硫-铁自养反硝化人工湿地强化农村黑臭水体深度脱氮

摘要： 现阶段研究分析发现，N、S元素是导致水体黑臭的关键所在，由此构建硫-铁自养反硝化人工湿地系统治理农村黑臭水体。该自养反硝化系统以硫铁矿为电子供体、以青石为酸碱平衡调节材料，按照3∶2、1∶1的比例混合，通过分析不同水力停留时间（HRT）下湿地系统的脱氮效果、沿程脱氮变化及微生物群落情况，验证该人工湿地系统的脱氮治理效果。结果表明，在HRT为24 h条件下系统的脱氮效果最好，TN、NO-3-N分别从（12.88±0.4）、（7.73±0.76） mg/L降至（1.46±0.34）、（0.83±0.14） mg/L，最高去除率分别为91.3%、91.8%；但随着HRT的下降，脱氮效果也随之降低。随取样口1～4相对高度的增加，系统脱氮效率明显上升，其中，由硫铁矿、火山岩、青石按照3∶5∶2的体积比复配而成的人工湿地系统在取样口4的TN及NO-3-N去除率分别为87.07%、85.88%，取样口1的TN及NO-3-N去除率仅为15.91%、16.88%。此外，Proteobacteria（变形门菌）、Bacteroidetes（拟杆菌门）等为该系统中的优势菌门。

关键词： 农村黑臭水体； 自养反硝化； 人工湿地； 脱氮效果； 沿程变化

中图分类号： X522

文献标志码： A

文章编号： 1671-6841（2025）02-0089-06

DOI： 10.13705/j.issn.1671-6841.2023031

Effect of Sulfur-iron Autotrophic Denitrification Constructed Wetland

on Nitrogen in Black and Smelly Water

GAO Jingqing^1，2， LI Yuxuan1， ZHANG Zheng3， WANG Shilong4， WANG Shuai⁵， ZHANG Xin6

（1.School of Ecology and Environment， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2.Key Laboratory of Water Management and WaIvMo0RWj3BByuAtboLeFKQ==ter Security in the Yellow River Basin， Ministry of

Water Resources， Zhengzhou 450003， China;

3.China Construction Eighth Huazhong Construction Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei 430021， China;

4.School of Environment， Hohai University， Nanjing 210098， China; 5.Zhengzhou Yuanzhihe

Environmental Protection Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China; 6.Guangzhou Tiecheng Engineering

Quality Testing Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， China）

Abstract： Current studies indicated that N and S elements were the key factors leading to water body black and odor. A S-Fe self-supporting denitrifying wetland system was constructed to control the black and odor water in rural areas of the Yellow River Basin. The autotrophical denitrification system used pyrite as electron donor and bluestone as acid-base balance regulating material， mixed at ratios of 3∶2 and 1∶1. The nitrogen removal effect of the constructed wetland system with different hydraulic residence time （HRT）， the change in nitrogen removal along the path and microbial communities， were analyzed to verify the nitrogen removal and treatment effect of the constructed wetland system. The results showed that the system had the best denitrification effect when HRT was 24 h. TN and NO-3-N decreased from （12.88±0.4）， （7.73±0.76） mg/L to （1.46±0.34） and （0.83±0.14） mg/L respectively， with the highest removal rates of 91.3% and 91.8%. However， with the decrease of HRT， the nitrogen removal effect decreased. With the increase of relative height of sampling port 1～4， the nitrogen removal efficiency of the system increased significantly. Among them， the TN and NO-3-N removal rates of the constructed wetland system composed of pyrite， volcanic rock and bluestone with the volume ratio of 3∶5∶2， at the sampling port 4 were 87.07% and 85.88%， respectively. The removal rates of TN and NO-3-N of sampling port 1 were only 15.91% and 16.88%. In addition， Proteobacteria and Bacteroidetes were the dominant bacteria in this system.

Key words： rural dark smelling water bodies; autotrophic denitrification; constructed wetlands; denitrifcation effect; along course changes

0 引言

在《农村黑臭水体治理工作指南（试行）》中将农村黑臭水体的定义为：各县（市、区、行政村、社区等）范围内颜色明显异常或散发浓烈（难闻）气味的水体^［1］。随着社会经济的发展，农村黑臭水体的治理工作已经成为下一阶段农村人居环境改善的重点。目前我国黄河流域省份农村黑臭水体治理工作依然形势严峻。

现阶段研究认为，水体中Fe²⁺、∑S^2-（∑S^2-=S^2-+HS-+H2S）的浓度与DO值是导致黑臭水体现象发生的关键因素。当水体处于缺氧或厌氧环境时，氧化还原条件发生转变且硫酸盐还原菌和铁还原菌的生长得到极大的促进^［2-3］，使Fe、Mn、S元素价态发生改变，生成大量的Fe²⁺、Mn²⁺、S^2-离子从底泥扩散至上覆水体中；扩散至水体中的Fe²⁺、Mn²⁺与S^2-结合生成FeS和MnS等黑色的金属硫化物，致使水体出现发黑的现象^［4-6］。同时在该条件下，水体中所形成的β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮以及水体中甲基与硫结合生成的挥发性有机硫化合物，如二甲基硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基三硫醚（DMTS）是造成水体发臭的主要化学物质^［7-9］；在厌氧分解过程中生成的H2S、氨气等气体同样会产生恶臭气味，造成水体产生发臭现象^［10］。在《农村黑臭水体治理工作指南（试行）》中则将水中的氨氮作为了评判水体黑臭的主要指标之一。

硫自养反硝化的研究开始于20世纪70年代，其主要通过利用H2S、S^2-、S2O^2-3、S0等还原态的硫为电子供体将硝酸盐氮还原为氮气，且无须加入额外的碳源^［11-12］。现阶段国内外研究者将硫自养反硝化与人工湿地相结合，进行湿地净化处理的研究已屡见不鲜，而基质又是人工湿地系统中的关键所在^［13］。李芳芳等^［14］以硫铁矿、硫磺、白云石等作为人工湿地的基质材料对二沉池尾水进行强化处理，其出水NO-3-N和TP的浓度分别为10.31mg/L和0.10mg/L。刘佃娜等^［15］以硫磺、石灰石等构建垂直流人工湿地，发现NO-3-N去除率可达到92.2%以上。Ge等^［16］以硫铁矿作为人工湿地的基质，发现在3年内TN去除率可以维持在（69.4±21.4）%左右。但目前为止，将硫-铁自养反硝化人工湿地系统作用于农村黑臭水体的研究鲜有报道。

本研究以黑臭水体成因的研究现状与硫自养反硝化的原理为基础，构建一种适应于农村黑臭水体的硫-铁自养反硝化人工湿地系统。通过对该系统不同水力停留时间下的脱氮效果、沿程变化、后续实验中的微生物群落等进行综合分析研究，以期为该人工湿地系统在农村黑臭水体净化中的应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本研究实验装置示意图见图1。本装置由有机玻璃制成，高550mm、内径为50mm、容积为1.08L。实验装置A中由硫铁矿（粒径：2～4mm）、火山岩（粒径：5～8mm）、青石（粒径：12～15mm）按照3∶5∶2的体积比复配而成；装置B为硫铁矿（粒径：2～4mm）、火山岩（粒径：5～8mm）、青石（粒径：12～15mm）按照1∶3∶1的体积比复配而成。装置采取底端进水，同时为探究沿程因素影响，于进水口上端10cm、20cm、30cm、40cm处设置4个出水口，装置运行期间以最上端出水口出水进行水质分析。

在早上9：00进行取样测定，实验前期为保证实验装置稳定运行进行连续测样，运行稳定后每间隔2天进行一次取样测定。

1.2 污泥接种

实验所接种的污泥取自郑州市五龙口水务处理分公司厌氧段，MLSS为4 320mg/L。为保证挂膜效果，加快装置启动，运行前期采用循环进水的方式，在启动完成后采取连续进水。

1.3 实验污水

本实验污水取自黄河流域河南省荥阳市某乡村受污染黑臭水体，水中COD、TN、NO-3-N、TP、SO^2-4浓度分别为（82.7±5.9）、（13.22±0.91）、（7.61±0.88）、（2.78±0.32）、（60.17±6.77） mg/L。

1.4 检测方法

水中COD、TN、NO-3-N、NH+4-N、TP的测定均依照《水和废水监测分析方法（第四版）》进行。其他指标如pH、DO、温度等均采用上海雷磁便携式多参数水质分析仪DZB-712进行测定。在最佳HRT条件下运行结束后，分别对不同取样口5cm内的基质混合取样并利用16S rRNA高通量测序技术对后续实验中的微生物群落进行测定。

1.5 数据分析

利用Excel 2016进行数据收集整理；SPSS 26进行数据分析，差异显著性水平为0.05；Origin 2021进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 系统脱氮效果

硫-铁自养反硝化人工湿地系统出水TN、NO-3-N随时间变化情况见图2。两系统对TN的去除均有着较为明显的效果，但随着水力停留时间（hydraulic residence time，HRT）的降低，TN的去除率明显下降。当HRT为24h时，A系统TN平均去除率为（88.37±2.66）%，最高去除率达到了91.03%；B系统TN平均去除率为（81.82±2.26）%，最高去除率达到了84.08%。当HRT下降至12h时，两系统TN去除率均有不同程度下降，A系统TN去除率仍能维持在80%以上，但B系统仅能维持在70%左右。当HRT下降至6h时，A、B两系统去除率均出现大幅度下降，A、B两系统最低去除率为52.74%、35.71%。

A、B两系统NO-3-N的去除率变化趋势与TN相似，随着HRT的下降，TN去除率也随之降低。当HRT为24 h时，A系统NO-3-N平均去除率为（89.42±2.38）%，最高去除率达到了91.8%；B系统NO-3-N平均去除率为（80.16±1.3）%，最高去除率达到了81.46%。当HRT为12h时，A系统平均去除率在77%左右，而B系统仅为49%。在HRT下降至6h时，A、B两系统NO-3-N的去除率下降趋势更明显，两系统最低去除率分别为45.73%、21.59%。

从数据对比可以看出A系统去除率明显优于B系统，硫铁矿基质的用量对水中氮元素的去除具有明显的影响。这因为在硫自养反硝化过程中以硫铁矿FeS2充当电子供体与NO-3反应生成N2实现水体中氮的去除^［17］。通过实验数据对比发现，当HRT为24 h时，A、B两系统均有较好的脱氮效果，其中A系统出水可达到地表水环境质量标准中地表Ⅳ类水的标准，但当HRT降低时，污水与基质接触不充分且不利于微生物的反应，导致反硝化过程受到抑制从而导致去除率下降^［18］；同时，硫自养反硝化过程中参与反应的多为TON（总氧化氮）。随着HRT的不断下降，A、B两系统内的反硝化过程无法完成，从而导致了TN、NO-3-N的去除率随之逐渐下降。

2.2 沿程变化分析

本研究在HRT为24 h的条件下对湿地系统脱氮效率进行沿程分析，以此来探究硫-铁自养反硝化人工湿地内部氮元素的变化规律。具体数据见图4～6。

两系统中TN的沿程变化趋势相似，随着沿程高度呈现了逐步下降的态势，在最终取样口4及出水的位置A、B两系统的去除率分别达到89.12%、82.7%。从进水到取样口4之间，两系统TN含量均有着不同程度的下降，这表明系统中各个阶段均有硫自养反硝化反应的发生。通过沿程变化趋势发现，从进水到取样口1的去除效率明显较慢，A、B两系统去除率仅为15.91%、14.53%；而在取样口1～4，A系统中TN含量大幅度下降，由11.52mg/L降至1.49mg/L，去除率达到了87.07%。B系统与之相似，由11.71mg/L降至2.37mg/L，去除率为79.76%。系统去除效率的变化可能是由于随着氧气的进入，初期部分中硝化与反硝化过程同时存在，产生了电子供体的竞争关系，导致反硝化受到了一定程度的抑制，TN去除率较低；随着氧气的消耗，反硝化效率不断上升，去除率也随之上升。

从NO-3-N的沿程变化趋势可以进一步证明上述分析。A、B两系统在取样口1的去除率仅为16.88%、13.03%，而在取样口4的去除效率达到了85.88%、75.86%，呈现出与TN相似的变化趋势。这很可能是因为在处理前端硝化与反硝化过程的同步进行，NO-3-N被转化为N2的同时NH+4-N被转化为NO-3-N，从而导致上述现象的发生。与此同时，当水自进水端流经至取样口1时，HRT较低亦有可能导致微生物未能完全发挥作用。

通过对TN、NO-3-N的沿程数据变化情况分析发现，A系统的处理效果始终优于B系统，这也afedf9e6e9b2c670dd41fb5b9afa1dae1766d22381a93cff6c3a95cc3520b00e验证本实验中主要依靠FeS2为硫自养反硝化过程提供电子供体，基质中硫铁矿的用量对水中氮素的去除有关键的影响。SO^2-4的生成是制约硫自养反硝化实际运用的关键因素^［19］。现阶段在硫自养反硝化过程中发现SO^2-4的生成是不可避免的，但通过基质的优化可以减少，SO^2-4的生成。从图中可以看出，随着取样口位置的不断升高SO^2-4浓度也不断上升，与之伴随的是氮元素的不断下降。进水SO^2-4浓度为55.52 mg/L，在取样口4两系统出水SO^2-4浓度分别为167.00 mg/L、131.00 mg/L，均低于生活饮用水卫生标准（GB 5749—2022）中250.00 mg/L的限值。通过相关研究对比发现，硫铁矿比S0等在硫自养反硝化过程中生成SO^2-4的量更低^［20］。随着SO^2-4的生成，系统碱度也会随之逐渐下降，而青石的主要成分为CaCO3，起承托作用的同时一定程度上调节了系统的碱度，通过数据监测发现两系统水pH值长期维持在7.5～8.2，处于正常范围内，保证了系统脱氮效果的稳定性。

2.3 微生物群落分析

以A系统为基础构建的硫-铁自养人工湿地在最佳HRT条件下运行结束后，分别对不同取样口5 cm内的基质混合取样并进行高通量测序。数据如图7中所示，主要优势菌门依次是Proteobacteria（38.53%）、Bacteroidetes（12.83%）、Chloroflexi（8.72%）、Acidobacteria（6.35%）、Planctomycetes（5.68%）、Firmicutes（3.61%）、Nitrospirae（2.75%）。其中，Proteobacteria（变形门菌）在污水净化处理中扮演着重要角色，多种参与C、N、S循环的微生物均属于该菌门^［16］；Bacteroidetes（拟杆菌门）有着较强的有机物降解能力^［21］。在相关研究中发现Chloroflexi（绿弯菌门）、Planctomycetes（浮霉菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Nitrospirae（硝化螺旋菌门）对系统的脱氮效果均有着不同程度的作用，其中存在着某些细菌可以对NO-3-N、NO-2-N进行利用，实现系统的脱氮^［22-23］。

从属水平进行分析发现，该模块系统中相对丰度超过1%微生物除去unclassified共有8种，分别为Nitrospira（2.75%）、Thioba-cillus（2.25%）、Gemmatimonas（2.14%）、Gp4（1.68%）、Geobacter（1.52%）、Gp3（1.24%）、Ignavibacterium（1.18%）、Parcubacteria-genera-incertae-sedis（1.06%）。在系统中发现了硝化螺旋菌门的Nitrospira及Thiobacillus（硫杆菌属）的存在，说明系统中硝化及反硝化过程同时存在。Thiobacillus是硫自养反硝化过程中最常见的菌属之一，可利用多种价态的S将NO-3-N转化为N2^［24］。

3 结论

在实验室条件下运行发现硫-铁自养反硝化人工湿地系统可有效解决由氮元素过量引发的农村黑臭水体问题的问题。在进水TN、NO-3-N分别为（12.88±0.4）、（7.73±0.76） mg/L的条件下，其最高去除率均可达到90%以上，达到了地表Ⅳ类水的标准。在系统运行过程中，当HRT为24 h时脱氮效果最好，TN去除率可达到91.3%；且随着HRT的逐渐降低，系统脱氮效果也逐渐下降。通过对比A、B两系统的处理效果后发现，A系统明显优于B系统，以硫铁矿为硫自养反硝化人工湿地系统提供电子供体所产生的SO^2-4在实验中最高为167.00 mg/L，满足标准要求。系统中Proteobacteria（变形门菌）、Bacteroidetes（拟杆菌门）等优势菌门是脱氮的关键；同时存在的Nitrospira及Thiobacillus两种菌属验证了沿程过程中，不同取样口间氮元素去除速率之间存在差异的主要原因为同时进行的硝化与反硝化过程。

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