垂直潜流人工湿地中ORP_DO和pH与脱氮过程的关系_王泉

·生化与农业研究·垂直潜流人工湿地中ＯＲＰ、ＤＯ和ｐＨ与脱氮过程的关系①王泉吴献花②吴珊李利瑞余祥润（玉溪师范学院玉溪高原湖泊生态环境研究中心，云南玉溪６５３１００）［关键词］垂直潜流人工湿地；溶解氧；氧化还原电位；ｐＨ；硝化作用；反硝化作用［摘要］通过建立垂直潜流人工湿地实验装置，研究ＯＲＰ、ＤＯ、ｐＨ与脱氮过程之间的关系．结果表明：系统内硝化作用强于反硝化作用，硝化作用耗氧使ＤＯ浓度从进水到出水呈现下降的趋势．石灰石填料释放碱度以及硝化作用消耗碱度两者之间的作用会影响系统的ｐＨ值．在实验系统中，从进水到出水，ＴＮ、ＴＰ逐渐降低时，ＯＲＰ显示为上升的趋势．［作者简介］王泉，研究方向：湖泊水环境保护．［中图分类号］Ｘ７０３［文献标识码］Ａ［文章编号］１００９－９５０６（２０１１）１２－００２４－０４在人工湿地中，湿地中ＤＯ的分布和水平影响湿地的硝化效果以及最终的脱氮效果，硝化作用的发生需要有一定的溶解氧水平，对于１．０ｍｇ／Ｌ的氨氮，当系统中溶解氧大于４．６ｍｇ／Ｌ时，硝化过程才能顺利进行．［１］氧化还原电位（ＯＲＰ）是多种氧化物与还原物质发生氧化还原反应的综合结果，能够帮助了解水体的电化学特征，分析水样的性质，是一项综合性指标．ｐＨ是影响硝化作用的另一个主要因素，当ｐＨ超过某个范围时，对ｐＨ敏感的硝化细菌的活性也会跟着下降从而对硝化作用的持续进行有负面影响．［２］ＤＯ、ＯＲＰ、ｐＨ等能直接对微生物活性造成影响，由此也能影响湿地的整体脱氮效果．［３］目前，对于水体理化性质（即ＯＲＰ、ＤＯ、ｐＨ等）与湿地脱氮关系的研究还比较欠缺．因此，对人工湿地水体理化性质与湿地脱氮的关系进行研究的工作还有待加强．本研究自行设计垂直潜流人工湿地实验装置，通过改变停留时间，并监测各形态Ｎ素水质参数的浓度以及ＤＯ、ＯＲＰ、ｐＨ等参数，以研究这些理化参数与人工湿地脱氮过程的关系，目的是为强化湿地脱氮效果提供必要的理论基础．１研究方法本实验装置基本参数为：表面积０．０２ｍ２；填料高度８０．００ｃｍ；含水量７．７８Ｌ；含水率４２．８６％，装置４２玉溪师范学院学报（第２７卷）２０１１年第１２期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹｕｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．２７Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２０１１①②基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项，编号：２００９ＺＸ０７１０２－００２－０４；云南省自然科学基金项目，编号：２００６Ｃ００４０Ｑ．通讯作者：吴献花，教授，主要从事湖泊生态修复方面的研究工作，Ｅｍａｉｏ：ｘｈｗ１０５＠１６３．ｃｏｍ．图１试验装置运行流程图流程图见图１．填料采用石灰石，石灰石是常见的建筑材料，容易获得，根据陈静的专著，石灰石是人工湿地常用的基质．［４］运行方式为下行流，停留时间最初为较短的１６ｍｉｎ，后期将其调整到大约１０ｈ．进水为校园内悠悠湖出水，每次进水水质的取样情况如附表所示．在装置中，沿着湿地水流的方向设置了７个出水口．附表进水水质水力停留时间（ｍｉｎ）ＮＨ３－Ｎ（ｍｇ／Ｌ）ＴＮ（ｍｇ／Ｌ）ＮＯ３－Ｎ（ｍｇ／Ｌ）１６０．７６３１．９９８０．６６４５６８０．４８９２．０４８０．６８０测定水质参数包括ＴＮ、ＮＯ３－Ｎ、ＮＨ３－Ｎ、ＤＯ、ＯＲＰ、ｐＨ，含Ｎ营养盐的测定方法按国家环保部编制的《水和废水监测分析方法》［５］进行，现场监测的ＤＯ、ＯＲＰ、ｐＨ采用ＨＡＮＮＡ－ｌｔａｌｙＨＩ９８２８仪器测定．２结果与分析２．１ＤＯ与脱氮过程的关系无论停留时间在１６ｍｉｎ还是５６８ｍｉｎ的时候，沿着水流的方向ＮＨ３－Ｎ浓度下降，ＮＯ３－Ｎ浓度上升（图２），硝化作用强于反硝化作用，且ＤＯ浓度也为下降的趋势，这是因为ＮＨ３－Ｎ的硝化作用是耗氧过程，且消耗的是溶解性的氧，由此导致ＤＯ下降．图２停留时间为１６ｍｉｎ（左图）及５６８ｍｉｎ（右图）时ＤＯ与脱氮过程的关系２．２ｐＨ与脱氮过程的关系在本实验系统中，ｐＨ的变化趋势可以在一定程度上反映碱度的变化趋势．由于ＮＨ３－Ｎ氧化的过程要消耗碱度，每氧化１ｍｇ氨氮为硝酸根需消耗７．１ｍｇ碱度，［６］经过硝化作用和反硝化作用，系统中的Ｎ最终转化为氮气而脱除，脱氮过程是消耗碱度的过程，从而导致ｐＨ下降．由于停留时间在５６８ｍｉｎ的ＴＮ去除效果较好，而停留时间为１６ｍｉｎ时ＴＮ去除率为负值，因此，当停留时间在５６８ｍｉｎ时碱度被不断消耗导致ｐＨ下降，而停留时间为１６ｍｉｎ时碱度不但没有被消耗，反而上升，从而导致ｐＨ上升．这是因为，停留时间太短导致系统脱氮能力大为下降，ＴＮ出水浓度甚至高于进水浓度，伴随着ＢＯＤ的脱除等其它５２王泉吴献花吴珊李利瑞余祥润：垂直潜流人工湿地中ＯＲＰ、ＤＯ和ｐＨ与脱氮过程的关系会增加碱度的反应的进行，［６］最终导致了ｐＨ的上升．图３停留时间为１６ｍｉｎ（左图）及５６８ｍｉｎ（右图）时ｐＨ与脱氮过程的