不同价态硫素强化人工湿地反硝化脱氮作用的研究

田海莹，宋新山，王宇晖

（东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

人工湿地作为一种环保高效、经济实用、操作简便的水环境生态修复技术，适用于去除水中的多种污染物质，是控制点源和非点源污染的有效技术，目前在国内外已广泛用于污、废水的脱氮处理。

生物反硝化脱氮作为硝态氮脱离水体的关键过程，一直以来都是人们关注的焦点，根据反硝化过程中是否供给有机碳源，可将反硝化过程分为异养反硝化和自养反硝化。异养反硝化需要经常补充碳源，只有碳源充足才能保证反硝化过程彻底进行，使其最终产物为N2。 但通常稳定优质的碳源因其成本高、用量大而无法广泛使用，在处理大量污废水方面应用时受到限制。在反应器自养反硝化的研究中，硫自养反硝化是研究最多、应用广泛的一种自养反硝化，但在人工湿地中却不常见。硫自养反硝化过程中，无需投加有机碳源，但自养反硝化微生物在没有外加碳源情况下，具有生长缓慢、生物膜不稳定等缺点；且硫自养反硝化出水中含有较高的硫酸根离子〔1〕，易造成二次污染，因此硫自养反硝化的应用也具有一定的局限性。为了避免反应器中硫自养反硝化的缺陷，本研究尝试构建复合人工湿地、以硫自养-异养联合反硝化的方式协同去除污染水体中的氮元素，对比不同形态的硫素（Na2S、Na2S2O3、S0）对反硝化的促进作用，探讨不同因素水平下硝氮去除效率的变化规律，以期能达到较好的效果。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本实验采用4 组（每组设置3 个平行试验）完全相同的PVC 管柱构建间歇流人工湿地装置，高70 cm、内径11 cm。其中Na2S 和Na2S2O3以进水的方式加入到以石英砂为基质的人工湿地中，S 单质作为人工湿地填料与石英砂混合均匀填入装置中。其中，质地均匀的单质硫粒径为3～5 mm，石英砂粒径为2～4 mm。S 与石英砂的总量为5.5 kg，质量比为1∶25，混合均匀后填入到PVC 管柱中，对照组中只填充等量的石英砂。每个装置中均种植4 株长势相同、株高一致的美人蕉幼苗。每次进水时，保证水位完全没过基质。

1.2 人工湿地中微生物的接种驯化与试运行

接种污泥取自上海市松江污水处理厂二沉池，密封放置2～5 d 后变为厌氧活性污泥。将一定量的厌氧污泥添加到硝氮废水中，并加入定量的营养元素。营养元素组成（g/L）：MgCl2·6H2O 61，KH2PO417，CaCl233.2，CuSO4·5H2O 0.025，ZnSO4·7H2O 10.75，MnSO4·H2O 6.35，Na2MoO4·2H2O 0.25，CoCl2·6H2O 0.025，H3BO46.2。营养元素与进水体积比为1∶1 000，搅拌均匀后加入到4 个人工湿地装置中以驯化微生物。总驯化时长为30 d，期间每3 d 换1 次水，保证碳源充足，以确保微生物能够正常生长。30 d 后进入试运行阶段，将模拟废水注入人工湿地装置，每隔6、12、24、48 h 取样，测试出水的pH、溶解氧（DO）、氧化 还 原 电 位（ORP）、NO3-、NO2-、NH4+、TN、SO42-、COD 等指标。重复7～8 个周期，待出水指标稳定后进入正式的实验阶段。

1.3 废水水质特性

实验用水为去离子水，以降低自来水中Ca2+、Mg2+、Cl-、ClO-等离子的干扰。进水为模拟硝酸盐废水，添加微生物生长所必需的微量营养元素配制而成。NaNO3质量浓度（以N 计）为40 mg/L，外加碳源为葡萄糖。Na2S 和Na2S2O3体系分别以Na2S·9H2O和Na2S2O3·5H2O 作为电子供体进行微生物驯 化〔2〕，其中S 与N 物质的量比为0.5。

1.4 分析项目及测试方法

测定项目包括进出水pH、DO、ORP、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、SO42-、COD。 pH、DO、ORP 采用HACH HQ40d 双路输入多参数数字化分析仪检测；其余指标均参考文献〔3〕进行测定。NO3--N，双波长紫外分光光度法；NO2--N，N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法；NH4+-N，纳氏比色法；TN，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；SO42-，铬酸钡分光光度法；COD，6B-200 型化学耗氧量水质速测仪。

1.5 实验方法

4 个人工湿地装置均在自然室温条件下连续运行，设置多个水力停留时间（6、12、24、48 h）以探究不同水力停留时间对NO3--N 去除效率的影响；考察不同进水pH 梯度（6、7、8、9）对脱氮效率的影响，对比分析不同形态的硫系统在对硝氮去除率方面的差异。设置不同的碳氮比，调整进水中的碳源量，考察碳源对反硝化脱氮作用的影响。

2 结果与讨论

2.1 水力停留时间对人工湿地中硝态氮去除效果的影响

水力停留时间（HRT）是影响人工湿地脱氮效果的重要因素。因此，在pH=7、C/N=3 时，选定HRT 分别为6、12、24、48 h，考察HRT 对人工湿地反硝化脱氮效果的影响，结果如图1 所示。

图1 不同HRT 条件下人工湿地装置中NO3--N 的去除情况

随着HRT 延长，不同装置内NO3--N 去除率均有所提高，且添加硫素的人工湿地系统反硝化脱氮效率显著高于对照组（P＜0.05）。其中，添加Na2S 的人工湿地48 h 脱氮率达到97.83%，明显高于添加其他两种硫素的系统（P＜0.05）。而添加Na2S2O3和单质S的人工湿地脱氮效率无明显差异（P＞0.05），HRT 为48 h 的脱氮率分别为76.6%、74.96%。

通常情况下， 对于一定的硝氮浓度和反应容积，HRT 虽然不会影响反硝化菌的生物活性，但人工湿地的脱氮率会随着HRT 延长而升高，这是由于污水中的氮素与附着在湿地基质和植物根系上的微生物有了充分的接触和反应时间〔4〕。当HRT 延长时，人工湿地的脱氮率最终都将达到100%，但会增加单位体积含氮污水的处理成本。因此，选择能使脱氮率达到最佳水平又能保证经济效益的HRT十分重要。综合考虑人工湿地脱氮整体情况及运行成本等因素，最终确定此条件下的最佳水力停留时间为48 h。

2.2 进水pH 对人工湿地中硝态氮去除效果的影响

进水pH 的变化对系统反硝化脱氮效果有显著影响。pH 偏高（低），均会降低反硝化脱氮的效果，可见存在反硝化脱氮适宜的pH 区间。每次调节进水pH 时均在原管柱中进行。先用所配制的人工模拟进水冲洗管柱3～4 次， 以最后1 次的进水停留在柱内。当HRT=48 h、C/N=3，考察pH 对反硝化作用的影响，结果见图2。同时，表1 给出了不同进水pH 条件下各人工湿地出水pH 的变化情况。

图2 不同进水pH 条件下各体系对硝氮的去除情况

表1 不同进水pH 条件下出水pH 变化情况

实验发现，随着pH 的降低，4 组人工湿地装置中NO3--N 去除率均呈现出先升高后降低的趋势，且在pH=7 时硝氮去除率达到最佳水平。反硝化过程是一个产生碱度的过程〔5〕，反硝化菌在中偏碱性（7.0～8.5）条件下具有更高的活性。但是随着反硝化过程持续进行，反硝化产碱过程会使体系内pH 偏高，不利于后续反硝化的进行，过高（低）pH 会使反硝化菌的生长和代谢活动受到影响，导致微生物活性受抑制，将会大大降低整个体系的脱氮能力。

本研究中，添加单质S 的人工湿地由于有S 元素作为电子供体参与自养反硝化过程，其化学反应见式（1）〔6〕。

可见，此反应是产酸过程。当进水pH=7 时，由于反硝化过程中产生的碱度能够与系统内产生的H+发生中和，使整个装置内部的pH 维持在相对稳定的中性状态，有利于反硝化过程的进行。实验结果表明，在进水pH=7 时，不同装置对硝氮的去除率都达到最佳水平，因此确定最佳进水pH 为7。王弘宇等〔7-8〕认为反硝化微生物一般适合在中性条件下进行反硝化作用，这与本实验结果一致。

2.3 不同的碳氮比对人工湿地中硝态氮去除效果的影响

在HRT=48 h、pH=7 条件下探究不同的碳氮比对硝氮去除效果的影响，各体系中硝氮的脱除情况见图3。

图3 不同碳氮比条件下各体系对硝氮的脱除情况

当不添加有机碳源，即C/N=0 时，各体系的脱氮效果较差。此时人工湿地以自养反硝化过程为主，反硝化微生物利用添加在人工湿地中的Na2S、Na2S2O3和S 作为电子供体。但Na2S 和Na2S2O3的进水含量有限，基质中单质硫的溶解度也相对很低，能够被微生物所利用的部分非常有限，无法有效促进反硝化过程的进行。此外，由于体系内缺少可利用的碳源作为额外电子供体，无法快速启动反硝化过程；微生物缺少碳源的支持导致活性降低，所以反硝化进程缓慢，无法高效还原水中的硝态氮。当向人工湿地投加少量有机碳源后（C/N=1），此时人工湿地中同时发生自养和异养反硝化。各体系（Na2S、Na2S2O3、S、对照组）内硝氮去除率分别提高14.14%、10.8%、10.37%、7.17%，说明碳源的存在有利于反硝化过程进行，但碳源不足导致反硝化过程无法彻底进行。因为异养反硝化微生物以有机碳作为生长代谢所必需的物质与能量来源，生物脱氮需要大量易于生物降解的有机碳源〔9〕。所以，要进一步提高碳源投加量。

当C/N=3 时，各体系硝氮去除率均有大幅提升，比C/N=0 时分别高出约47.67%、39.71%、40.27%、23.19%。 说明碳源投加量对硝氮的去除有很大影响。碳源充足时，有利于反硝化反应彻底进行。表2给出了不同碳氮比条件下各体系内DO 和ORP 的变化情况。

表2 不同碳氮比条件下各体系中DO 和ORP 变化情况

由表2 可知，C/N=3 时， 各体系出水的DO 和ORP 相应地都低于C/N=0 和C/N=1 时的值； 出水DO 较低表明碳的存在会加速溶解氧消耗，提供厌氧环境，有助于反硝化微生物生长代谢等活动的正常进行。因此，确定本实验的最佳碳氮比为3。

2.4 不同硫素对脱氮效果和出水水质的影响

根据前文对模拟实验条件的优化可知，本实验的最佳HRT 为48 h、进水pH=7，最佳碳氮比为3。本节分别讨论在此条件下，不同硫素对脱氮效果的影响、出水氨氮的积累情况、硫酸根以及TN 和COD的变化情况。

2.4.1 不同硫素对脱氮效果的影响

实验设置3 种不同类型的人工湿地装置，分别添加不同价态的硫（Na2S、Na2S2O3、S）作为电子供体，3 种硫素与硝酸根的反应分别见式（2）～式（4）〔10〕。

由前文可知：添加3 种硫素的人工湿地对硝氮的去除效果均优于对照组，说明人工湿地中添加硫素均能促进反硝化作用。由图3 可知，相比于对照组，在人工湿地中添加Na2S、Na2S2O3和单质S 分别使硝氮去除率提升48.31%、26.08%和25.44%。由此可知，添加Na2S 的人工湿地对硝氮的去除效果优于添加Na2S2O3和单质S 的人工湿地，而Na2S2O3和S 体系之间的差异并不明显（P＞0.05）。分析原因发现：硫化钠中的硫呈-2 价，而硫代硫酸钠中硫的平均价态是+2 价，1 mol Na2S 能够转移8 mol 电子，而1 mol Na2S2O3只能提供4 mol 电子，以供反硝化微生物利用。而单质硫因其溶解度低、生物可利用性不高，导致其对反硝化过程的促进作用低于硫化钠。

2.4.2 各系统出水中氨氮的积累情况

图4 为出水中氨氮含量的变化情况。

图4 出水中氨氮含量的变化情况

由图4 可知，各体系中氨氮含量的整体波动情况是一致的，在0～12 h 呈现先增后减的趋势，12～24 h氨氮含量持续升高，并在最后12 h 有所降低，最终出水的氨氮浓度均未超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中所规定的限值。水中硝酸盐异化还原过程是氮转化的一个重要途径，包括反硝化、异化硝酸盐还原成铵和厌氧氨氧化〔11〕。对比各体系内氨氮浓度：Na2S 系统＜Na2S2O3系统＜S 系统＜对照组。体系内氨氮浓度低说明水中的硝酸盐氮多以反硝化途径转移出去；相反，水体中残留的氨氮浓度越高，则表明异化硝酸盐还原成铵过程所占比重越高，反硝化过程所占比重越低。综上所述，3 种不同价态的硫体系中，Na2S 对人工湿地反硝化过程具有较好的促进作用。

2.4.3 各系统出水中硫酸根的变化情况

图5 所示为不同类型人工湿地中出水硫酸根浓度含量。

图5 不同类型人工湿地中出水硫酸根浓度含量

各体系中硫酸根离子的浓度相比于对照组都呈现上升的趋势，但Na2S 和Na2S2O3系统中硫酸根含量的增长较为平稳，而S 系统中硫酸根含量的增长幅度较大，尤其在24～48 h，硫酸根出现快速积累。对Na2S 和Na2S2O3系统而言，硫素是通过外部添加的方式进入人工湿地，可利用的硫素含量有限。随着反硝化过程的进行，S2-和作为电子供体也不断被消耗，最终转化成SO42-的形式。当S2-和S2O32-消耗殆尽时，所转化成的SO42-的含量也趋于稳定。对于S系统而言，硫单质作为人工湿地的基质被填充在柱子中，因为硫可溶于水，可利用的S 储量丰富。随着反硝化过程的进行，S 不断被消耗，同时又有新的S不断溶出，释放到水体环境中，持续被微生物所利用，因此出水SO42-的含量会不断增加，并且呈现线性关系（R2=0.9）。在48 h 所有体系的出水SO42-最终质量浓度均未超过250 mg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的规定，不会对水体造成新的污染。2.4.4 各系统出水中TN 和COD 的情况

在最佳进水条件下（C/N=3），进水TN 40 mg/L、COD 120 mg/L 时，经过48 h（最佳的HRT），各体系内TN 和COD 去除情况见表3。

表3 48 h 各体系出水中TN 和COD 情况

经过48 h 停留时间后，各体系内的TN 和COD含量都有大幅下降，各处理组都比对照组具有较高的处理效率。其中Na2S 体系对二者的去除率都处于较高水平，分别为90.31%和82.29%。对于出水总氮而言，其浓度依然偏高，仍需进一步处理以达到国家规定的排放标准。各体系出水COD 均低于30 mg/L，不会对水体环境造成新的污染，可直接排放处理。

3 结论

（1）在模拟废水中硝氮质量浓度为40 mg/L、实验环境为自然室温条件下，综合考虑去除效果和经济效益等因素，确定人工湿地装置的最佳水力停留时间为48 h。

（2）实验探究了进水条件在pH 分别为6、7、8、9时各系统对硝氮去除效果的影响，发现当进水pH=7时，硝氮的去除效果最好，可达97.83%；因此确定整个实验的最佳pH 为7。

（3）不同碳氮比对人工湿地的硝氮去除效果影响很大。实验结果表明，当碳源充足（C/N=3）时，反硝化作用最强，硝氮的平均去除率提升了40%。因此，本实验的最佳碳氮比是3。

（4）对比不同的人工湿地装置可知，不同价态的硫对反硝化过程均表现出促进作用。在进水中添加Na2S对提升反硝化效率具有最佳的促进作用，使硝氮去除率提升了48.31%；而Na2S2O3、S 对反硝化的促进作用相当，对硝氮的去除效率分别提升26.08%和25.44%。