添加生态型植物碳源对人工湿地脱氮除磷效果的研究

张 旭，刘 佳，许 兵*，王庆荣，成小翔

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101；2.济南水务集团有限公司，山东 济南 250118；3.济南泉建实业总公司，山东 济南 250102)

人工湿地作为可持续的污水生态处理技术，被广泛应用于多种污水和受污地表水的处理，如生活污水、工业废水以及受污河流等[1-3]。湿地系统中的脱氮方法主要包括微生物作用、植物吸收和基质吸附[4]，其中硝化和反硝化作用是湿地生物脱氮的关键过程。在处理低碳氮比(C/N)污水时，人工湿地往往面临碳源不足的问题[5-6]。近年的研究发现，富含纤维素和半纤维素的天然植物，可以作为人工湿地的外加碳源，且植物成本低廉、易获取[7-8]。Yang等[9]选用8种农业废弃物作为固体碳源，研究了其对反硝化作用的影响；Saeed等[10]使用甘蔗渣作为人工湿地的外加碳源，其释放的有机碳可以有效地提高人工湿地的脱氮效率。

目前，多采用直接投加的方式在人工湿地系统中加入植物碳源，但植物碳源在初期会释放过量的有机物造成系统出水中COD、TN偏高。为了解决上述问题，本文拟采用不同方式对玉米芯进行预处理，通过静态释放试验，考察玉米芯对有机碳、氮、磷的潜在释放规律，并利用玉米芯制备生态型植物碳源[11]，研究其对强化人工湿地脱氮除磷效果的影响。

1 材料与方法

1.1 静态释放试验

玉米芯采自山东省某农场，对其进行简单处理：粉碎并筛选1～2 cm长的不规则小段，用去离子水清洗后在45℃烘箱中烘干至恒重。将玉米芯分别采用以下3种方式进行预处理：①2%NaOH浸泡24 h；②90℃水浴加热2 h；③另一份为上述简单处理。预处理后的玉米芯材料储存于干燥箱中备用。

通过静态释放试验，对玉米芯释放的有机碳和氮进行表征。试验前，先将250 mL烧瓶高压消毒30～60 min，再分别称取预处理后的玉米芯各2 g于烧瓶中，加去离子水至标线,用封口膜将瓶口密封，防止空气对静态释放试验造成影响；然后将烧瓶置于恒定25℃中，每天定时摇匀3次，每2 d取一次样，将上清液通过0.45 um的滤膜过滤，检测滤液中总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)等浓度，定期更换去离子水，并设置3组对照。上述试验均在无菌条件下进行，以评价玉米芯对有机碳、氮、磷的潜在释放能力。

1.2 人工湿地运行试验

1.2.1 生态型植物碳源制备

分离污水处理厂的反硝化段污泥菌种(4～6 log CFU/mL)，经稀释后均匀喷洒在植物固体碳源表面(碱处理后的玉米芯材料)，频率为每天2次，植物碳源与菌种质量比为20～30∶1～2。将制备的生态型植物碳源置于阴凉干燥处固化以备用。

1.2.2 人工湿地系统运行设计

水平潜流人工湿地模拟系统由PVC材料制成，其构造设计如图1所示。该装置长2.0 m、宽0.5 m、深0.5 m，基质深为0.45 m，孔隙率为60%。装置主体部分由前、中、后三级相同容积的填料组成，分别填充炉渣(D=8～10 mm)、砾石(D=5～7 mm)、陶粒(D=3～5 mm)，不同基质间用滤网分隔。装置主体分隔为6段，每段隔板上下交错有连通口，使水流与填料最大程度接触。为了防止填料堵塞湿地、难以清理等问题，本设计将填料填充于装置顶端，缓释碳源组(即试验组)顶层放置生态型植物碳源0.6 kg，投加量沿水流方向逐渐减少，前、中、后三部分处理区生态型植物碳源投加量分别为1/2、1/3、1/6。装置外部用细隔板隔断，并铺满砂砾，以保持湿地系统中水位一致；另设置相同的空白对照组，顶层仅铺设砂砾，与试验组保持相同水平高度。人工湿地中种植菖蒲，设计密度为13株/m2，连续水流从前至后流经人工湿地模拟装置，最终由出水区排水口排除。本人工湿地模拟系统中，根据水体的流向，水中溶解氧环境为有氧-缺氧的循环过程。

图1 水平潜流人工湿地模拟系统设计图Fig.1 Analog system design of subsurface constructed wetland

1.3 水质分析检测方法

2 结果与讨论

2.1 不同预处理方式下玉米芯COD、TN、TP的静态释放规律

不同预处理条件下玉米芯COD的静态释放规律，见图2。

图2 不同预处理条件下玉米芯COD的静态释放 规律Fig.2 Static release of corncob COD under different pretreatment conditions

由图2可以看出：

(1) 对玉米芯采用3种不同的处理方式，其COD的释放量均表现出先快后慢的共同特点。在试验开始的前6 d，玉米芯表现出较高的COD释放速率；试验后期，玉米芯COD的释放量下降至50 mg/L以下，并且维持在稳定状态。

(2) 玉米芯经过碱处理后2 d内COD的最大释放量接近1 000 mg/L，释放效果最好。

(3) 3种不同处理方式的玉米芯在30 d内COD的平均释放量为：碱处理104 mg/L，热处理79 mg/L，简单处理54 mg/L。这是因为天然植物材料中可以释放COD的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素等成分，试验样品经过碱处理或热处理后，玉米芯的表面结构遭到破坏，纤维素等类物质裂解，同时比表面积进一步增大，更有利于释放碳源[12]。另外，本试验选用的材料为新鲜植物，相比于以往采用的枯叶材料，在进行静态释放时，新鲜植物材料COD的释放量要远高于枯叶材料，主要原因是新鲜植物材料的纤维素含量要远高于枯叶材料。研究发现，玉米芯所释放的色素主要为玉米黄素，其分子式为C40H56O2，属于萜烯类不饱和化合物[13],从分子式可以看出，玉米黄素中不含氮，不会提高人工湿地系统出水中TN的浓度。考虑到色素对出水水质的影响，需要适当对植物进行简单浸泡处理，以减少其色素的含量，降低对水体造成的不良影响。

不同处理条件下玉米芯TN、TP的静态释放规律，见图3。

图3 不同预处理条件下玉米芯TN、TP的静态 释放规律Fig.3 Static release law of corncob TP and TP under different pretreatment conditions

由图3可以看出：

(1) 玉米芯TN的释放量也呈现出先快后慢的特点；3种不同处理条件下，玉米芯TN的最大释放量可达到27.84 mg/L，但在试验第8天后玉米芯TN的释放量逐渐趋于稳定，试验后期玉米芯TN的平均释放量在2 mg/L以下。3种不同预处理方式下玉米芯在30 d内TN的平均释放量为碱处理2.58 mg/L、热处理2.76 mg/L、简单处理组4.98 mg/L。可见，经过不同处理的玉米芯TN的释放量表现出很大的差异性，这主要是因为经过碱性溶液或者高温处理后，玉米芯的表面结构发生变化，纤维素类物质成分遭到破坏，使含氮物质提前释放出来，减少了玉米芯过量释放的TN对水体造成的影响。

(2) 玉米芯TP的释放量试验初期较大，试验后期其释放量在0.2 mg/L以下，由于TP的释放量整体偏低，其对出水水质所造成的影响可以忽略。

2.2 碱处理玉米芯浸出液的EEM-PARAFAC分析

本试验采用EEM-PARAFAC分析，对释放效果最佳的碱处理玉米芯浸出液中的有机碳进行表征，其结果见图4。

图4 碱处理玉米芯浸出液的EEM-PARAFAC分析Fig.4 EEM-PARAFAC analysis of corncob leaching solution treated with alkali

由图4可以看出：

(1) 经过碱处理后玉米芯浸出液中,组分A在380 nm附近有激发峰，发射波长在475 nm附近，经鉴定为类腐殖酸化合物；组分B在270 nm附近有激发峰，发射波长在460 nm附近，经鉴定为类富里酸化合物。

(2) 在静态释放周期内，通过EEM-PARAFAC分析，从玉米芯浸出液中溶解性有机物A、B组分的相对分布变化可以明显看出两种组分在不同阶段的分布存在显著性差异:在整个静态释放试验过程中，组分A的相对丰度为54%～77%，要高于组分B的相对丰度23%～43%，且随着释放试验的运行，组分B的相对丰度逐渐降低。另外，通过EEM-PARAFAC分析得到的组分相对分布变化，可以找到促进脱氮作用的各种有机物种类。

本试验中可以得出：组分A>组分B，该试验结果也可为更好地利用玉米芯作为人工湿地外加碳源促进脱氮效果提供理论指导。

2.3 玉米芯生态型植物碳源应用于人工湿地净化试验

根据玉米芯的COD静态释放效果可知，试验初期COD的释放量过高，并且伴随着玉米黄素的释放，导致水体的颜色呈现出黄色，为了降低植物碳源对湿地水质造成的不良影响，试验开始前先将通过碱处理的玉米芯材料浸泡1～2 d，待浸出液中COD和色素降低后，再添加菌种合成生态缓释碳源，其他条件保持不变，考察人工湿地系统进、出水中COD的变化，其结果见图5。

图5 人工湿地系统进出水中COD的变化Fig.5 Changes in water COD in constructed wetland system

由图5可见：试验组(即生态碳源组)和空白组的人工湿地系统出水中COD较稳定，COD平均去除率分别为68.3%和79.1%；空白组人工湿地系统出水中COD的去除率在试验前期要略微高于添加生态碳源组，主要是因为添加生态碳源的人工湿地系统中植物的纤维素和半纤维素类物质水解使系统出水中COD的浓度升高，但是对系统总体出水水质的影响较小，说明设计的碳源投加量较为合理，微生物可以充分利用所释放的有机碳进行一些列生命活动；在试验后期添加生态碳源组的人工湿地系统出水中COD浓度开始降低，表明生态型植物碳源外部的菌种活性逐渐提高，并形成一层生物膜进行反硝化等一系列生理活动，对减缓有机碳外放起到了一定的效果，同时在试验后期人工湿地系统出水中COD浓度较低的情况时，TN依旧保持较高的去除效率。

上述试验结果表明：添加生态型植物碳源会略微增加人工湿地水体中COD的浓度，但是其最终出水中COD浓度并未超标，说明植物碳源释放的有机物可以很好地被微生物所利用。

添加生态型植物碳源的优势在于可以直接提高新建人工湿地系统中微生物的多样性。由于生态型植物碳源外部附着大量微生物群体，这些微生物将玉米芯作为生长繁殖的栖息环境，并形成生物膜，使微生物反硝化作用多集中在玉米芯外缘，并可直接利用其所释放的有机碳，减少了玉米芯过量释放COD对水体造成的影响，其效果大大优于直接投加玉米芯碳源的利用方式。其与传统的葡萄糖、甲醇或是聚乳酸等外加碳源相比，最大的特点是利用生物增强技术的原理，向传统的生物处理系统中引入具有特定功能的菌种，提高有效微生物的浓度，增强对有机物的降解能力和降解速率[14]。

人工湿地系统出水中TN和TP的变化，见图6。

图6 人工湿地系统进出水中TN和TP的变化Fig.6 Changes in water TN and TP in constructed wetland system

由图6可以看出：

(2) 试验组和空白组人工湿地系统出水中TP的平均值分别为0.71 mg/L和0.87 mg/L，TP的平均去除率分别为56.30%和46.60%。在新建人工湿地系统中，植物生长缓慢，随着有机物浓度的增加，当基质吸附能力较低时，微生物作用则为主要的除磷方式[16-17]，所以在低C/N条件下，聚磷菌需要利用碳源来维持生命体活动，会在人工湿地系统中与反硝化细菌产生竞争性抑制，进而影响人工湿地系统的处理效率[18]，使其脱氮除磷的效果降低。通过向人工湿地系统中投加碳源，使系统中的反硝化细菌和聚磷菌都可以获得足够的碳源进行生理活动，从而提高了人工湿地系统的脱氮除磷效果。同时，聚磷菌中兼性厌氧的反硝化聚磷菌可以利用硝酸盐为电子受体维持其生理活动[19]，并进一步降解水中的氮元素。因此，向人工湿地系统中投加碳源后，系统中的微生物可以充分利用所释放的碳源,从而提高人工湿地系统的脱氮除磷效果。

2.4 微生物多样性分析

取试验组和空白组两组人工湿地系统中的填料对其进行生物多样性分析检测，其检测结果见图7。

图7 人工湿地系统中属水平菌落结构Fig.7 Gnus level colony structure in constructed wetland system

由图7可见，添加生态碳源组的人工湿地系统中菌种的丰度要高于空白组。其中，Dechloromonas、Hydrogenophaga、Zoogloea、Sulfurospirillum、Sulfurimonas、Pseudomonas、Thauera、Simplicispira、Comamonadaceae-unclassified等菌属均与脱氮相关[20-22]，其相对丰度达到了50.6%，远高于空白组的相对丰度28.65%。上述试验结果表明：添加生态型植物碳源的人工湿地系统，可以明显提高系统中脱氮菌属的丰度，促进人工湿地系统的脱氮作用。

3 结论与展望

(1) 玉米芯植物经过碱处理、热处理、简单处理后TN、TP和COD在试验初期的释放量较高，第8天时释放速度达到稳定。经过碱处理后，玉米芯COD、TN、TP的释放效果最佳，COD、TN、TP的平均释放量分别为104 mg/L、2.58 mg/L、0.24 mg/L，可以很好地提高人工湿地系统污水中的C/N，促进人工湿地系统的反硝化作用。经玉米芯浸出液EEM-PARAFAC分析显示，玉米芯水解的产物为类腐殖酸和类富里酸化合物，这为研究添加玉米芯促进人工湿地系统脱氮的驱动机理研究提供了理论支持。

(2) 在人工湿地系统中添加生态型植物碳源，在系统出水中COD浓度不显著提高的前提下，相比空白组，该试验组系统出水中TN和TP的去除率分别提高了35.82%和9.7%，且与脱氮相关的菌属相对丰度提高了21.95%，说明添加生态型植物碳源可以有效地提高人工湿地系统的脱氮除磷效果。

(3) 所合成的生态型植物碳源，作为一种新型工艺，可以有效地促进人工湿地系统对TN、TP的去除。但在合成生态型植物碳源时，如何保持菌种高效的生理活性和多样性以及植物碳源的长期释放效果，将是今后研究的重点。