潮汐流人工濕地基質(zhì)硝化反硝化強(qiáng)度研究

張亞瓊，崔麗娟*，李偉，李凱

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091；2. 濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091 3. 北京漢石橋濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，北京 101300

潮汐流人工濕地基質(zhì)硝化反硝化強(qiáng)度研究

張亞瓊1,2,3，崔麗娟1,2,3*，李偉1,2,3，李凱1,2,3

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091；2. 濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091 3. 北京漢石橋濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，北京 101300

潮汐流人工濕地（Tidal flow constructed wetland, TF-CW）是一種新型人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，并且在氮去除方面受到了廣泛的關(guān)注。通過(guò)對(duì)比4種不同進(jìn)水方式TF-CW對(duì)NH4+-N和NO3--N兩種氮形態(tài)的處理效果，并分析基質(zhì)硝化反硝化強(qiáng)度與去除效果之間的相關(guān)性以及不同處理深度基質(zhì)的硝化反硝化強(qiáng)度。結(jié)果顯示：4種進(jìn)水方式的濕地模擬裝置對(duì)NH4+-N的平均去除率差異性顯著且與硝化強(qiáng)度差異性一致，閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間為 2∶1(D)的進(jìn)水方式下基質(zhì)的平均硝化強(qiáng)度最大，為(1.68±0.29) mg·kg-1·h-1，4種模擬裝置的基質(zhì)平均反硝化強(qiáng)度差異性也顯著（P=1.202×10-5），連續(xù)流進(jìn)水方式反硝化強(qiáng)度最大，為(2.99±1.58) mg·kg-1·h-1；TF-CW基質(zhì)硝化強(qiáng)度與NH4+-N的去除率有明顯的正相關(guān)性（r2=0.849 7，P=4.285×10-14），反硝化強(qiáng)度與NO3--N的出水濃度呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系（r2=0.844 8，P=6.939×10-14）；裝置上部0～30 cm的處理階段硝化強(qiáng)度最大，隨深度增加變化逐漸減小，反硝化強(qiáng)度在中部的30～60 cm階段較高。本研究為T(mén)F-CW設(shè)計(jì)改善其運(yùn)行效果奠定了理論基礎(chǔ)，在進(jìn)行人工濕地設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮NH4+-N和NO3--N的整體去除效果，將潮汐流人工濕地與連續(xù)流人工濕地進(jìn)行組合并合理配置，對(duì)污染物的去除更加全面有效。

潮汐流；人工濕地；基質(zhì)；硝化強(qiáng)度；反硝化強(qiáng)度

潮汐流人工濕地（Tidal flow constructed wetland, TF-CW）是一種間歇式進(jìn)水的新型濕地生態(tài)系統(tǒng)（Sun等，1999），其原理是利用潮汐運(yùn)行過(guò)程中床體浸潤(rùn)面的變化產(chǎn)生的空隙吸力將大氣氧吸入濕地基質(zhì)或者土壤空隙（Zhao等，2004），從而提高人工濕地的溶解氧含量，使得濕地可以保證氨氮發(fā)生硝化作用所需的氧氣，從而加快氨氮的去除（Kearney等，2013）。目前，利用TF-CW來(lái)去除水體中的氮等污染物以改善水質(zhì)以便水資源的再利用已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注（Hu等，2014）。TF-CW運(yùn)行主要包含4個(gè)階段，分別是瞬時(shí)進(jìn)水、反應(yīng)、瞬時(shí)排空以及閑置階段（葉捷等，2011）。當(dāng)TF-CW完成進(jìn)水后，首先發(fā)生微生物吸附作用，然后在瞬間排空的同時(shí)發(fā)生基質(zhì)復(fù)氧，吸收的氧氣提供給微生物，從而進(jìn)行微生物好氧降解。這種間歇的運(yùn)行方式，使?jié)竦貎?nèi)部的氧化環(huán)境有利于好氧微生物的生長(zhǎng)，提高微生物活性（呂濤等，2013），也使得穩(wěn)定、高密度的微生物生物膜的形成更加迅速（Behrends等，2001），從而彌補(bǔ)植物根系放氧不足，提高了污染物去除率（宋鐵紅等，2005）。另一方面，TF-CW還可以有效抑制微生物生長(zhǎng)過(guò)快造成濕地堵塞現(xiàn)象（Hu等，2012）。

國(guó)內(nèi)外許多研究都表明微生物硝化—反硝化作用是濕地最主要的脫氮過(guò)程（何連生等，2006；Vymazal等，2007；宋新山等，2007），主要原因是濕地為微生物創(chuàng)造了良好的硝化反硝化環(huán)境。硝化作用硝化細(xì)菌是將水中的NH4+-N和NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N的過(guò)程，硝化強(qiáng)度的高低直接反映了濕地對(duì)NH4+-N的去除效果（Penton等，2013）。反硝化作用是反硝化細(xì)菌將硝酸還原成N2O或N2的過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程密不可分，從而達(dá)到對(duì)濕地中氮的去除。此研究如何保證濕地硝化和反硝化這一重要除氮機(jī)制的暢通將是未來(lái)研究的重點(diǎn)（劉慎坦等，2011）。而研究人工濕地中的硝化反硝化作用在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律，對(duì)于全面深入的了解人工濕地內(nèi)部的污染物凈化機(jī)制、闡明濕地脫氮的關(guān)鍵性步驟、豐富微生物的理化性質(zhì)、提高濕地的效率等具有重要意義（Song等，2013）。TF-CW間歇進(jìn)水的條件會(huì)提高人工濕地的硝化反硝化強(qiáng)度，以往大多數(shù)對(duì)TF-CW脫氮作用的研究?jī)H僅從對(duì)水體中氮形態(tài)變化來(lái)考慮（劉昌偉等，2012；宋玉麗等，2012；呂濤等，2013），很少?gòu)幕|(zhì)-微生物復(fù)合體的角度去考慮凈化效果及機(jī)理，針對(duì)TF-CW的硝化反硝化強(qiáng)度進(jìn)行量化的研究更少，這直接限制了該濕地類(lèi)型在景觀水及回用水領(lǐng)域的應(yīng)用。因此對(duì)不同進(jìn)水方式下TF-CW裝置硝化反硝化強(qiáng)度進(jìn)行量化，探討TF-CW發(fā)生脫氮作用的主要部位，可以為 TF-CW 設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)，并對(duì)于改善TF-CW運(yùn)行效果具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

TF-CW模擬裝置為直徑Φ=40 cm，高度h=110 cm的鋼桶（圖1），總體積約為138 L，每隔15 cm設(shè)置直徑1 cm的取樣口，每一層次設(shè)置3個(gè)取樣口。進(jìn)水由時(shí)控器（TB-125, LUEABB）控制水泵進(jìn)行，裝置頂端設(shè)置灑水蓋，小孔密布于蓋子底部，保證均勻進(jìn)水，出水則由時(shí)控器控制電磁閥門(mén)（2W常閉220V, LUEABB）實(shí)現(xiàn)。裝置填充基質(zhì)選用沸石，填充高度為90 cm，沸石粒徑為4～8 mm，沸石孔隙率為42%。

圖1 TF-CW模擬裝置Fig.1 Simulate equipment of TF-CW

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水為人工模擬污水，其中總氮（TN）由氯化銨配置，總有機(jī)碳（TOC）由葡萄糖配置，污水儲(chǔ)存在體積4 m3的污水池中。進(jìn)水TN濃度在30～50 mg·L-1之間，NH4+-N濃度在30～50 mg·L-1之間，基本不含NO3--N，TOC濃度在0～20 mg·L-1之間，pH為7～8左右。

1.2.2 進(jìn)水方式

實(shí)驗(yàn)主要研究不同進(jìn)水方式的TF-CW對(duì)氮的處理效果、硝化反硝化強(qiáng)度及變化規(guī)律進(jìn)行研究，采用4種進(jìn)水方式，每天完成一次進(jìn)水周期，將連續(xù)流進(jìn)水方式作為潮汐進(jìn)水方式的對(duì)照，具體運(yùn)行方式見(jiàn)表1。裝置在2014年1月─2014年3月進(jìn)行試運(yùn)行，并對(duì)基質(zhì)進(jìn)行掛膜，2014年 4月─11月正式運(yùn)行。

表1 TF-CW模擬裝置進(jìn)水方式Table 1 Input water type of the TF-CW simulator

1.3 樣品采集與監(jiān)測(cè)

1.3.1 采樣頻次

于2014年4月─2014年11月每周采取A、B、C、D 4個(gè)裝置7個(gè)處理深度（15、30、45、60、75、90、105 cm）的水樣以及污水池水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。每個(gè)取樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。水樣用500 mL塑料瓶取回，保存在4 ℃條件下，以備實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水質(zhì)測(cè)定。每月采取 4個(gè)裝置 3個(gè)層次（上部（0～30 cm）、中部（30～60 cm）、下部（60～90 cm））的沸石基質(zhì)混合均勻后將沸石裝入事先已經(jīng)準(zhǔn)備好的錐形瓶中。每個(gè)取樣層取2個(gè)樣，分別為好氧瓶和厭氧瓶，好氧瓶中的沸石占瓶體積的 1/3，留有足夠的空氣用于好氧呼吸，厭氧瓶中沸石充滿(mǎn)瓶口，并用黑色塑料將瓶外部包裹。并取未掛膜的新鮮沸石作為空白對(duì)照。

1.3.2 測(cè)定方法

1.3.2.1 水質(zhì)

水溫、DO、氧化還原電位（oxidation reduction potential, ORP）、pH、電導(dǎo)率（Cond）等指標(biāo)采用YSI-EXO（YSI，USA）便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)定。

TN、NH4+-N、NO3--N、TOC等指標(biāo)測(cè)定方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》測(cè)定（魏復(fù)盛等，2002），所使用儀器為SMARTCHEM200（WestCo，USA）全自動(dòng)化學(xué)分析儀。

1.3.2.2 硝化強(qiáng)度

NH4+-N培養(yǎng)液配制：KH2PO4溶液0.2 mol·L-1、K2HPO4溶液 0.2 mol·L-1、(NH4)2SO4溶液 0.05 mol·L-1，最后按體積比3∶7∶30配制，并用H2SO4或NaOH稀溶液調(diào)至pH為7.2左右。

稱(chēng)取采回的100 g基質(zhì)樣品，置于150 mL三角瓶中，加入50 mL的NH4+-N培養(yǎng)液（25 mg·L-1），并用帶孔的橡皮塞（或脫脂棉）塞住，放置于恒溫振蕩器上振蕩24 h（恒溫25 ℃、轉(zhuǎn)速140 r·min-1)，取懸浮液離心或過(guò)濾，測(cè)定上清液中NO3--N的含量。用培養(yǎng)前后NO3--N濃度的變化來(lái)計(jì)算基質(zhì)硝化作用的強(qiáng)度，按以下公式計(jì)算（王曉娟等，2006）。

式中：ω1為單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量上的基質(zhì)所產(chǎn)生的NO3--N，mg·kg-1·h-1；c1為初始溶液中NO3--N的質(zhì)量濃度，mg·L-1；c2為24 h時(shí)后溶液中NO3--N的質(zhì)量濃度，mg·L-1；t為培養(yǎng)時(shí)間，h；v1為培養(yǎng)液體積，L；v2為基質(zhì)中水分體積，L；m為樣品質(zhì)量，g；k為水分系數(shù)。此方法培養(yǎng)時(shí)間較短，通過(guò)震蕩土壤樣品可以防止厭氧環(huán)境的出現(xiàn)，從而抑制反硝化作用。

1.3.2.3 反硝化強(qiáng)度

反硝化細(xì)菌是進(jìn)行反硝化作用的一個(gè)重要因素，它適宜生活在無(wú)氧或缺氧的環(huán)境中，pH接近中性時(shí)，反硝化進(jìn)行很迅速，為消除反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的堿度影響，使用KH2PO4和K2HPO4作為緩沖液，NO3--N培養(yǎng)液配制：KH2PO4溶液0.2 mol·L-1、K2HPO4溶液0.2 mol·L-1、KNO3溶液0.03 mol·L-1、葡萄糖0.02 mol·L-1按體積比3∶7∶30∶10的比例配制，C∶N約為3∶1，并用H2SO4或NaOH稀溶液調(diào)至pH7.2。

稱(chēng)取100 g基質(zhì)樣品，置于150 mL三角瓶中，加入50 mL的NO3--N培養(yǎng)液，并用保鮮膜或橡皮塞密封，外套黑色塑料布，放置于恒溫培養(yǎng)箱（25 ℃）中密封避光培養(yǎng)，取懸浮液離心或過(guò)濾，測(cè)定上清液中NO3--N的含量。用培養(yǎng)前后NO3--N濃度的變化來(lái)計(jì)算基質(zhì)反硝化作用的強(qiáng)度，按以下公式計(jì)算（王曉娟等，2006）。

式中：ω2為單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量上的基質(zhì)所消耗的NO3--N，mg·kg-1·h-1，c1為初始溶液中NO3--N的質(zhì)量濃度，mg·L-1；c2為24 h時(shí)后溶液中NO3--N的質(zhì)量濃度，mg·L-1；t為培養(yǎng)時(shí)間，h；v1為培養(yǎng)液體積，L；v2為基質(zhì)中水分體積，L；m為樣品質(zhì)量，g；k為水分系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

硝化反硝化強(qiáng)度分別與 NH4+-N去除率、NO3--N出水濃度的回歸分析采用Origin8.5進(jìn)行繪圖分析。差異性分析采用SPSS19.0，統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著差異在α=0.05水平上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同進(jìn)水方式硝化反硝化強(qiáng)度對(duì)比

進(jìn)水方式不同，TF-CW內(nèi)部氧環(huán)境會(huì)發(fā)生很大變化，直接影響其內(nèi)部硝化反硝化強(qiáng)度，進(jìn)而影響濕地的氮去除效果（Hu等，2012）。表2分別比較了不同進(jìn)水方式下 4個(gè)模擬裝置對(duì) NH4+-N、NO3--N、TN的去除效果、基質(zhì)的硝化與反硝化強(qiáng)度、pH、溶解氧濃度（Dissolved Oxygen，DO）、溫度等指標(biāo)。

表2 不同TF-CW基質(zhì)硝化反硝化強(qiáng)度對(duì)比Table2 Intensity of matrix nitrification and denitrification in different TF-CW

溫度對(duì)潮汐流人工濕地的氮去除有一定的影響，氨氮和總氮去除速率與溫度明顯相關(guān)（Huang等，2013）。雖然水體中硝化反硝化作用可以在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，但是要發(fā)生明顯的反硝化作用溫度需在 5 ℃以上，溫度低于 5 ℃時(shí)反硝化速度很慢（盧少勇等，2006），因此本研究將溫度控制在適宜的范圍內(nèi)保證細(xì)菌的活性，且4種進(jìn)水方式的溫度差異不顯著（P=0.673）。

本研究污水配置的主要污染物是 NH4+-N，而TF-CW的硝化反應(yīng)是NH4+-N去除的主要途徑。從表2可以看出，4種TF-CW模擬裝置對(duì)NH4+-N的平均去除率可達(dá)90%以上。取上中下層次所測(cè)得的基質(zhì)硝化強(qiáng)度平均值為平均硝化強(qiáng)度，通過(guò)單因素方差分析（One-Way ANOVA）可以看出4種進(jìn)水條件下 TF-CW 的平均硝化強(qiáng)度存在顯著差異（P=1.202×10-5），其中連續(xù)流模擬裝置(A)的基質(zhì)硝化強(qiáng)度為(0.69±0.27) mg·kg-1·h-1，與其他3種潮汐進(jìn)水方式均差異顯著（P=2.839×10-4；1.453×10-4；1.252×10-6），閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間分別為1∶1(B)，1∶2(C)，2∶1(D)的進(jìn)水方式下TF-CW模擬裝置基質(zhì)硝化強(qiáng)度分別為(1.35±0.35)、(1.40±0.37)和(1.68±0.29) mg·kg-1·h-1，三者之間兩兩比較進(jìn)水方式為閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間，2∶1(D)與其他兩種潮汐進(jìn)水方式差異顯著（P=0.006；0.009）。這與4種進(jìn)水方式下 NH4+-N的平均去除率之間的差異性一致，說(shuō)明閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間為2∶1(D)的進(jìn)水方式下基質(zhì)的平均硝化強(qiáng)度最大，同時(shí)其對(duì)NH4+-N的平均去除率也最高。

人工濕地微生物吸收去除氨氮優(yōu)先于硝態(tài)氮，氨氮的存在會(huì)增加亞硝氮的積累量，從而抑制微生物吸收去除硝態(tài)氮（張達(dá)等，2014）。實(shí)驗(yàn)中污水以NH4+-N為主會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中生成的NO3--N并未完全通過(guò)反硝化作用去除。本研究采用NO3--N出水濃度來(lái)代替 NO3--N的去除效果，出水濃度越低，則說(shuō)明去除效果越好。從表2可以看出，4種TF-CW 模擬裝置的基質(zhì)平均反硝化強(qiáng)度平均硝化強(qiáng)度存在顯著差異（P=0.027），其中連續(xù)流模擬裝置(A)的基質(zhì)反硝化強(qiáng)度為(2.99±1.58) mg·kg-1·h-1，顯著高于其他3種潮汐進(jìn)水方式，其N(xiāo)O3--N出水濃度則顯著低于其他3種潮汐進(jìn)水方式。

水體pH值是影響生物脫氮的一個(gè)重要因素，硝化細(xì)菌的最適pH值為7～9，反硝化菌為pH值為7～8，因此污水的酸堿度對(duì)潮汐流人工濕地的去污能力有一定的影響，pH過(guò)高或者過(guò)低對(duì)濕地微生物活性的影響較大（丁怡等，2011），而微生物硝化反硝化過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致pH值的變化（陳明利等，2009）。比較4種進(jìn)水方式的pH值大小可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)流的進(jìn)水方式pH值顯著低于其他3種進(jìn)水方式（P=5.377×10-5）。

不同進(jìn)水條件下的TF-CW模擬裝置對(duì)TN的平均去除率均能達(dá) 80%以上，4種進(jìn)水方式下TF-CW 模擬裝置對(duì) TN的平均去除率分別為81.09%±5.12%，84.87%±4.55%，85.59%±3.38%和89.08%±3.10%，方差分析顯示4種進(jìn)水方式的去除率差異性顯著（P=8.898×10-8），連續(xù)流的進(jìn)水方式(A)與其他3種潮汐流進(jìn)水方式(B, C, D)對(duì)TN去除率均差異顯著（P=0.048；0.004；5.718×10-9），D與 B，C進(jìn)水方式對(duì) TN的去除率差異性顯著（P=2.837×10-5；9.435×10-4），但B，C之間比較并未達(dá)到顯著差異（P=0.327）。說(shuō)明連續(xù)流人工濕地與TF-CW相比對(duì)TN的去除效果差異顯著，3種潮汐流之間相比，閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間為2∶1(D)的進(jìn)水方式下對(duì)TN的效果更優(yōu)。

2.2 回歸分析

4種不同進(jìn)水方式 TF-CW 基質(zhì)硝化反硝化強(qiáng)度與相應(yīng)的NH4+-N去除率和NO3--N出水濃度相比較，可以發(fā)現(xiàn)，NH4+-N去除率和基質(zhì)硝化強(qiáng)度存在一定的相關(guān)性，NO3--N出水濃度與基質(zhì)反硝化強(qiáng)度也存在相關(guān)性。將NH4+-N去除率和NO3--N出水濃度取月平均值與每月監(jiān)測(cè)所得的硝化反硝化強(qiáng)度進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析（圖2，圖3）。

圖2 硝化強(qiáng)度與NH4+-N去除率之間的相關(guān)關(guān)系Fig. 2 Relationship between nitrification intensity and the NH4+-N removal rate

圖3 反硝化強(qiáng)度與NO3--N出水濃度之間的相關(guān)關(guān)系Fig. 3 Relationship between denitrification intensity and the NO3--N effluent concentration

從圖 2可以看出，TF-CW 基質(zhì)硝化強(qiáng)度與NH4+-N的去除率有明顯的正相關(guān)性（r2=0.8497，P=4.285×10-14），說(shuō)明在TF-CW中基質(zhì)中微生物的硝化作用是NH4+-N的去除中有著重要的作用，通過(guò)對(duì)其硝化強(qiáng)度進(jìn)行量化能準(zhǔn)確反映NH4+-N的去除速率。從圖 3中可以看出反硝化強(qiáng)度與 NO3--N的出水濃度呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系（r2=0.8448，P=6.939×10-14）。因此提高反硝化細(xì)菌的活性可以顯著提高基質(zhì)的反硝化作用從而提高 NO3--N的去除效果。另外，基質(zhì)還可以通過(guò)吸附、沉淀、過(guò)濾等物理化學(xué)作用去除水體污染物，對(duì)于固定植物、保持水分、供給氧氣、提供營(yíng)養(yǎng)等方面都有重要作用（崔麗娟等，2011），還可以為微生物附著提供適宜條件（史鵬博等，2014）來(lái)達(dá)到生物除氮、磷的目的。因此基質(zhì)的理化性質(zhì)還對(duì)水體污染物的去除具有一定影響（夏漢平，2002）。

2.3 不同深度硝化強(qiáng)度與反硝化強(qiáng)度分析

通過(guò)對(duì)A、B、C、D 4個(gè)TF-CW裝置不同層次（上部（0～30 cm）、中部（30～60 cm）、下部（60～90 cm））取樣分析，以對(duì)比沿程硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度的變化。

研究潮汐流人工濕地硝化反硝化強(qiáng)度隨處理深度增加，在裝置不同部位間的變化有利于探究濕地發(fā)生硝化反硝化作用的主要部位。因此對(duì)不同進(jìn)水方式TF-CW裝置內(nèi)部硝化反硝化強(qiáng)度指標(biāo)沿程變化規(guī)律進(jìn)行了研究（圖4，圖5）。

圖4 TF-CW不同深度硝化強(qiáng)度變化Fig. 4 The variation of nitrification intensity in different depth

圖5 TF-CW不同深度反硝化強(qiáng)度變化Fig. 5 The variation of denitrification intensity in different depth

4種TF-CW裝置上部，即0～30 cm的處理深度是硝化強(qiáng)度最大的階段，中部即30～60 cm的處理深度與下部即60～90 cm處理深度的硝化強(qiáng)度變化不明顯。人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的降解隨人工濕地的水流方向逐漸降低（楊旭等，2012）。因此TF-CW裝置上部即入水口部分是硝化細(xì)菌最活躍的階段，同時(shí)也是NH4+-N去除最快的階段。而硝化作用在不同處理深度的強(qiáng)度都是裝置D即閑置/反應(yīng)為2∶1的進(jìn)水方式下最大，說(shuō)明這種進(jìn)水方式下提供的環(huán)境在各個(gè)深度都適宜硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而達(dá)到更優(yōu)的NH4+-N去除效果。

4種進(jìn)水方式的上部0～30 cm階段反硝化強(qiáng)度較低，而隨深度增加，在中部的30～60 cm階段較高，A、B、D 3種進(jìn)水方式都是在此階段最高，說(shuō)明在該此階段中發(fā)生了明顯的反硝化作用，上部由于硝化作用將大量的NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，隨水流向下流動(dòng)在中部經(jīng)反硝化作用去除，在底部逐漸降低。而C裝置1∶2的閑置/時(shí)間則是在最底部達(dá)到反硝化強(qiáng)度的最大值。另外，從圖中可以看出，連續(xù)流的進(jìn)水方式下（A裝置）3個(gè)深度的反硝化強(qiáng)度都明顯高于其他3種進(jìn)水方式。說(shuō)明連續(xù)流人工濕地產(chǎn)生的厭氧環(huán)境適宜反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，能夠使 NO3--N得到更好的去除。研究人工濕地的微生物活性以及其分布時(shí)，發(fā)現(xiàn)濕地基質(zhì)的脲酶與TN去除相關(guān)（岳春雷等，2004），磷酸酶與有機(jī)物濃度和TP相關(guān)，因此可以在潮汐流人工濕地基質(zhì)生物膜酶活性以及硝化菌群的特性方面進(jìn)行深入研究，為提高潮汐流人工濕地氮去除提供理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）在以NH4+-N為主要N源的去除試驗(yàn)中，4種進(jìn)水方式的濕地模擬裝置對(duì)NH4+-N的平均去除率都可達(dá)90%以上。但是4種進(jìn)水條件下TF-CW的平均硝化強(qiáng)度存在顯著差異（P=1.202×10-5），其中連續(xù)流模擬裝置(A)與其他 3種潮汐進(jìn)水方式均差異顯著（P=2.839×10-4；1.453×10-4；1.252×10-6）。閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間為2∶1(D)的進(jìn)水方式下基質(zhì)的平均硝化強(qiáng)度最大，同時(shí)其對(duì)NH4+-N的平均去除率也最高。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)硝化作用生成的NO3--N 沒(méi)有通過(guò)反硝化作用完全去除。所以用NO3--N出水濃度的高低可以表明其去除效果。4種TF-CW 模擬裝置的基質(zhì)平均反硝化強(qiáng)度存在顯著差異（P=0.027），其中連續(xù)流模擬裝置(A)的基質(zhì)反硝化強(qiáng)度顯著高于其他3種潮汐進(jìn)水方式，且其pH值顯著低于其他3種進(jìn)水方式（P=5.377×10-5）。4種TF-CW模擬裝置對(duì)TN的平均去除率差異性也達(dá)到了顯著性水平（P=8.898×10-8），閑置時(shí)間/反應(yīng)時(shí)間為 2∶1(D)的進(jìn)水方式下對(duì) TN的效果更優(yōu)。

（2）TF-CW基質(zhì)硝化強(qiáng)度與NH4+-N的去除率有明顯的正相關(guān)性（r2=0.8497，P=4.285×10-14），高NH4+-N的去除效率最重要的是提高系統(tǒng)中硝化作用的強(qiáng)度；反硝化強(qiáng)度與 NO3--N的出水濃度呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系（r2=0.8448，P=6.939×10-14），需要為反硝化細(xì)菌提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境可以提高其反硝化強(qiáng)度進(jìn)而提高NO3--N的去除速率。

（3）硝化強(qiáng)度在裝置上部0～30 cm的處理階段最大，隨深度增加變化逐漸減小，而且在各個(gè)階段，閑置/反應(yīng)為2∶1的進(jìn)水方式下（裝置D）的硝化強(qiáng)度都較高于其他3種；反硝化強(qiáng)度在中部的30～60 cm階段較高，在此階段中發(fā)生了明顯的反硝化作用，且連續(xù)流的進(jìn)水方式下（A裝置）3個(gè)深度的反硝化強(qiáng)度都明顯高于其他3種進(jìn)水方式。因此在進(jìn)行人工濕地設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮NH4+-N和NO3--N的整體去除效果，可將潮汐流人工濕地與連續(xù)流人工濕地進(jìn)行組合并合理配置，對(duì)污染物的去除更加全面有效。

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Study on the Intensity of Matrix Nitrification and Denitrification in Tidal Flow Contructed Wetlands

ZHANG Yaqiong1,2,3, CUI Lijuan1,2,3*, LI Wei1,2, LI Kai1,2,3
1. Institute of Wetland Research, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. The Beijing Key Laboratory of Wetland Ecological Function and Restoration, Beijing 100091, China; 3. Beijing Hanshiqiao national Wetland Ecosystem Research Station, Beijing 101300, China

As a new type of constructed wetland ecosystem, tidal flow constructed wetland (TF-CW) has been widely cited in for the research field of nitrogen removal in recent years. By comparing the four different input water type TF-CWs, this study analyzes the relationship between nitrification intensity and NH4+-N removal rate, denitrification intensity and NO3--N effluent concentration. This research also explores the nitrification and denitrification intensity with depth change. Research results show that the different average NH4+-N removal rates were remarkable in four different TF-CWs, which were in accordance with that of nitrification intensity. The largest average nitrification intensity appeared on this TF-CW, idle time/response time was 2∶1, was 1.68±0.29 mg·kg-1·h-1. The average denitrification intensity otherness in four different TF-CWs was also outstanding (P=1.202×10-5). The denitrification intensity was largest in continuous flow constructed wetland, which was 2.99±1.58 mg·kg-1·h-1. Nitrification intensity of TF-CW matrix was significantly positive correlated with NH4+-N removal rate (r2=0.849 7, P=4.285×10-14), while denitrification intensity and NO3--N effluent concentration showed a significantly negative correlation relationship (r2=0.844 8，P=6.939×10-14). The nitrification intensity attained maximum where reaction depth ranges from 0 cm to 30 cm. With the increasing depth, the nitrification intensity change decreases on the other side. The maximum of denitrification intensity appeared on 30～60cm. This study constructs a theoretical basis for the design and improvement of removal effect of TF-CW. It argued that it is necessary to consider NH4+-N and NO3--N removal efficiency as a whole when design a TF-CW. The efficient nitrogen removal requires combined and reasonable configuration TF-CW and continuous flow constructed wetland.

tidal flow; constructed wetland; matrix; nitrification intensity; denitrification intensity

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.017

X171

A

1674-5906（2015）03-0480-07

張亞瓊，崔麗娟，李偉，李凱. 潮汐流人工濕地基質(zhì)硝化反硝化強(qiáng)度研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 480-486. ZHANG Yaqiong, CUI Lijuan, LI Wei, LI Kai. Study on the Intensity of Matrix Nitrification and Denitrification in Tidal Flow Contructed Wetlands [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 480-486.

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(CAFYBB2014QA029)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(CAFINT2013C13)；國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201404305)

張亞瓊（1990年生），女，碩士研究生，主要從事濕地生態(tài)學(xué)研究。Email: yaqiong0825@163.com *通信作者：崔麗娟（1968年生），女，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事濕地生態(tài)研究。Email: lkyclj@126.com; wetlands108@126.com

2015-02-10