人工濕地外加植物碳源強化脫氮的應用探討

常寶軍 楊富瑩

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

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人工濕地外加植物碳源強化脫氮的應用探討

常寶軍 楊富瑩

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

綜述了國內外人工濕地外加植物碳源強化脫氮的研究進展，從脫氮效果、脫氮費用和CO2排放量的角度,分析得出植物碳源比小分子碳源更具明顯的優勢，并結合其降解難易程度，篩選出了更適合外加碳源的植物。

人工濕地,植物碳源,強化脫氮

0 引言

人工濕地是根據天然濕地凈化污水的原理，以自然濕地工藝為主體，聯合基質、微生物和植物作用，構建出的一種具有投資省、管理簡單、運行費用低廉等優點的生態修復系統。經過近40年的發展，人工濕地作為一種極具潛力的污水脫氮技術，得到國內外的廣泛應用。

人工濕地中脫氮的主要途徑為植物吸收、填料吸附、氨氮揮發及微生物的硝化—反硝化等。而根據研究，反硝化作用是人工濕地中最主要的途徑。有機碳源是濕地反硝化過程的主要限制性因素，對低碳氮比(C/N)水體的治理[1]，如污水廠二級出水、地表水、地下水等，通過外加碳源可以顯著提高脫氮效果。污水、小分子有機物、植物秸稈和土壤等均可以作為外源性有機碳源強化濕地反硝化作用效率。研究表明，與其他碳源相比，外加植物碳源更具明顯的優勢。

1 外加植物碳源強化人工濕地脫氮的應用進展

目前，國內外關于外加植物碳源促進濕地脫氮開展了廣泛研究。Fleming-singer和Horne采用外加香蒲枯葉的方式強化表面流人工濕地中硝酸鹽的去除。試驗設置了三個硝酸鹽濃度水平和四個停留時間，結果表明，采用砂子與香蒲枯葉完全混合的反硝化速率低于二者分層填裝約33%。成層填裝的方式使植物殘體沿水流方向的均勻布置，與混合處理相比更有利于硝酸鹽的均勻分布處理。反硝化活性的測定結果表明，反硝化作用主要發生在植物層，這主要是由于一方面密集植物的莖和葉比表面積比較大，微生物提供了附著表面；另一方面植物殘體分解產生的溶解性有機物為反硝化微生物提供了碳源。

2 外加植物碳源強化人工濕地脫氮的優勢

2.1 脫氮效果

不同碳源類型對人工濕地脫氮效果的影響見表1。

表1 不同外碳源對人工濕地脫氮效果的影響

根據表1可以發現，添加小分子有機物或植物秸稈均能使人工濕地脫氮效果達到80%以上，雖然添加小分子有機碳對脫氮的促進作用強于植物秸稈，但是以小分子碳水化合物作為外碳源存在過量投加的風險。采用小分子外碳源，為了使濕地達到穩定的脫氮效果和高效的碳源使用效率，減緩進水水質波動引起的不利條件，需要增加碳源的投加系統，如加藥泵、儲藥池、計量器和配套管路及防治投加過量而設置的監測系統，增加了系統維護的難度和運行費用。

采用植物秸稈作為外碳源時，由于生物碳分解受到附著微生物的制約，一定程度上緩解了傳統工藝中使用可溶性有機碳源帶來的弊端。同時，將濕地中的植物回收利用，解決了植物收割后無法處理的問題。

2.2 脫氮費用

與小分子碳水化合物相比，植物秸稈作為外加碳源具有獨特優勢，植物產生的物質可以從濕地中獲取，價格低廉。不同外加碳源脫氮費用比較見表2。以小分子有機物為碳源時，去除1 kg氮需要花費19.20元～77.53元。以植物秸稈為碳源時，去除1 kg氮僅需1.26元～19.12元，與小分子有機物相比具有很大優勢。

表2 不同碳源的脫氮費用

2.3 CO2排放

采用低分子有機物(葡萄糖、甲醇等)作為外碳源時，不僅會增加系統的投資和運行費用，而且其生產、運輸、使用過程都會產生CO2排放[1]。植物生長主要依靠太陽能，且可以從濕地中獲取，不會增加系統潛在能耗。根據Vit, et al.和Bruce and Perry對外加碳源產生的CO2理論計算可知，以植物碳源(以纖維素計)作為濕地外加碳源，每去除1 kg氮將產生0.79 kg CO2，而以低分子有機碳則會產生1.96 kg CO2～3.93 kg CO2，是植物碳源的4倍。另一方面，盡管外加的植物碳源在異養作用下將會產生一定量的CO2，但植物碳源碳主要來自光合作用過程從大氣中吸收的CO2，不會對大氣中CO2產生凈增量。

3 外加植物碳源的選擇

植物之所以能夠成為濕地的碳源，主要是得益于植物體中木質纖維素、纖維素和半纖維素的三種成分。木質纖維素在微生物的水解和代謝作用下可釋放單糖和其他營養元素；纖維素經水解可得到葡萄糖，且纖維素水解還會形成一些中間產物，包括纖維素四糖、三糖和二糖等；半纖維素水解產物包括低聚木糖、木糖以及少量阿拉伯糖、葡萄糖及半乳糖等。其中木質素很難被生物降解，而纖維素和半纖維素則相對容易降解，因此植物體中纖維素和半纖維素的含量直接影響植物體作為外加碳源的有效性。表3中列出了幾種植物碳源的生物質組成成分。

表3 不同植物的生物質組成成分 %

考慮到植物中的木質素和纖維素含量能夠顯著影響反硝化速率，根據表3可以發現，作為重要的濕地植物，蘆竹不但纖維素和半纖維素含量較高，而且木質素含量較低，是一種較適宜的植物碳源。

4 結語

外加植物碳源可顯著的增強人工濕地的脫氮效果，氮素去除率、反硝化速率均有明顯的提升。并且植物秸稈作為外加碳源相比小分子碳源具有獨特優勢，其主要體現在以下兩個方面：低成本，去除1 kg氮僅需1.26元～19.12元；低CO2排放量，每去除1 kg氮CO2的產生量是植物碳源的1/4。通過對比幾種植物碳源的生物質組成成分，蘆竹由于其較低的木質素含量，更適宜作為人工濕地外加的植物碳源。

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Discussing on the application of external plant carbon sources for better denitrification in constructed wetlands

Chang Baojun Yang Fuying

(Tianjin Academy of Municipal Engineering Design, Tianjin 300051, China)

In this paper, the research progress of enhanced nitrogen removal from artificial wetlands at home and abroad was reviewed. From the nitrogen removal, removal of nitrogen costs and CO2emissions summed up the advantage of plant carbon source compared to small molecular carbon source. And compared with the degree of degradation the more suitable plant for additional carbon source is filtered out.

constructed wetland, plant carbon source, enhanced nitrogen removal

1009-6825(2016)12-0108-02

2016-02-18

常寶軍(1988- )，男，碩士，助理工程師； 楊富瑩(1990- )，男，碩士，助理工程師

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