氮作為引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一，從水體中脫除氮素對保護(hù)水環(huán)境具有重要意義 〔1〕。人工濕地作為一種高效節(jié)能的生態(tài)污水處理技術(shù)，其可承受較大的水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷，尤其適用于去除水中的有機(jī)物、懸浮物和氮磷，是控制水環(huán)境點(diǎn)源和非點(diǎn)源氮污染的有效技術(shù)〔2〕。人工濕地中存在多種脫氮機(jī)理，包括植物吸收、基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)、硝化-反硝化等，其中硝化-反硝化被認(rèn)為是最主要的脫氮過程〔3〕。研究表明，硝化-反硝化除氮量占氮去除總量的60%～86%〔4〕。
硝化-反硝化過程中，硝化反應(yīng)主要受制于濕地溶解氧水平的高低，而反硝化反應(yīng)則受制于碳源供給量的多少〔5〕。受限于濕地的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部溶解氧水平普遍較低，抑制了好氧微生物的活動和各種生化反應(yīng)的進(jìn)行，嚴(yán)重影響了人工濕地脫氮除污的效果 〔6〕。此外，目前很多城市污水的碳氮比值普遍偏小，并且難降解有機(jī)物在其中占有一定的比重〔7〕，不利于濕地反硝化作用的正常進(jìn)行，也嚴(yán)重影響了濕地脫氮的效率〔8〕。投加外碳源可以有效提高人工濕地的反硝化速率。然而，補(bǔ)充過量碳源又會因?yàn)楦偁幦芙庋醵拗葡趸磻?yīng)的有效進(jìn)行。如何同時(shí)保障硝化-反硝化這一重要脫氮機(jī)制的暢通是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵所在。
在目前已有研究中，對于通過提高溶解氧水平和投加外碳源來改善濕地脫氮效果的研究已有不少報(bào)道，但對溶解氧和碳源在人工濕地脫氮中耦合關(guān)系的分析卻鮮有報(bào)道，也缺乏系統(tǒng)總結(jié)。筆者對溶解氧和碳源在人工濕地脫氮中的作用及主要來源進(jìn)行了描述，重點(diǎn)論述并分析了溶解氧和碳源在人工濕地脫氮中的耦合關(guān)系，對同時(shí)保障濕地硝化-反硝化這一重要脫氮機(jī)制的暢通提出了建議。
1 溶解氧和碳源的作用及其主要來源
1.1 溶解氧與濕地脫氮
污水中的氮主要以有機(jī)氮和無機(jī)氮兩種形態(tài)存在。污水進(jìn)入人工濕地后，有機(jī)氮被氨化成無機(jī)氮，通過硝化及反硝化作用進(jìn)一步被去除。硝化作用受床體中溶解氧(DO)含量的影響很大，當(dāng)濕地中DO含量足已支持好氧硝化細(xì)菌的生長時(shí)，硝化反應(yīng)才得以順利進(jìn)行〔9〕。許多文獻(xiàn)中提到DO質(zhì)量濃度超過1.5 mg/L才是硝化反應(yīng)發(fā)生的先決條件〔10〕;當(dāng)DO濃度過低時(shí)，不僅降低硝化反應(yīng)速率和總脫氮率，而且出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，但是人工濕地系統(tǒng)中的氧不僅僅被消耗于氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的降解，還被消耗于有機(jī)物質(zhì)的降解，本就有限的DO含量在濕地系統(tǒng)脫氮過程中就變得更為有限。因此，濕地氧環(huán)境關(guān)系到濕地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及其凈化效果〔11〕。提高濕地硝化脫氮的效果，關(guān)鍵在于改善濕地內(nèi)部的供氧環(huán)境，增加DO含量。
人工濕地中的DO主要來源于植物輸氧作用、大氣復(fù)氧和水體更新復(fù)氧〔12〕。大氣復(fù)氧是濕地供氧的主要來源，對濕地系統(tǒng)的有效除污及正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。溫度對人工濕地中大氣復(fù)氧量有重要影響〔13〕。標(biāo)準(zhǔn)氣壓下飽和DO濃度公式為：
Os=14.54-0.39T+0.01T2
式中：Os——飽和DO質(zhì)量濃度，mg/L;
T——溫度，℃。
水體更新復(fù)氧的特點(diǎn)是人工濕地系統(tǒng)內(nèi)水體的每次更新，都會帶入所有進(jìn)水中的溶解氧〔14〕。植物輸氧的特點(diǎn)是人工濕地中植物能將光合作用產(chǎn)生的氧通過氣道輸送至根區(qū)，并在根區(qū)附近形成好氧、厭氧和缺氧的根區(qū)微環(huán)境，為根區(qū)的好氧、兼性和厭氧微生物發(fā)揮功效提供了適宜的生存環(huán)境〔15〕。其中，植物輸氧和大氣復(fù)氧是人工濕地自然供氧的主要途徑。不同類型濕地由于構(gòu)造的不同，對氧的主要獲取途徑也存在差異。對于表面流人工濕地，通過水體表面可以直接進(jìn)行大氣復(fù)氧。而對于潛流式人工濕地，由于污水流動方式和基質(zhì)的阻礙作用，大氣復(fù)氧只能提供非常有限的氧含量，植物輸氧作用是潛流式人工濕地中溶解氧的主要來源。和水平潛流人工濕地相比，垂直流人工濕地獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水利流態(tài)使其更有利于濕地內(nèi)部的供氧，創(chuàng)造出較好的氧環(huán)境〔11〕。考慮到垂直流人工濕地有較好的硝化能力，水平潛流人工濕地反硝化作用較好，兩者結(jié)合構(gòu)建復(fù)合人工濕地技術(shù)已成為提高濕地脫氮除污效果的一種有效途徑。但是，通常大氣復(fù)氧及植物輸氧無法滿足污水中各類污染物質(zhì)的生化需氧量，也進(jìn)一步造成濕地因缺乏足夠的溶解氧而無法有效地去除各類污染物質(zhì)，嚴(yán)重影響了濕地的脫氮除污效果。為了提高人工濕地對多種污染物的去除效率，各類人工增氧技術(shù)已逐步被應(yīng)用到人工濕地中，主要包括改進(jìn)濕地工藝設(shè)計(jì)和進(jìn)水方式、自動增氧、進(jìn)水預(yù)曝氣和鋪設(shè)曝氣管等〔15〕。合理應(yīng)用各類增氧技術(shù)對提高濕地溶解氧水平和增加濕地脫氮效率起著重要作用。
1.2 碳源與濕地脫氮
根據(jù)反硝化原理，反硝化過程是NO3-在反硝化細(xì)菌的作用下被還原為N2或N2O從污水中溢出，其中反硝化菌可以利用碳源作為電子供體來脫氮，因此碳源對濕地反硝化脫氮效果的影響很大〔16, 17〕。
人工濕地中的碳源主要包括進(jìn)入濕地的污水中所含的碳源、內(nèi)源碳和外加碳源。濕地中的內(nèi)碳源主要包括微生物分解或植物根系分泌產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)、植物枯落物分解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)和基質(zhì)中沉積的有機(jī)物質(zhì)。外加碳源包括糖類物質(zhì)(葡萄糖、蔗糖、果糖等)和液體碳源(甲醇、乙醇、乙酸等)為主的易生物降解的傳統(tǒng)碳源〔18〕、天然植物材料(植物秸稈、農(nóng)業(yè)廢棄物、植物枯葉等)和天然有機(jī)物(報(bào)紙、棉花、稻殼等)為主的新型碳源〔19〕。
以糖類物質(zhì)和液體碳源為外加碳源時(shí)，費(fèi)用較高，同時(shí)也增加了處理工藝的運(yùn)行成本，且甲醇、乙酸等有機(jī)碳源具有一定毒性，也進(jìn)一步阻礙其開發(fā)使用。為了進(jìn)一步降低水體脫氮的成本，一些來源充足、取材方便且成本低廉的天然植物材料和天然有機(jī)物等新型碳源正日益受到廣泛關(guān)注〔20〕。已有研究表明〔21〕，以天然植物材料為代表的新型碳源因本身富含纖維素類物質(zhì)，通過合理利用可以有效解決人工濕地處理低碳氮比污水時(shí)脫氮效率低的難題。
2 溶解氧和碳源在脫氮中的耦合關(guān)系分析
在濕地硝化-反硝化脫氮的過程中，硝化反應(yīng)只是將NH4++-N轉(zhuǎn)化成NO3--N，并沒有從根本上使氮從水體中脫除。而反硝化作用則是將NO3--N轉(zhuǎn)換成N2或N2O，最終使水體中的氮轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氮逸出系統(tǒng)。因此，反硝化反應(yīng)往往被認(rèn)為是控制濕地脫氮的限制性因素〔22〕。有機(jī)碳源是反硝化作用主要的電子供體，碳源的不足是制約反硝化的關(guān)鍵因素。補(bǔ)充碳源提高了水體中的碳氮比，為微生物反硝化作用提供了充足的電子供體，因此提高進(jìn)水碳氮比被認(rèn)為是提高濕地反硝化脫氮效果的有效途徑〔23〕。但是隨著碳氮比的增加，造成在硝化階段碳源與NH4++-N競爭消耗溶解氧，導(dǎo)致NH4++-N因缺乏足夠的溶解氧而無法有效地去除和轉(zhuǎn)化。陳慶昌等〔17〕研究也發(fā)現(xiàn)，碳氮比越大，人工濕地系統(tǒng)對NH4++-N的去除效果越差，碳氮比的提高抑制了濕地硝化作用的進(jìn)行，從而抑制了NH4++-N的有效轉(zhuǎn)化，NH4++-N去除率隨碳氮比提高而降低。因此，合理調(diào)整濕地進(jìn)水中的碳氮比被認(rèn)為是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵所在。
Yi Ding等〔4〕研究發(fā)現(xiàn)，在濕地系統(tǒng)進(jìn)水時(shí)檢測到的DO介于3.8~4.7 mg/L，而出水時(shí)檢測到的DO僅為0.5~1.7 mg/L，DO主要通過好氧呼吸和化學(xué)需氧的過程被消耗。考慮到部分DO可能在氧化有機(jī)物質(zhì)的過程中已經(jīng)被消耗，可供硝化反應(yīng)發(fā)生的氧含量更加有限。隨碳氮比的提高，DO含量減少，同時(shí)NH4++-N去除率隨碳氮比的升高而降低。碳氮比為6.0被認(rèn)為是最適宜的進(jìn)水碳氮比，此時(shí)總氮平均去除率達(dá)51%。連小瑩等〔24〕研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)潛流式人工濕地進(jìn)水碳氮比由2.0增大到6.0時(shí)，總氮的去除效率由45%提高到70%;而當(dāng)進(jìn)水碳氮比由6.0增大到14.0時(shí)，總氮的去除效率僅由70%提高到85%，提高的幅度相對較小。潛流式人工濕地對總氮的去除效率隨NH4++-N/TN的增加而降低，隨著NO3--N/TN的增加而提高。碳氮比為6.0是系統(tǒng)中有機(jī)物濃度成為濕地脫氮限制性因素的臨界點(diǎn)，因此也被認(rèn)為是最適宜的進(jìn)水碳氮比值。陳慶昌等〔17〕研究發(fā)現(xiàn)，碳氮比為7.1~8.1是系統(tǒng)脫氮最適宜的進(jìn)水碳氮比值。賈文林等〔23〕研究發(fā)現(xiàn)，TN 的去除率隨碳氮比的增大而逐漸提高，當(dāng)碳氮比為5時(shí)，TN去除率能達(dá)到63.8%，當(dāng)碳氮比大于5后，TN去除率變化不大。NH4++-N去除率隨著碳氮比的增加而降低。碳氮越高，反硝化過程越徹底，NO3--N的去除也越徹底。因此，碳氮比為5.0被認(rèn)為是系統(tǒng)脫氮的最適宜進(jìn)水碳氮比值。通過合理調(diào)控進(jìn)水碳氮比，不僅能提高系統(tǒng)脫氮效率，還能降低系統(tǒng)脫氮的成本〔21〕。上述已有研究表明進(jìn)水碳氮比為5.0~8.0是充分發(fā)揮人工濕地硝化-反硝化脫氮效果的最佳進(jìn)水范圍。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
溶解氧和碳源是影響人工濕地硝化-反硝化脫氮的兩個(gè)關(guān)鍵因素。其中，硝化反應(yīng)主要受制于濕地溶解氧水平的高低，而反硝化過程則受制于碳源供給量的多少。氮的去除主要是依靠微生物的反硝化作用使其轉(zhuǎn)化為氣體逸出系統(tǒng)。因此，在進(jìn)水總氮濃度一致的情況下，進(jìn)水中有機(jī)物濃度的增加有利于反硝化過程的順利進(jìn)行。但是隨著碳氮比的增加，造成在硝化階段碳源與NH4++-N競爭消耗溶解氧，導(dǎo)致NH4++-N因缺乏足夠的溶解氧而無法有效地去除和轉(zhuǎn)化。因此，合理調(diào)整濕地進(jìn)水中的碳氮比被認(rèn)為是提高濕地脫氮效率的關(guān)鍵所在。通過合理調(diào)控進(jìn)水碳氮比，還能降低系統(tǒng)脫氮的成本。通過對人工濕地中溶解氧水平和碳源含量之間耦合關(guān)系的界定分析，從而確定最適宜的進(jìn)水碳氮比值，已有研究表明進(jìn)水碳氮比為5.0~8.0是充分發(fā)揮人工濕地硝化-反硝化脫氮效果的最佳進(jìn)水范圍。
