)中水力停留時(shí)間較短，植物對(duì)氮元素的攝取也應(yīng)當(dāng)較少，所以pH變化的主要原因是硝化與反硝化作用。文獻(xiàn)指出，一般人工濕地的pH在7.2～8.0之間，比較有利于硝化過程的進(jìn)行，反之，硝化過程將會(huì)受到抑制 。由圖3可知，濕地下部pH較小，主要在6.9～7.2之間，這說明濕地下部是適宜于反硝化反應(yīng)進(jìn)行的，是厭氧微生物聚集的場所；同理，濕地上部則適合硝化過程進(jìn)行。文獻(xiàn)[13]指出：濕地下部pH的改變主要是因?yàn)樵趨捬醐h(huán)境下有機(jī)質(zhì)降解后形成的一些有機(jī)的酸性物質(zhì)所造成的，同時(shí)，植物生產(chǎn)，死亡和分解也產(chǎn)生一定的天然酸度，pH因此下降。

圖2 潛流人工濕地冬季（12月）、夏季(6月）出水溶解氧（DO）空間變化Fig.2 The spatial distribution of dissolved oxygen in December and June in the SSFCW system

圖3 潛流人工濕地出水pH空間變化Fig.3 The changes of pH in the SSFCW system

2.1.3 氧化還原電位分布

通過梳理改革開放以來各個(gè)歷史階段的黨中央的意識(shí)形態(tài)方針，可以進(jìn)一步把握中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)意識(shí)形態(tài)建設(shè)的基本邏輯和內(nèi)在理路，為新時(shí)代背景下中國共產(chǎn)黨深入推進(jìn)意識(shí)形態(tài)工作、不斷鞏固意識(shí)形態(tài)陣地、進(jìn)一步增強(qiáng)意識(shí)形態(tài)凝聚力和吸引力提供了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。新時(shí)代背景下開展意識(shí)形態(tài)領(lǐng)導(dǎo)工作，要從思想引領(lǐng)、傳播手段和階級(jí)基礎(chǔ)等多個(gè)維度齊抓并舉。

從濕地穩(wěn)定運(yùn)行期的監(jiān)測值（圖4）可以直觀看出，ORP數(shù)值上高下低，下部區(qū)域的ORP數(shù)值范圍為50～100 mV，呈現(xiàn)出明顯的還原性。此外，越往濕地后部延伸，這種特點(diǎn)越明顯，顯示還原性的區(qū)域越大。此外，還可以明顯地發(fā)現(xiàn)濕地中部前端 ORP較高，而中部后部 ORP較低。綜合分析認(rèn)為，這一結(jié)果是溶解氧，有機(jī)質(zhì)和含氮污染物（以有機(jī)氮和氨氮為主）三者氧化還原性的綜合體現(xiàn)。

圖4 濕地出水氧化還原電位（ORP）空間變化Fig.4 The distribution of ORP in the SSFCW system

2.1.4 水溫空間變化

如圖5所示，濕地裝置內(nèi)部下層溫度總體比上層溫度要高，這一點(diǎn)在濕地前端表現(xiàn)得尤其明顯。除了濕地本身具有一定的保溫作用外，濕地前端好氧菌的作用，使有機(jī)質(zhì)和氨氮等污染物被氧化，同時(shí)釋放出一定的熱量，導(dǎo)致了濕地前端的溫度較高。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為，人工濕地對(duì)水溫有緩沖作用。本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)同樣存在了該現(xiàn)象，即：當(dāng)短期內(nèi)氣溫升高時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部溫度低于外界溫度；氣溫突然下降時(shí)，濕地系統(tǒng)對(duì)水流又有一定的升溫作用。

圖5 濕地春季3、4月出水溫度空間變化Fig.5 The changes of temperature in SSFCW

2.1.5 碳源變化（COD）

碳源主要對(duì)反硝化過程產(chǎn)生影響，而系統(tǒng)中碳源的分布并不與反硝化作用活躍的區(qū)域同步，人工濕地對(duì)有機(jī)物的去除效果較好，反硝化過程中便可能造成碳源不足。從圖6可知，濕地下部厭氧區(qū)域的出水 COD始終保持在較高水平，平均值在 100 mg·L-1左右，后端比前端高出10 mg·L-1。這是由于濕地下部沒有充足的氧的供給，而濕地上部溶解氧較充足，因此相對(duì)應(yīng)的 COD普遍較低，大致都在50～60 mg·L-1左右。另外，濕地前端上部有一個(gè)COD較低的區(qū)域，平均值在50 mg·L-1左右。該結(jié)果基本可以證明：濕地前端上部是 COD降解的主要場所。潛流人工濕地的化學(xué)需氧量（COD）沿程變化趨勢和前述的溶解氧變化趨勢具有一定的對(duì)應(yīng)性。

圖6 濕地出水化學(xué)需氧量（COD）空間變化Fig.6 The distribution of COD in SSFCW

2.2 濕地系統(tǒng)氮含量的空間變化

2.2.1 出水總氮的空間分布

潛流人工濕地沿程出水中，總氮的變化情況如圖7所示?？偟饕怯砂钡?、硝氮、亞硝氮和有機(jī)氮組成的。在本試驗(yàn)所運(yùn)行的濕地系統(tǒng)中，氨氮和硝氮是主體；亞硝氮在濕地系統(tǒng)中不易積累；而有機(jī)氮主要是由植物根系分泌或者由腐枝落葉分解而產(chǎn)生的。

圖7 濕地出水總氮（TN）空間分布Fig.7 The changes of TN in SSFCW

總氮濃度在濕地前端較高，而在濕地后端較低。水力學(xué)停留時(shí)間為1 d時(shí)，濕地前端的總氮，受入水中氨氮和硝氮總和的影響，一般情況下總氮濃度較高。在濕地中部，氨氮大部分被降解，硝氮成為主要形態(tài)，此時(shí)總氮會(huì)有一定程度的下降。在濕地后部，硝氮經(jīng)反硝化作用被去除，表現(xiàn)為總氮濃度的進(jìn)一步下降。如圖中數(shù)據(jù)，總氮濃度在2.0～9.0 mg·L（以N計(jì)）范圍內(nèi)，各點(diǎn)的出水總氮去除率在55%～80%之間。

2.2.2 出水氨氮的空間變化

如圖8所示，濕地沿程出水氨氮濃度上低下高，并在左下角濃度最高，隨著濕地的水流方向而減少。在濕地上部表層的復(fù)氧區(qū)域，出水氨氮水平最低，平均在1.0 mg·L-1左右。在模擬圖中的右半部分（包含出水口），出水氨氮濃度大致處于1.0～2.0 mg·L-1范圍內(nèi)。說明潛流人工濕地對(duì)脫除氨氮是很有效的，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度較低時(shí)（10.0 mg·L-1），去除率可達(dá)80%～90%，甚至更高。而在人工濕地的左下角，氨氮濃度高達(dá)4.0～6.0 mg·L-1，這主要是因?yàn)槠涮幱跐竦氐淖钋岸?，水體死角，溶解氧缺乏，有限的溶解氧也被用來降解有機(jī)物，硝化過程難以進(jìn)行，受植物和微生物的影響亦較小。

圖8 濕地出水氨氮（NH4+-N）空間變化Fig.8 The changes of NH4+-N in SSFCW

2.2.3 出水硝態(tài)氮的空間分布

圖9顯示的是濕地內(nèi)部硝氮（NO3--N，以N計(jì)）的沿程變化情況。在濕地下端，由于反硝化作用，出水的硝氮濃度小，范圍約為0～3.0 mg·L-1；濕地上端濃度則相對(duì)較大，約4.0～7.0 mg·L-1。在該實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)水的C/N為3.33，對(duì)于反硝化來說，濕地下部的碳源還算是比較充足的，因此反應(yīng)進(jìn)行得比較充分，導(dǎo)致底部硝氮濃度低。而在濕地上部，COD含量相對(duì)較小，碳源缺乏，便導(dǎo)致出水硝氮濃度偏高。此外，結(jié)合氨氮的插值模擬結(jié)果，在濕地裝置的左下角，硝氮的濃度很低而氨氮的濃度很高。

2.2.4 出水亞硝態(tài)氮的空間變化

濕地內(nèi)部亞硝氮（NO2--N，以N計(jì)）的沿程變化情況如圖 10所示，總體而言，亞硝氮在濕地內(nèi)部的濃度很低，范圍大致為 0～0.08 mg·L-1。此外可以明顯發(fā)現(xiàn)：在濕地中下部亞硝氮的濃度相對(duì)較高，并且隨濕地長度的增加而減小。一般來說，亞硝氮不易在自然生態(tài)系統(tǒng)中積累，其是由氨氧化菌在氧化氨氮的中間反應(yīng)過程中產(chǎn)生的，所以，產(chǎn)生亞硝氮的量很少。

圖9 濕地出水硝態(tài)氮（NO3--N）空間變化Fig.9 The spatial distribution of NO3—N in SSFCW

圖10 濕地出水亞硝態(tài)氮（NO2--N）空間變化Fig.10 The spatial distribution of NO2--N in system

就本人工濕地系統(tǒng)而言，濕地中下部亞硝氮濃度高，而上部、后端的出水中，亞硝氮的濃度低，這很明顯地是與濕地硝化-反硝化的過程對(duì)應(yīng)的。因?yàn)槲鬯械陌钡到獾闹饕獔鏊菨竦厍岸?，所以在反?yīng)過程中產(chǎn)生的亞硝氮便積聚于此。其后，亞硝氮很快地被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝氮（NO3--N），并在濕地后端的反硝化反應(yīng)中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 N2或者少量的N2O。

3 結(jié)論

（1）潛流人工濕地溶解氧空間分布規(guī)律在冬夏兩季表現(xiàn)得基本一致，即濕地的上部高下部低。該趨勢在冬季表現(xiàn)地更加明顯，這可能與冬季微生物、植物的活性被抑制有關(guān)。人工濕地對(duì)水溫有明顯的緩沖作用，這種緩沖作用是濕地作為生態(tài)系統(tǒng)的一種生態(tài)功能，即維持系統(tǒng)溫度穩(wěn)定。

（2）濕地下部pH的改變主要是在厭氧環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)降解后形成的一些有機(jī)的酸性物質(zhì)所造成的，同時(shí)，植物生產(chǎn)、死亡和分解也產(chǎn)生一定的天然酸度，pH值因此下降。因此，適當(dāng)提高濕地床體的堿度對(duì)人工濕地脫氮具有積極意義。

（3）人工濕地ORP的變化是溶解氧、有機(jī)質(zhì)、含氮污染物和微生物等相關(guān)因素綜合性的體現(xiàn)，外在表現(xiàn)為上部氧化下部還原，前部氧化后部還原。濕地下部是適宜于反硝化反應(yīng)進(jìn)行的，是厭氧微生物聚集的場所；濕地上部則是適合硝化過程進(jìn)行的。

（4）濕地前端上部是COD、氨氮降解的主要場所，在前端下部區(qū)域硝氮的濃度低而亞硝氮、氨氮的濃度相對(duì)較高。濕地系統(tǒng)中亞硝氮總體水平不高，僅在前段中下部有所積累?？偟獫舛仍跐竦厍岸溯^高，而在濕地后端較低，其去除率在根本上依賴于反硝化作用的強(qiáng)度。

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