生物炭添加對人工濕地中污染物去除和基質微 生物活性的影響

許巧玲 汪麗 譚敏霞 耿和軍 王曉蕾 李佳杰

摘要：為提高人工濕地除污能力，探索利用生物炭強化人工濕地除污的可行性，以垂直流人工濕地為研究對象，通過單因素分析對比不添加生物炭系統（CW-1）和添加生物炭系統（CW-2）的垂直流人工濕地出水凈化效果、微生物活性（基質酶活性、生物量、生物膜）大小，探究生物炭對垂直流人工濕地污水系統中總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）及化學需氧量（COD）去除效果的影響，分析生物炭對垂直流濕地基質中酶活性、生物量和生物膜量的影響。結果表明，通過添加生物炭，TN、NH4+-N、TP、COD的平均去除率分別提高3.0、1.1、2.7、0.1百分點，添加生物炭濕地（CW-2）的去除率高于未添加生物炭濕地（CW-1）;生物炭添加促使濕地基質中磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性和生物量增加，對0～10 cm基質層中酶活性的促進作用尤其顯著，0～10 cm基質層酶活性和生物量含量顯著（P < 0.05）高于其他2層（10～20 cm和20～30 cm）。結果證明，在人工濕地中添加生物炭可以提高氮、磷、化學需氧量的去除效果，并可顯著提高0～10 cm基質層中酶活性和生物量水平，從基質酶和生物量角度看，添加生物炭有助于提高人工濕地長效除污潛力，但生物炭的添加也增加了20～30 cm層的生物堵塞風險。

關鍵詞：生物炭;垂直流人工濕地;凈化效果;酶活性;生物量

中圖分類號：X703? ? ? &nbsp; ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）01-0063-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.01.015

Effects of BiocharAddition on Pollutant Removal and Substrate Enzyme Activity in Vertical Flow Constructed Wetlands

XU Qiaoling， WANG Li， TAN Minxia， GENG Hejun，WANG Xiaolei， LI Jiajie

（Department of Resources & Environmental Engineering， Anshun University， Anshun Guizhou 561000， China）

Abstract：In order to improve the water quality using constructed wetland and explore the use of biochar strengthening constructed wetland decontamination feasibility， the vertical flow constructed wetland were taken as the research object in this experiment.Through the single factor analysis， the decontamination， substrate enzyme activity and biomass between the no addition biochar system （CW-1） and the addition biochar system （CW-2） were compared. The effects of biochar on the removal effect of total nitrogen （TN）， ammonia nitrogen （NH4+-N）， total phosphorus （TP） and chemical oxygen demand（COD） in the sewage system of vertical flow constructed wetlandwere explored， and the effects of biochar on the enzyme activity， biomass and biofilm quantity in the vertical flow wetland were analyzed. The results showed that by adding biochar， the average removal rates of TN，NH4+-N， TP and COD increased by 3.0%、 1.1%、 2.7% and 0.1%， respectively. The removal rate of CW-2 wetland was slightly higher than that of CW-1 wetland. Biochar supplementation increased the activities and biomass of phosphatase，urease and catalase in substrate，especially in 0-10 cm substrate layer， and the activities and biomass contents in 0-10 cm substrate layer were significantly higher than those in other two layers （10～20 cm and 20～30 cm）（P < 0.05）. The results showed that adding biochar to constructed wetland could improve the removal efficiency of nitrogen， phosphorus and chemical oxygen demand， and significantly increase the enzyme activity and biomass in 0-10 cm substrate layer. From the perspective of substrate enzyme and biomass， adding biochar could improve the long-term sewage removal potential of constructed wetland.However， the addition of biochar also increased the risk of biological blockage in 20～30 cm layer.

Key words：Biochar;Vertical flow constructed wetland;Purification effect;Enzyme activity;Biomass

人工濕地利用填料的吸附作用、微生物降解作用和植物吸收等作用去除水中的污染物，利用人工濕地除污是一種處理效果好、成本低、有前景的生態處理技術[1 - 2 ]。很多研究證實植物吸收污染物所占比例較小[2 - 4 ]，填料吸附和微生物降解在濕地水質凈化中占比較大[5 - 6 ]，因此，提高基質吸附能力和強化微生物活力可以有效提升人工濕地系統的除污效果。生物炭是廢棄生物質在厭氧條件下熱解得到的富碳產物[7 - 8 ]，作為一種多功能環保材料，具有較大的比表面積、高的多孔結構和較強的陽離子交換能力，為微生物的生長提供巨大的空間，同時具有良好的吸附特性，可以有效地去除廢水中的污染物。有研究證明生物炭的添加可以改變微生物群落結構，從而提高氮的去除效果[9 ]。近些年，生物炭被廣泛用于固碳減排、含氮廢水處理及土壤修復改良等方面的研究與實踐[10 - 12 ]。人工濕地根據其水流方式不同分為表面流濕地、潛流濕地和垂直流濕地3種類型。其中，垂直流人工濕地占地面積較小，有較強的輸氧能力[13 ]，對污染物去除有較好的效果，因此被廣泛應用于污水處理中。根據生物炭具有多孔和吸附能力的性質，我們在垂直流人工濕地中添加一定量生物炭強化濕地對污水中污染物的去除。首先模擬構建2個垂直流人工濕地，分別為未添加生物炭的濕地CW-1和添加生物炭的濕地CW-2，為排除植物對人工濕地系統的干擾，更直觀地研究添加生物炭對人工濕地中基質酶活性和生物量的影響，同時監測2個系統中氮、磷和化學需氧量的去除變化，為人工濕地強化長效除污提供依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?構建人工濕地

試驗設置2個規模相同的垂直流人工濕地。人工濕地自下而上依次鋪設15 cm厚的礫石塊，30 cm厚的基質層，20 cm的布水區。CW-1為未添加生物炭的對照系統（基質層為30 cm河砂），CW-2為添加生物炭的系統（基質層為29 cm河砂+ 1 cm生物炭）。系統在運行穩定后，于9月13日開始正式運行，采用計量水泵灌水，水力負荷為10 cm/d。每7 d檢測水質指標1次。

1.2? ?進水水質

試驗污水為合成生活污水，參數值如下：溶解氧（DO）為4～6 mg/L，pH的變化范圍為7.3～7.9。總氮（TN）為33.9～40.7 mg/L、氨氮（NH4+-N）為22.1～30.5 mg/L、總磷（TP）為5.6～6.2 mg/L、化學需氧量（COD）為238.0～504.3 mg/L。

1.3? ?指標檢測方法

水質指標：TN、NH4+-N、TP、COD采用國標法測定[14 ]。

酶活性指標：脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性測定采用關松蔭[15 ]的方法。

1.4? ?數據分析

利用origin 9.0和SPSS（IBM）-26.0軟件計算分析平均值和標準誤差。本文的統計分析重復為絕對樣品重復。

2? ?結果與討論

2.1? ?添加生物炭對凈化效果的影響

CW-2和CW-1中TN的平均去除率分別為23.8%、20.8%，NH4+-N的平均去除率分別為21.3%、20.2%，COD的平均去除率分別為77.9%、77.8%，TP的平均去除率分別為29.5%、26.8%（圖2）。可見試驗中添加生物炭的CW-2系統對污染物的去除效果高于不添加生物炭基質的對照系統CW-1。基質中添加生物炭，TN、NH4+-N、TP、COD的平均去除率分別提高3.0、1.1、2.7、0.1百分點。添加生物炭對COD的去除幾乎無影響，2個系統的COD去除率都大于77%，由于垂直流人工濕地有較好的輸氧能力，對有機物去除能力較強[16 ];對磷的去除影響最大，試驗結束時CW-2中TP去除率為4.0%，CW-1中TP去除率呈現負值，為-9.8%，這也驗證了人工濕地中除磷主要通過基質吸附[5 ]。結果證明，從長遠看，添加生物炭可以提高濕地系統的長效脫氮除磷能力。

2.2? ?添加生物炭對基質酶活性的影響

從圖3可以看出，CW-1和CW-2中的脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶基本都表現出一致規律，除10～20 cm層過氧化氫酶外，其他都表現出系統CW-2大于CW-1。究其原因基質中添加生物炭有利于微生物在基質層附著繁殖，從而增加了相關酶活性，這種影響在0～10 cm基質層表現尤為突出。通過對不同基質層酶活性方差分析得知，0～10 cm層的酶活性顯著（P < 0.05）高于10～20 cm和20～30 cm層。CW-1系統中0～10 cm基質層中的脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性分別為6.3 mg/（100 g·24 h）、21.1 mg/（100 g·24 h）、0.110 mL/（g·20 min）;CW-2系統中0～10 cm基質層中的脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性分別為21.9 mg/（100 g·24 h）、56.9 mg/（100 g·24 h）、0.113 mL/（g·20 min）。添加生物炭的CW-2系統中脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性比未添加生物炭的CW-1系統分別高出3.5、2.7、1.03倍，大量研究已經證實人工濕地中酶活性與污染物去除有正相關關系[17 - 19] 。從酶活性角度看，添加生物炭可以顯著提高基質中微生物活性，隨著系統運行，基質吸附將趨于飽和，提高微生物活性的優勢會日益凸顯，從而實現長效除污的目標。

2.3? ?添加生物炭對基質中生物量和生物膜的影響

人工濕地屬于生物過濾系統范疇，主要依靠植物吸收、基質吸附和微生物作用除污，濕地基質也被稱為填料，是微生物生長繁殖的主要載體[20 ]。填料中生物量和生物膜的水平可以直接反映微生物狀況。從生物量角度看，添加生物炭的CW-2系統中生物量大于CW-1，2個系統都呈現相同規律，由大到小為0～10、10～20、20～30 cm，說明垂直流人工濕地中0～10 cm層是微生物活動最活躍區域，這與之前的研究結果類似[16 ]。通過對生物膜的監測發現生物膜在2個系統間的變化與生物量是一致的，都是系統CW-2大于系統CW-1，但在基質垂向的變化與生物量不同，呈現規律由大到小為20～30、0～10、 10～20 cm。究其原因是隨著系統運行，生物膜新舊更替，脫落的生物膜會隨水流方向往下遷移，最終會在底層沉淀累積。從生物膜遷移和累積也說明垂直流人工濕地中合理分配基質粒徑尤為重要，隨著生物膜的日益累積，增加了20～30 cm層生物堵塞的風險。

3? ?結論

試驗通過對添加生物炭CW-2和未添加生物炭CW-1 2組垂直流人工濕地進行為期120 d的監測，研究這2個垂直流人工濕地對污染物的凈化效果，探究生物炭的添加與否對濕地除污效果、基質酶活性、生物量和生物膜的影響。結果表明，生物炭的添加可以提高垂直流人工濕地的水質凈化能力。添加生物炭濕地CW-2的污染物去除率高于未添加生物炭濕地CW-1，TN、NH4+-N、TP、COD的平均去除率分別提高3.0、1.1、2.7、0.1百分點。生物炭的添加可以促使基質中磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性和生物量的增加。0～10 cm基質層酶活性和生物量含量顯著（P < 0.05）高于其他2層（10～20 cm和20～30 cm），說明生物炭與濕地系統契合良好，且在垂直流人工濕地中0～10 cm層是微生物活躍區，也是降解污染物的主要場所。生物炭的添加增大了底層基質的生物堵塞風險。生物膜在基質垂向的變化由大到小為20～30、0～10、10～20 cm，因為垂直流人工濕地水流特點，脫落的生物膜會隨水流方向往下遷移，最終在20～30 cm層沉淀累積，底層基質層（20～30 cm）有發生生物堵塞的風險。因此，在垂直流人工濕地中合理分配基質粒徑，適度增大底層基質粒徑顯得尤為重要。

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