表流人工濕地氮素形態組成及去除效率研究

張驍棟，李偉，潘旭，崔麗娟*

1. 中國林業科學研究院濕地研究所，濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室，北京 100091；2. 北京漢石橋濕地生態系統定位觀測研究站，北京 101300

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表流人工濕地氮素形態組成及去除效率研究

張驍棟1， 2，李偉1， 2，潘旭1， 2，崔麗娟1， 2*

1. 中國林業科學研究院濕地研究所，濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室，北京 100091；2. 北京漢石橋濕地生態系統定位觀測研究站，北京 101300

摘要：人工濕地是一種高效、低耗的污水處理方法，能有效降低水體生物耗氧量、化學耗氧量、總懸浮物及污染細菌等，而對氮（N）的去除率較低且不穩定。水體中的總氮（TN）可分為顆粒物有機氮（PON）和總可溶性氮（TDN）。目前對TDN的各組分，如可溶性有機氮（DON）、氨氮（NH?-N）和硝氮（NO?-N）的去除機理及方法較為關注，而對總體上的PON和TDN的組成比例及去除率了解仍不充分。該研究在北京野生動物救護中心水禽棲息的人工湖及配套人工濕地展開，從2014年4—11月監測了凈化前后水體中各種N形態組成和去除率，并分析了藻類爆發與PON和TDN去除率的關系。結果表明，4─7月人工湖中PON質量濃度占TN質量濃度47.83%±9.90%（平均值±標準差，下同），8─10月升至86.93%±7.71%。水體中PON與葉綠素a（Chl a）質量濃度呈顯著正相關（n=8，r=0.76，P<0.001），由此推測8─9月藻類急劇增多可能使人工湖中的TDN轉變為PON。生長季人工湖水進入表流人工濕地后PON降低60.02%±22.97%，PON去除量占TN去除量90%以上。PON與Chl a的去除率均表現為8─10月低于4─7月，暗示在浮游生物爆發期人工濕地PON的去除能力可能達到了滿負荷。另外，生長季表流人工濕地對水體TDN去除效果不明顯（-16.40%±27.88%）。該研究獲得結論，水禽棲息的污水進入表流人工濕地后TN去除主要以PON為主，且PON去除率與藻類動態相關。針對此類污水，增強人工濕地PON去除能力將能有效提高污水TN去除率，尤其在藻類爆發期除N效果更為顯著。

關鍵詞：人工濕地；顆粒物有機氮；可溶性總氮；葉綠素a；氮去除率

引用格式：張驍棟， 李偉， 潘旭， 崔麗娟. 表流人工濕地氮素形態組成及去除效率研究［J］. 生態環境學報， 2016， 25（3）: 503-509.

ZHANG Xiaodong， LI Wei， PAN Xu， CUI Lijuan. The Nitrogen Composition and Their Removal Efficiency in A Surface Flow Constructed Wetland ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（3）: 503-509.

人工濕地通過系統中生物、化學、物理等過程的協同作用來凈化污水，對生物耗氧量、化學耗氧量、懸浮物及污染細菌的去除率可達90%以上，但對氮（N）的去除率較低且不穩定，一般接近50% （Vymazal，200748；Vergeles et al.，2015）。水體中的總氮（TN）可分為顆粒物有機氮（PON）和總可溶性氮（TDN）。PON主要由細菌和藻類、沉積物和植物凋落物組成（張軍等，2004）99，TDN主要由可溶性有機氮（DON）及無機氮——氨氮（NH-N）和硝氮（NO-N）組成（Taylor et al.，2005）1983人工濕地脫N過程復雜，涉及因素較多，提高人工濕地的脫N效率一直是研究難點和熱點（Saeed et al.，2012）429。目前大多數研究集中于去除污水中TDN，通過構建結構復雜的人工濕地創造有利于礦化、硝化及反硝化反應的條件，促進N向大氣轉移（Wu et al.，2014）。然而，關于污水中PON的含量及去除效率研究較少，PON主要通過沉淀、植物或生物膜吸附的方式去除（Lee et al.，2009）。對于生活廢水、養殖廢水、暴雨水等污水來源，PON是水體N的重要組成部分，可能超過TN的50% （Dunne et al.，2013224；Taylor et al.，20051986；Taylor et al.，2015），因此，對該類水體中PON的去除能力及機理研究很有必要。本文研究了水禽棲息產生的污水進入表流人工濕地各種N形態（PON和TDN，TDN包括DON、NH-N和NO-N）的組成比例變化，以及各種N形態去除效率及季節動態，并探討了N去除率與藻類動態及環境因子的關系，為進一步理解人工濕地的脫N機理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點

本研究系統位于北京市野生動物救護中心，由提供水禽棲息的人工湖和配套的人工濕地組成（人工湖也是人工濕地的一種，但本文中的人工濕地僅指用于廢水處理的人工濕地）。人工湖面積約1 hm2，湖水主要來源于地下水，水禽飼養及糞便排入使湖水水質變差。人工濕地由不同植物配置的9個表流濕地單元和1個潛流濕地單元串聯構成。人工湖水在循環泵作用下進入人工濕地，進水流量為300 m3·d-1，平均水力停留時間為24 h，人工濕地設計詳見文獻（崔麗娟等，2011）。從2008年修建至今已運行7年，運行狀況良好。

1.2 樣品采集

從2014年5—11月，每月1次在人工湖與人工濕地表流段的開闊水面用直立式采水器采集水面下10 cm處水1 L，各取4個重復。由于廢水流經潛流濕地的取水處過淺（<0.25 m），無法監測到潛流濕地的真實水體環境，本研究僅取人工湖和人工濕地表流段的水樣進行比較。取250 mL水樣用450 ℃高溫灼燒6 h后經φ25 mm GF/F濾膜（Whatman，英國）過濾，收集濾膜于-20 ℃保存，用于測定水體PON質量濃度（Charpy et al.，2012）。過濾后的水冷凍保存用于測定水體中的TDN、NH-N和NO-N質量濃度。另取500 mL水樣用直徑φ47 mm GF/F濾膜過濾，收集濾膜于7 mL的塑料離心管中-20 ℃保存，用以測定葉綠素a（Chl a）質量濃度，以表征藻類動態。用便攜式多參數水質儀6820（YSI，美國）原位測定水體溫度、pH、溶解氧（DO）等理化性質。

1.3 各種N形態質量濃度測定

測定PON質量濃度前將收集顆粒物的濾膜在從-20 ℃環境中取出于50 ℃烘干，用元素分析儀Flash 1112（Thermo Fisher，美國）測定濾紙中N質量分數（wN）。水體中PON質量濃度的計算如式（1）。

其中，ρ（PON）是PON質量濃度（mg·L-1），w1是用于測定的濾紙質量（mg），wN是濾紙中氮質量分數（%），A0是過濾時顆粒物附著在濾膜上的面積（cm2），A1是實際使用濾紙的面積（cm2），Vf是過濾水樣的體積（mL），系數1000是將單位mg·mL-1轉化為mg·L-1。

過濾后的水樣用總有機碳氮分析儀multi N/C 3100（Analytik Jena，德國）測定水體中TDN質量濃度，用Smartchem? 200化學間斷分析儀（WESTCO Scientific Instruments，美國）測定NH-N和NO-N的質量濃度。DON質量濃度由TDN與NH-N和NO-N的質量濃度之差獲得。每月各形態N的去除率r（N）計算如式（2）。

1.4 Chl a質量濃度測定

Chl a質量濃度用ISO標準方法——熱乙醇萃取法測定（陳宇煒等，2006）。收集顆粒物濾膜的離心管從-20 ℃環境中取出后，立即加入適量75 ℃預熱的90%乙醇浸沒濾紙，并75 ℃水浴2 min；將樣品置于室溫下避光環境中萃取6 h；萃取結束后過濾萃取液定容至10 mL。將定容后的萃取液在分光光度計上用90%乙醇作為參比液進行比色。先測定665 nm和750 nm波長下的消光率E665和E750，然后向樣品比色皿中加1滴1 mol·L-1鹽酸進行酸化，靜置5 min后重新測定665和750 nm波長下的消光率A665和A750。Chl a質量濃度計算如式（3）。

其中，ρ（Chl a）是Chl a質量濃度（μg·L-1），VA是萃取液定容的體積（mL），Vf室過濾水樣的體積（L），常數項27.9是熱乙醇作為萃取劑中Chl a的比吸光系數（11.5）與Chl a酸化前的光密度與酸化前后的光密度變化比值（2.43）的乘積（梁興飛等，2010）。Chl a去除率計算方法同N去除率。

1.5 數據分析

數據統計分析與作圖用R 3.2（R Development Core Team，2015）和Excel 2013完成，所有數據采用平均值±標準差（mean±SD）表示。人工湖和人工濕地相同變量的差異顯著性用非參檢驗Wilcox.test配對分析，不同變量間的相關系數用Spearman法計算。

2 結果與分析

2.1 人工湖與人工濕地水體中N形態組成

人工湖中TN質量濃度范圍0.88～13.89 mg·L-1，顯著高于人工濕地中TN質量濃度0.55～4.03 mg·L-1（n=32，P<0.01，圖1a）。人工湖PON質量濃度0.27～13.41 mg·L-1顯著高于人工濕地0.10～3.26 mg·L-1（n=32，P<0.01，圖1b）。4─7月人工湖和人工濕地水體中PON質量濃度較低，分別為（0.39±0.09）mg·L-1和（0.13±0.05）mg·L-1，占TN的47.83%±0.10%和20.92%±8.30%（圖2）。從8月開始人工湖和人工濕地PON質量濃度驟然升高，在9月分別達到最高平均值（3.76±1.75）mg·L-1和（1.66±1.06）mg·L-1（圖1b），占TN質量分數也分別升至86.93%±7.71%和65.82%±15.92%（圖2）。人工濕地平均TDN質量濃度（0.65±0.16）mg·L-1略高于人工湖（0.58±0.19）mg·L-1，但差異不顯著（n=32，P<0.05，圖1c）。人工湖和人工濕地水體中TDN質量濃度4─7月較高（人工湖：（0.65±0.22）mg·L-1；人工濕地：（0.70±0.17） mg·L-1），8─10月略有降低（人工湖：（0.50±0.06） mg·L-1；人工濕地：（0.63±0.09） mg·L-1，圖1c）。TN中PON和DTN的組成月際變化較大，TN與PON質量濃度顯著正相關（n=64，r=0.92，P<0.001），但與TDN質量濃度相關性較弱（n=64，r=0.07，P>0.05）。

圖1 人工湖與人工濕地中總氮（a）、顆粒物有機氮（b）及總可溶性氮（c）質量濃度月際變化Fig. 1 Monthly changes of the concentration of TN （a）， PON （b） and TDN （c） in the constructed lake and the constructed wetland

人工濕地中DON占TN質量分數37.46%± 0.21%，顯著高于人工湖20.38%±13.17%（n=32，P<0.01）。4─7月人工湖和人工濕地的DON占TN質量分數（人工湖：28.46%±11.19%；人工濕地：54.47%±10.74%）均高于8─10月（人工湖：7.80%±4.82%；人工濕地：17.49%±12.86%，圖2）。水體中NO-N質量濃度（0～0.81 mg·L-1）是NH-N質量濃度（0～0.26 mg·L-1）的2～6倍，NO-N占TN質量分數14.31%±12.83%，顯著高于NH-N占TN質量分數4.47%±3.73%（n=64，P<0.01，圖2）。

2.2 人工濕地中TN、PON及TDN去除率

整個生長季人工濕地平均TN去除率為35.22%±21.18%，其中8─10月TN去除率47.26%～60.94%，高于4─7月7.25%～41.19%（圖3a）。PON的去除率顯著高于TDN（n=8，P<0.05）。生長季人工濕地對人工湖污水PON去除率為60.02%±22.97%，4─7月為68.86%±8.83%，高于8 ─10月55.45%±27.49%（圖3a）。人工濕地使污水PON質量濃度降低0.04～5.19 mg·L-1，平均占TN質量濃度降低值0.07～4.19 mg·L-1的90%以上。尤其在6─9月PON質量濃度降低幅度大于TN。

盡管生長季人工濕地中DON、NO3-N和NH-N在個別月去除率大于0（圖3b），但三者總和使TDN的去除率平均為-16.40%±27.88%（圖3）。其中DON和NO3-N均在-100%～50%區間波動，但兩者呈相反的趨勢（圖3b）。DON在4─8月去除率小于0（-102.4%～-41.21%），在9─11月去除率大于0 （1.57%～ 43.97%）。NO3-N則在4─7月去除率大于0 （22.80%～ 43.97%），在8─11月去除率小于0 （-19.13%～-3.60%）。NH-N去除率變化范圍較大，基本在-200%～50%區間波動，9月去除率達-700%，即污水進入人工濕地后NH-N質量濃度反而增長了7倍。

圖2 人工湖（a）和人工濕地（b）水體中各形態氮比例月際變化Fig. 2 Monthly changes of the proportions of different nitrogen forms in the constructed lake （a） and constructed wetland （b）

圖3 不同形態氮去除率月際變化Fig. 3 Monthly changes of the removal efficiency of various nitrogen forms

2.3 人工湖與人工濕地Chl a質量濃度及去除率

人工湖中4─5月Chl a較低（14.21±11.02）μg·L-1，從5月起逐漸升高，至9月達到最高均值（435.14±199.09）μg·L-1（圖4）。人工濕地中8—11 月Chl a質量濃度（58.50±41.47）μg·L-1，約是4─7月（6.94±5.70）μg·L-1的10倍。Chl a的去除率在4 ─7月維持較高的水平且穩定（范圍：39.26%～100%，均值：85.06%±15.28%），8─11月波動較大（-37.82%～90.96%）（圖4）。8月Chl a去除率驟然降低是由于人工湖整體換水，藻類減少，而同時取樣的人工濕地水是換水之前進入的，所以對Chl a的去除效果沒有體現。水體中PON與Chl a質量濃度呈顯著正相關（n=64，r=0.75，P<0.001），但兩者去除率無顯著相關性（n=8，r=0.10，P>0.05）。

圖4 葉綠素a質量濃度及去除率月際變化Fig .4 Monthly changes of the concentration and removal efficiency of chlorophyll a

2.4 人工湖與人工濕地pH、DO及水溫的變化

生長季人工濕地平均pH值為7.45±0.26，顯著低于人工湖8.61±0.32（n=32，P<0.001）。人工濕地6─10月pH（7.04～7.44）較4、5和11月略低（7.64～7.92）。生長季人工湖pH值（8.04～9.36）無明顯變化規律（圖5a）。人工濕地生長季DO平均（2.76±2.78）mg·L-1，顯著低于人工湖水體（10.18±4.02）mg·L-1（n=32，P<0.001）。人工濕地的DO變化與pH相似，在6─10月較低（0.96±0.68）mg·L-1。人工湖的DO生長季波動幅度較大，7月達到最低點（0.82±0.21）mg·L-1（圖5b）。人工濕地和人工湖水體溫度生長季變化趨勢相似，4─9月在20 ℃以上，10─11月降至20℃以下。4─11月人工湖水溫（25.58±6.49）℃高于人工濕地（21.15±5.84）℃（n=32，P<0.001）。兩者在6—8月水體溫差較大，平均溫差達（6.16±1.01）℃（圖5c）。

圖5 人工湖與人工濕地pH（a）、DO（b）和水溫（c）的月際變化Fig. 5 Monthly changes of the pH （a）， DO （b） and water temperature （c）in constructed lake and treatment wetlands

3 討論

本研究中供水禽棲息的人工湖污水進入表流人工濕地后TN質量濃度降低，主要是由水體中PON被去除引起的。試驗水體中飼養鳥類產生的食物殘渣和排泄物是PON的主要來源，另外植物凋落物、藻類、細菌和附著微生物等也是人工濕地中PON的重要來源（張軍等，2004）99。整個生長季人工濕地中污水PON質量濃度降低幅度是TN的1.3倍，PON去除量占TN去除量的90%以上。污水進入人工濕地后TDN質量濃度變化不穩定，只有在5、10及11月去除率大于0，其余月份TDN質量濃度均有不同程度升高（1%～50%，圖3a）。盡管大多數研究認為人工濕地對TN的去除主要依賴于反硝化過程（Batson et al.，2012；Kadlec，2012），仍然有少量研究在分析了不同氮形態的去除效率后得出與本文相似的結論，即水體中的氮去除主要是PON去除（Braskerud，2002；Dunne et al.，2013224）。一般農業施肥污水中無機氮含量較高，而養殖廢水、城市生活污水、暴雨徑流等來源的水體中PON含量較高（Taylor et al.，2005）1986。對于后者，宜采用沉淀、吸附等方式促使PON從水體中分離，而延長水力停留時間（一般長于3～5 d）有利于PON沉淀（Dunne et al.，2013）229。本試驗系統的水力停留僅為24 h，水體中的PON可能未充分沉淀。

水體中不同形態氮素可以相互轉化，其去除過程并非相互獨立（Vymazal，2007）49。本研究中4 —7月人工湖中Chl a質量濃度較低，此時TDN占TN的質量分數較高（>50%）。8月人工湖中藻類爆發，TDN占TN質量分數急劇降低，同時PON的質量濃度和占TN的質量分數顯著升高（圖1）。這可能是由于藻類爆發使大量TDN轉化為PON（董云仙等，2010），并增加PON在水體懸停時間，同時使水體TN質量濃度也在藻類爆發期急劇升高。張彩云等（2014）在太湖梅梁灣的研究也得出相似結論，藻類爆發會加快沉積物中營養釋放，使上覆水體中的TN升高。藻類是污水中PON的主要形式之一，藻類增長與爆發過程能影響除N效率。8─10月PON去除率較4─7月略微降低（圖3a），可能是由于此階段人工湖污水中藻類大量增殖引起PON過高，已經超出了人工濕地的負荷。因此，停留在人工濕地水體中的PON和Chl a質量濃度均高出4─7月1個數量級。然而，8─10月人工濕地TDN質量濃度反而較4─7月降低（圖1c），占TN的質量分數也較4─7月降低20%～50%，減少的主要是DON（圖2b）。這可能是由于這段時期水溫和PON升高使微生物的量和活性均提高，因此加快了DON的分解速率（Vymazal，2007）51，同時也推動了水體中無機氮（NH-N和NO-N）增多（圖3b）。由此推測，在夏季藻類爆發期，污水中PON增加可能會影響人工濕地多種N形態的組成比例。

4 結論

在本研究系統中，水禽棲息的污水各形態N組成在生長季月際間變化明顯，夏季藻類爆發使水體中PON質量濃度大幅升高。污水進入表流人工濕地TN去除主要依賴于PON去除，生長季PON去除率60.02%±22.97%，PON去除量占TN去除量的90%以上。夏季PON去除率降低可能是由于超過了表流人工濕地負荷，可進一步嘗試通過延長水力停留時間等方法提高PON的去除率，進而提高夏季TN去除率。在本研究中盡管整個生長季TDN去除率為負，但是9─11月人工濕地中DON質量濃度低于人工湖，推測是由于夏季水溫和PON升高使微生物的量和活性均提高，一定程度上促進了氨化作用。然而，由于人工濕地夏季DO過低，使氨化與硝化作用不能充分完成，水體中NH-N總體質量濃度較低，即使DO滿足反硝化反應要求也不能發生。因此，在本研究系統的表流濕地中水體環境并不利于TDN完成從DON到N2的轉化。本研究獲得結論，水禽棲息的污水進入表流人工濕地后TN去除主要以PON為主，且PON去除率與藻類動態相關。增強人工濕地PON去除能力將能有效提高污水TN去除率，尤其在藻類爆發期除N效果更為顯著。

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The Nitrogen Composition and Their Removal Efficiency in A Surface Flow Constructed Wetland

ZHANG Xiaodong1， 2， LI Wei1， 2， PAN Xu1， 2， CUI Lijuan1， 2*
1. Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration， Institute of Wetland Research， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China；2. Beijing Hanshiqiao national Wetland Ecosystem Research Station， Beijing 101200， China

Abstract:Constructed wetlands are an effective and green method for purifying wastewater. They efficiently remove the biological oxygen demand， chemical oxygen demand， total suspended solids and bacteria contamination. However， the removal of nitrogen by constructed wetland has been found to be less efficient. Information is lacking on the relative proportions of particulate organic nitrogen （PON） and total dissolved nitrogen （TDN） in total nitrogen （TN）. Furthermore， their removal efficiency in constructed wetlands is poorly known， although the removal efficiency of TDN components （DON， NH4+-N， NO3-N） has been widely studied. This study was conducted at the Beijing Wildlife Rescue and Rehabilitation Centre， where a constructed lake for the habitation of waterbirds and a constructed wetland for purifying sewage from the lake are located. During April to November 2014， we monitored the efficiency for the wetland to remove different nitrogen forms from the lake sewage， and analyzed the relationship between phytoplankton dynamics and nitrogen removal. The PON accounted for 47.83%±9.90% （mean±SD） of TN in the constructed lake during April-June， compared to 86.93%±7.71% during August-October. The Chl a positively correlated with PON （n=8， r=0.76，P<0.001） over the study period， indicating that increases in PON may result from the phytoplankton proliferation in summer and autumn. We speculated that the TDN in the constructed lake might have been transformed to PON by phytoplankton. The PON removal efficiency in the constructed wetland was 60.02%±22.97%， and acted as the primary pathway of N-removal （90% of TN removal） for surface flow constructed wetlands. The removal efficiencies of both PON and Chl a were lower during August-October than that during April-July， implying that the PON removal might have achieved the maximum efficiency during phytoplankton blooms. The removal of TDN （-16.40%±27.88%） was insignificant in the surface flow constructed wetland from April to November. In conclusion， the surface flow constructed wetland removed N from the lake sewage primarily through reductions in PON， and its PON removal efficiency was related to phytoplankton dynamics. Practices that facilitate PON removal of the constructed wetland will help reduce N from waterbird sewage， especially during the periods of phytoplankton bloom.

Key words:constructed wetland； particulate organic nitrogen； total dissolved nitrogen； chlorophyll a； nitrogen removal efficiency

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.020

中圖分類號：X52

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）03-0503-07

基金項目：國家自然科學基金項目（31300400）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項（CAFYBB2014QB025）

作者簡介：張驍棟（1984年生），女，助理研究員，主要研究方向為濕地生態學。E-mail: zhangxiaod@caf.ac.cn

*通信作者：崔麗娟（1968年生），女，研究員，博士生導師，主要從事濕地生態研究。E-mail: lkyclj@126.com

收稿日期：2015-12-30