潛流濕地短程硝化反硝化強化脫氮研究

戰楠 黃炳彬 趙立新 王利軍 高曉薇

摘 要：為探索人工濕地系統短程硝化反硝化脫氮作用對微污染水體脫氮性能的提升效果及影響因素，構建兩級垂直流潛流濕地系統，對比分析了間歇進水、同步回流、預曝氣等運行方式下的凈水效果及含氮污染物的轉化規律，結果表明：進水低碳氮比條件下，系統對CODCr和NH+4-N的去除率穩定在60.5%～64.3%和90%以上；通過水位/水量調節方式強化濕地內部自然富氧作用，實現TN去除效果增長8%～10%，亞硝化率呈升高趨勢，NO-3-N的累積現象有所改善；氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）群落分布一致性和優勢群菌豐度顯著提升，反硝化細菌（nirS）優勢種群分布同時得到改善，水位/水量調控的運行方式可以提升短程硝化效率，為反硝化反應提供更充足的底質和溶解氧條件，強化濕地系統對微污染水體的短程硝化反硝化脫氮作用。

關鍵詞：人工濕地；水位/水量調節；短程硝化；反硝化；微生物

中圖分類號：TV211.1+1；X522 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.020

引用格式：戰楠，黃炳彬，趙立新，等.潛流濕地短程硝化反硝化強化脫氮研究[J].人民黃河，2022，44（1）：94-99，105.

StudyonEnhancedNitrogenRemovalbyShort CutNitrificationinSubsurfaceConstructedWetland

ZHANNan1，HUANGBingbin1，ZHAOLixin1，WANGLijun2，GAOXiaowei2（1.BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，BeijingWaterScienceand TechnologyInstitute，Beijing100048，China；2.BeijingInstituteofWater，Beijing100048，China）

Abstract：Inordertoexploretheeffectandinfluencingfactorsofshort cutnitrificationanddenitrificationinconstructedwetlandsystemon nitrogenremovalperformanceofmicro pollutedwater，atwo stageverticalflowconstructedwetlandssystemwasconstructed，theeffectsof waterpurificationandtransformationofnitrogenouscontaminantwithoperationmodeofintermittentwater，synchronousrefluxandpre aerationwerecomparativelyanalyzed.TheresultsshowthatunderlowC/Nratiocondition，theremovalrateofCODCrandNH+4-Nismain tainedstableat60.5%-64.3%andover90%；theremovaleffectofTNcanbeincreasedby8%-10%bythewayofwaterlevel/watervol umeregulationtoenhancetheeffectofnaturalenrichment，thenitrificationrateshowsanincreasingtrendandtheaccumulationofNO-3-Nis effectivelyimproved.ThecommunitydistributionconsistencyanddominanceofAOBandAOAaresignificantlyimprovedandthedominant populationdistributionofnirSisalsoimproved.Itshowsthattheoperatingmodebywaterlevel/volumecontrol，moresufficientsubstrateand dissolvedoxygenconditionsareprovidedfordenitrificationreactionandtheshort rangenitrificationanddenitrificationofmicro pollutedwater isstrengthenedbythewetlandsystem.

Keywords：constructedwetland；waterlevel/volumecontrol；short cutnitrification；denitrification；microorganism

人工濕地是在土壤、植物和微生物[1]三種相互依存要素的協同作用下，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收、微生物降解等綜合作用對污染物進行高效凈化的水處理技術。生物脫氮是濕地系統對含氮污染物去除的主要作用機理[1-3]，其中硝化反硝化反應對氮的去除量占60%～86%[4]，被認為是濕地系統中最主要的生物脫氮作用途徑[5-6]。然而限于人工濕地的結構特征，濕地系統內溶解氧質量濃度較低，導致對氮類污染物的去除受到制約。此外，針對低碳高氮特征的微污染水體而言，碳源不足也是濕地系統內生物反硝化作用的限制因素。為強化濕地系統總氮去除效果，近年研究多集中在曝氣方式優化[7-8]、基質填料開發、生物碳源投加[9]等方面。劉學燕等[10]研究發現，鐵碳物化-生物耦合新型濕地填料對氮磷等污染物的去除效果高于傳統填料的。鐵碳作為基質材料[11]，間歇曝氣運行方式下，對TN去除率較傳統人工濕地提升約11%。于魯冀等[12]將玉米芯作為纖維素碳源，結合水位調節，對TN平均去除率達70.55%。以秸稈為原料制備生物碳源，對TN的去除率可以提升6.9%[11]。這些措施使濕地系統總氮去除率顯著提升，但也存在建設、運行成本提高的問題，以及添加碳源后，基質層堵塞、出水COD質量濃度升高等風險。

隨著人工濕地生物脫氮技術研究的日益深入，短程硝化反硝化和厭氧氨氧化等新型生物脫氮路徑逐漸被發現，為人工濕地技術脫氮性能的提升拓寬了思路[13]。Rampuria等[14]研究表明，厭氧氨氧化作用是人工濕地系統脫氮的關鍵途徑之一，較深的基質層（2.2m）為厭氧氨氧化細菌提供了適宜的環境條件，但也對潛流濕地的設計提出了更高要求。

相較于傳統硝化反硝化過程，短程硝化反硝化可節約25%的曝氣量和40%的有機碳源，而且亞硝酸鹽氮作為反硝化底物的反應速率是硝酸鹽氮底物的1.5～2.0倍[15]，從而可實現經濟高效脫氮。馮愛坤等[16]提出通過控制系統DO、有機物負荷等可以實現濕地短程硝化反硝化作用。Hou等[17]研究表明，采用改進的間歇曝氣方式進行DO控制，可將脫氮從硝酸鹽途徑轉移至亞硝酸鹽途徑，從而提高短程硝化作用下的脫氮性能。同時有研究提出，潮汐人工濕地脫氮效果[18]與連續流相比保持較高水平，原因在于氧氣可通過規律性水流波動充分、迅速補充到濕地床體中，使硝化和反硝化作用得到增強。本研究旨在通過構建兩級垂直潛流人工濕地系統，采用水位/流量、曝氣強度等調控措施，結合濕地系統微生物菌群分布特征，探索人工濕地系統內短程硝化反硝化脫氮作用對微污染水體脫氮性能的提升效果及影響因素。

1 材料與方法

1.1 試驗系統及運行

濕地系統由兩級垂直潛流濕地、水位調節池構成，系統包括曝氣池、一級濕地、集水池、二級濕地、生物塘，試驗系統工藝流程見圖1。兩級濕地單元基質由石灰質碎石、河砂、焦炭等材料組成，分別采用下行流和上行流的運行方式。一級濕地出水經水位調節裝置依次自流進入中間集水池、二級濕地，最終自流出水。集水池內預設回流系統，通過潛水泵控制部分水體回流至前端曝氣池。

試驗系統設計日處理水量450L，表面水力負荷為0.1m3/（m2·d）。采用間歇方式運行，每天分3次進水，單次進水量為150L，進水持續時間為30min；一級濕地出水通過水位調節裝置控制，持續出水周期為2.5～3.0h；落干周期為4.0～5.0h。回流系統與進水設施同步啟動，回流比按1∶3控制。通過間歇進水、同步回流運行方式進行水位/水量調節，一級濕地單元上層水位變幅為30～50cm，二級濕地水位變幅為10～20cm，基質層干/濕交替變化。

為進行溶解氧調控條件下系統生物脫氮性能的對比分析，試驗分3個周期開展，見表1。第一、三周期內采用氣水比10∶1間歇曝氣，曝氣系統與進水同步啟動，持續時間為3h；第二周期不進行預曝氣。

2 結果與討論

2.1 有機物凈化效果

試驗期間，系統對CODCr的去除效果見圖2。系統進水CODCr質量濃度為10～52mg/L；經濕地系統凈化后，出水平均質量濃度降至10.78mg/L，平均去除率達63.18%。3個試驗周期中對CODCr的平均去除率分別為60.5%、64.3%和63.8%。不同運行工況下，一級濕地出水平均去除率53.77%明顯高于二級濕地的平均去除率19.48%。試驗表明，試驗系統對CODCr的去除具有較為穩定的效果；曝氣系統是否啟動對去除效果影響較小；不同運行方式下，一級濕地去除效果優于二級濕地的，為主要作用單元。

2.2 系統中DO沿程變化規律

第一、二周期濕地系統DO的沿程變化見圖3，其中監測點1～4和6、7分別表征一級和二級濕地內沿水流方向間隔30cm的DO變化情況。由圖3可知，進水DO差異不大的情況下，經預曝氣后DO質量濃度提升至8.6mg/L，雖然濕地床內部DO含量表現為逐步降低的趨勢，但一級濕地出水DO質量濃度仍達3.3mg/L。停止預曝氣后，一級濕地床內DO質量濃度由進水4.37mg/L逐漸降至0.20mg/L。濕地內DO質量濃度較傳統潛流濕地的高，與系統間歇進水及回流運行方式下基質上層處于干濕交替和水位不斷變化，強化自然復氧能力有關。二級濕地內通過水位調節進行溶解氧環境的調控，第一、二周期差異相對較小，出水DO質量濃度均為0.20mg/L左右。

2.3 含氮污染物轉化規律

系統對TN去除效果見圖4。進水碳氮比為1.2～3.6的條件下，根據每天的監測值，系統對TN平均去除率為46.15%，平均質量濃度由進水的8.91mg/L降至4.70mg/L。3個試驗周期對TN的平均去除率分別為44.0%、51.9%和42.0%，一級濕地對TN的平均去除率分別為25.42%、42.04%和26.40%。預曝氣系統關閉的第二試驗周期TN去除效果高于其他兩個周期近10%，其中一級濕地脫氮效果提高了約16%。

對比發現，具有氨氧化功能的氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）菌群分布變化明顯，兩類功能型微生物檢出群落類別數量均有所減少，AOB一級、二級濕地單元檢出量分別由101、22類降低至29、19類，AOA一級、二級濕地單元檢出量分別由20、33類降低至6類，但所檢出優勢群落豐度占比顯著升高。

AOA變化趨勢與AOB較為一致，第一周期兩級濕地床監測出相對豐度大于0.1%的群落包括Nitro soarchaeum、Collimonas、Candidatus_Nitrosocosmicus、叢毛單胞菌（Comamonas）、Candidatus_Nitrosotenuis、噬酸菌（Acidovorax）共6類，一級、二級濕地相對豐度之和分別為57%、20%，但屬間差異較大，一級濕地中主要優勢種Nitrosoarchaeum相對豐度為49%，而二級濕地中不足10%。第二周期AOA種群數降至3類，一級、二級濕地相對豐度之和分別為89.6%和85.2%，其中Nitrosoarchaeum為主要優勢種，在兩級濕地內相對豐度均增長至80%。由此說明，富氧方式進一步優化改善了濕地床內部微溶解氧環境，為具有氨氧化功能的微生物提供了更適宜的富集環境。功能型微生物優勢群落分布一致性和相對豐度提升表明，濕地系統中氨氧化功能得到強化，促使短程硝化作用下發揮凈水作用。

試驗期間對具有反硝化功能的nirS微生物群落特征進行分析。第一周期，一級濕地基質樣本并未擴增成功，與初期內部DO質量濃度偏高有關。二級濕地中相對豐度高于0.2%的11類微生物包括脫氯單胞菌（Dechloromonas）、貪銅菌（Cupriavidus）、紅長命菌（Rubrivivax）、Steroidobacter、Sulfuritalea、Sulfurifustis、固氮弓菌（Azoarcus）、硫桿菌（Thiobacillus）、陶厄氏菌（Thauera）、假單胞菌（Pseudomonas）、芽孢桿菌（Bacil lus），總豐度達49%。運行條件改變后，一級濕地床內nirS微生物被檢出，優勢種群與二級濕地的結果一致，較上一階段減少了硫桿菌（Thiobacillus）和芽孢桿菌（Bacillus），其他微生物總豐度在兩級濕地內分別為43.0%、38.4%。由此表明，通過水位/水量調控進行溶解氧條件的調節，不僅優化了氨氧化功能型微生物群落的分布特征，同時為反硝化功能細菌富集提供了適宜環境，為潛流濕地系統短程硝化反硝化反應創造了有利條件。

3 結 論

（3）對比濕地系統功能型微生物分布特征，水位/水量調控方式下，具有氨氧化功能的氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）群落數量減少，但優勢群落分布一致性和豐度顯著提升，其中AOB和AOA主要優勢微生物亞硝化螺菌（Nitrosospira）、Nitrosoarchaeum相對優勢度提升至26.52%～27.95%和80%。反硝化細菌（nirS）優勢種群分布得到改善，表明濕地系統為短程硝化反硝化反應創造了有利條件。

試驗以運行方式優化為出發點，通過構建兩級垂直流人工濕地系統，采用間歇進水、回流等調控措施，強化了基于短程硝化反硝化作用的脫氮效率，減少了碳源對微污染水體凈化的限制因素，同時具有節省碳源、降低曝氣強度等優勢，從而實現經濟高效脫氮。該研究為人工濕地凈化微污染水體的設計和應用提供了新思路。

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【責任編輯 呂艷梅】